金屬材料的應用與發展

高晶（精奇（天津）科技股份有限公司，天津300000）

0 引言

一直以來，金屬材料都是至關重要的功能材料。進入二十世紀后期，社會生產力水平不斷提高，對材料的標準要求也隨之提高。同時，現代科技的卓越發展，使得材料種類多樣化，且生產工藝日趨完善化與成熟化。為此，全面探究金屬材料的應用與發展具有重要意義。

1 金屬材料的種類與特性

1.1 金屬材料的種類

金屬材料具有光澤度高、導電性強、延展性良好等基本特征。盡管金屬材料種類繁雜，但總體可歸納為如下兩類：黑色金屬和有色金屬。與這兩類金屬材料相比，特種金屬的應用領域較為特殊，也并不常見。

（1）黑色金屬。黑色金屬又稱之為鋼鐵材料，如純鐵、純鋼、鑄鐵等。此類金屬材料多應用于工業生產領域。（2）有色金屬。有色金屬是指除鐵、錳、鉻之外的其他金屬及合金。按照金屬材料的質地、稀缺性與交易價格等差異，可將其進一步細化為重金屬、輕金屬、貴金屬、稀缺金屬等。（3）特種金屬。特種金屬是指結構與功能較為特殊的金屬，如有機高分子復合金屬、納米晶金屬、非晶態金屬等。

1.2 金屬材料的特性

（1）硬度。硬度是各類金屬材料的基本特性。由于金屬材料的硬度較強，使得其被廣泛應用到對材料硬度有特殊要求的行業領域。硬度既是金屬材料自然屬性特征，又是衡量金屬材料性能的關鍵指標。具體來說，金屬材料的硬度越強，耐磨性越好。

（2）塑性。塑性是指金屬材料在受到外部荷載作用下，產生塑性形變，但不發生結構損害的能力。通常情況下，可以將斷面收縮率與長度延展率作為衡量金屬材料塑性的關鍵指標。具體來說，金屬材料的斷面收縮率與長度延展率越好，塑性能力越強。

（3）疲勞。金屬材料往往會被加工制作成各種規格、各種形狀的零構件。而金屬材質零構件在投入使用過程中，又會受到一定的承載負荷力。盡管這種常規荷載力并不會超過金屬材料本身的屈服強度，但隨著荷載力的非規律性變化和使用時間的延長，也極易導致金屬材料脆性斷裂。而這也就是金屬材料的疲勞狀態顯性特征。

2 金屬材料的實踐應用

2.1 金屬材料在生活領域的實踐應用

2.1.1 炊具制造與家電制造

在日常生活中，金屬材質的炊具和家電隨處可見。這些生活用具的功能不同，都具有耐高溫、抗氧化、防腐蝕等基本特性。在這種情況下，金屬材料完全替代了有機高分子合成塑料等材料。塑料在高溫條件下，極易發生形變、熔化、燃燒等情況，而且塑料燃燒還會釋放有毒害性氣體，對人體健康構成危害。此外，塑料的自然降解速率極慢，會造成嚴重的生態環境污染。相較而言，不銹鋼材料制作而成的炊具，有效解決了高溫形變與潮濕生銹等問題。

2.1.2 以易拉罐為主的快速消費品包裝

金屬材料不僅具有耐高溫、抗氧化與防腐蝕特性，還具有耐久性強、成本低廉、節能環保等優勢。以易拉罐為例，多數易拉罐都是純鋁制或鋁鐵混合制成的。由于鋁及鋁合金的密度較大，使得易拉罐在正常保存條件下不會出現滲漏問題，而且密封隔絕性極強，能夠有效預防飲品變質。此外，鋁制易拉罐質地較為柔軟，能夠滿足快速消費品的便捷性需求，還可回收利用，節能環保。

2.2 金屬材料在工業生產領域的實踐應用

2.2.1 航空航天領域的實踐應用

當前，航空航天領域所應用的金屬材料主要包括鎂鋰合金、鋁合金與形態記憶合金三類。鎂鋰合金主要由鎂、鋰、鋅等構成，具有重量輕、強度大、導熱導電性能良好等基本特征。同時，鎂鋰合金的電磁屏蔽性能與減震性能良好。而這也是鎂鋰合金被廣泛應用到航空航天領域的重要原因。

航空航天對產品結構性能與質量標準的要求較高，投資成本也偏高。以航天飛機為例，經粗略計算，其重量每增加1 千克，發射投資成本增加約10萬元。如果能夠減輕航天飛機的自體重量，就可以在很大程度上降低發射投資成本。當前，鎂鋰合金在航空航天領域的應用范圍較為寬泛，如火箭艙的制造、飛機側翼板的制造、飛行器防護罩的制造以及燃料箱的制造等。

一直以來，鋁合金都是航空航天領域應用較為普遍的材料。隨著航空航天技術的蓬勃發展，對鋁合金性能與質量的標準要求也隨之不斷提高。與普通鋁合金相比，鋁鋰合金的強度、密度與耐腐蝕性都更加突出。經過專業學者大量的理論探究與實踐積累可知，向鋁合金中加入適量的鋰，不僅可以降低鋁合金的密度，還會在很大程度上提升鋁合金的彈性模量。以客機制造工程為例。采用鋁鋰合金代替鋁合金，可以顯著降低客機的自體重量，減輕助推器工作壓力，節省燃料與飛行投資成本。此外，鋁鋰合金在軍事裝備制造中的應用，也可以有效縮短戰機的起飛滑跑距離，提升續航力。

形狀記憶合金在航空航天領域的應用。形狀記憶合金是一種極其特殊的金屬材料，不需借助任何外力作用，單純改變環境溫度，即可使其產生規則的形變。這也使得其能夠充分滿足航空航天領域對材料的基本需求。以人造衛星為例，在發射人造衛星前，將拋物面天線折疊裝進衛星體內，火箭升空將人造衛星送到既定軌道。此時，僅需改變溫度條件，就可保證人造衛星天線逐步恢復原有的拋物線形狀。

2.2.2 汽車制造領域的實踐應用

當前，人們對汽車的實用性能與安全性能的要求越來越高。在這種情況下，鋁鎂合金被廣泛應用于汽車零配件加工制造與汽車制造中。與傳統金屬材料相比，鋁鎂合金最大的優勢就是質地輕盈。以同款車型為例，鋁鎂合金車身比傳統鋼制車身輕40%以上。鎂具有極高的強度與剛度，可以進一步優化機動車的減震性能，保證駕駛安全。當前，鋁鎂合金材料被廣泛應用到汽車機身制造、方向盤制造與發動機制造中。

2.3 醫療衛生領域的實踐應用

金屬材料在醫療衛生領域的應用主要包括醫療器械與人體醫療兩方面。其中，醫療器械是指醫療設備，如胸透儀、放射儀等。人體醫療是指生理機能損傷的輔助材料，以及生理性能改造材料等，如骨折鋼板、人造關節、假牙等。

3 新金屬材料發展趨勢分析

新金屬材料是材料工業發展的重要表現，新金屬材料的發展與新型工業的發展有著千絲萬縷的聯系。除新興產業外，新興材料對傳統制造業技術的革新與節能減排指標的全面落實也起到了十分積極的作用。新型金屬材料是一種先進的技術，在發展中發揮著不可忽視的作用，具有較大的發展潛力。新金屬材料的發展趨勢較為明顯。首先，新金屬材料的質量更輕，強度更大，該特點全面滿足了航空航天行業發展的基本要求。

其次是高溫金屬材料，現代工業發展過程中，材料的使用溫度要求更為嚴格，新金屬材料在高溫環境下依然具備良好的性能。

最后是耐腐蝕性和耐疲勞性較強，其能夠抵御大氣腐蝕、煙霧腐蝕和振動疲勞等作用。

此外，利用先進技術開發新型金屬材料已經成為促進新型金屬材料創新優化的主要方式。新型金屬材料開發和應用的過程中，諸多行業也會隨之發生較大的變動，汽車減震材料就是其中的典型代表。該材料具有減弱或消除振動的功能，有效減少了噪聲污染，從根源上杜絕了噪聲干擾問題。

4 結語

現階段，各行各業的市場競爭日趨白熱化，相關企業要想在激烈的市場競爭中占據一席之地，就必須不斷提升生產能力與管理能力。在金屬材料生產過程中，要全面且客觀分析材料屬性特征，并且不斷優化材料結構，完善材料性能，推動企業的快速穩定發展。我們堅信在廣大科研工作者一絲不茍、堅持不懈的努力下，金屬行業必定會取得實質性的突破，并為國家經濟發展奠定堅實基礎。