“第四代”金属家族，本文主要内容关键词为：第四代论文,家族论文,金属论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
人类使用金属材料的历史源远流长。早在6000年前，人类就发现并使用了金属铜。继铜的使用之后，第二代金属是铁。在我国，公元前五世纪（春秋末年），就已经大量炼铁和使用铁器了。从那时起直到今天，钢铁的生产和应用，一直在不断发展。1886年，用电解法炼铝获得成功。由于铝质轻又抗腐蚀，在航空工业及其他方面得到了广泛应用。当今铝的产量之大、用途之广，仅次于钢铁。如果把铝看做是第三代金属的话，那么，金属的第四代就是近几十年才崭露头角的钛了。
未来的“钢铁”
钛这种以希腊神话中的大力神泰坦命名的金属，它具有钢铁般的强度，却不像钢铁那么沉重；它又像铝质轻，抗腐蚀，但其强度却比铝高得多。如果按单位质量来比较强度（称比强度）的话，那不锈钢、铝合金都会甘拜下风。钛与铝和铁一样，可以与一些金属元素形成合金，提高和改善它的力学性能与物理特性，以适应不同的需要。
钛合金还有一种既耐高温有耐低温的特殊本领。一般钢材耐低温性能较差，历史上曾发生过多起钢结构桥梁、舰船在低温下突然断裂的事故。而钛合金即使在零下200度的低温下，仍能保持良好的韧性。 在耐高温性能方面，铝合金就表现欠佳，150 ℃左右就会失去原有的一些特性。而现今用量最大的一种钛合金，能在550℃～600℃的高温下保持性能不变。近年来研制成功的一些钛合金的新品种，又进一步提高了耐高温性和耐高压性，这对于航空航天工业的发展具有重要作用。
当飞机的飞行速度超过音速的2.2倍时，因表面温度高， 铝合金就不能用了。现代超音速飞机的飞行速度，已超过音速的2.7倍， 就必须采用耐高温材料钛合金。美国F－14A和F－15A型飞机，钛合金的用量为25％左右，YF－12A型用量高达93％。波音747飞机的巨大起落架，也使用钛合金制造的。此外，在火箭、人造卫星和宇宙飞船上，也采用了大量的钛合金。目前，钛及其合金的产量，四分之三以上都用于航空航天工业，为此，人们送给钛一个光荣称号“空间金属”。
其实，钛的超众才能不仅仅表现在高高的空间，在深深的海洋里，它也是一把能手。因为钛及其合金有很强的抗腐蚀性，在常温下酸、碱甚至王水，都奈何不了它，在含少量盐分的海水里更可安然无恙。因此，它是制造轮船、军舰的理想材料。又因为它具有很高的强度和耐高压性，人们在制造深海潜艇时，也看中了它。在海水中每下潜10米，所承受的压力就要增加101.325千帕（1标准大气压）。如果下潜三、四千米以上，一般金属材料就难以承受。而美国的一艘钛潜艇可以在4500米深海中自由航行。因此，人们又给钛送来了第二个光荣称号“潜海金属”。
既然钛及其合金有这么多的优良性能，那为什么近几十年才崭露头角呢？这主要是难于提炼。早在1791年，一位英国化学家就发现了钛，但苦于找不到从矿石中制取纯钛的方法。直到20世纪40年代末，才开始工业生产。现在生产的钛就是在高温和稀有气体的保护下，用镁使四氯化钛还原而得到的。这样得到的钛是多孔的海绵钛，还要经过一系列的加工过程，才成为工业用的钛材。钛合金制品使用初期都是锻造加工件，加工难度大、成本高，即使目前采用钛合金精密铸造技术，其技术难度和成本仍大于铝和钢。
钛合金以其优越的特性已被广泛应用到生活的各个领域。如果你去配眼镜，服务人员会向你推荐一种质轻、防断裂的钛合金镜架；如果你挑选手表，用钛合金制造的耐磨、永不生锈的手表，可谓一旦拥有别无所求；人体的某些“部件”发生损坏，可用钛合金来替代。你尽管放心，因为钛合金的弹性磨量和人体骨骼的弹性磨量相近，与人体具有很好的相容性，被称为“亲生物金属”。目前，使用钛合金制作的人工心脏瓣膜、人工关节、牙齿等都在临床应用中取得了良好的效果。可以预料，随着钛及其合金的生产工艺不断改进，成本会进一步降低，在民用工业中必将得到更广泛的应用。所以科学家们预言，钛就是“未来的钢铁”，钛就是“21世纪的金属”。
有“记性”的合金
在新型金属材料的行列中，除了被视为新世纪骨干力量的金属钛之外，还有不少各具特殊功能的角色，形状记忆合金就是倍受瞩目的一个。
20世纪60年代初，人们就发现一种由钛镍组成的合金，有对自身形状记忆的功能。如果把这种合金丝在40℃时，做成某种弯曲的形状，再在室温下把它伸直。当温度又回升到40℃时，它就丝毫不差的自动变为原来那种弯曲的形状。形状记忆合金为什么会有这样奇特的本领呢？这要从金属的微观结构来加以分析。金属晶体是由金属原子按照一定的排列方式构成的，有的合金其原子的排列方式还会随着环境条件的不同而发生改变。例如，在较高温度下是某种排列方式，当温度下降到某个临界温度时，又是另一种排列方式。若再次加热到临界温度以上时，原子排列就会自动恢复到原来高温下的方式。合金成分的不同、含量的不同，会有不同的临界温度。目前已发现的形状记忆合金达几十种之多，其中应用较多的是钛镍基合金和铜基合金两大种类。
形状记忆合金的应用也是多方面的，在宇航工作中，人造卫星和月球上的伞形天线都可以用形状记忆合金制作，在到达太空和月球上会因温度升高而自动打开。美国在喷气式战斗机的油压系统中也使用了钛镍形状记忆合金。飞机的油压系统有大量金属管需要对接，使用钛镍形状记忆合金作为接头套管，飞机就不会发生漏油、脱落或破损事故。形状记忆合金还可用于多种驱动装置，控制着从机器人的手臂到随温度变化而自动开启的窗户。在医疗方面，形状记忆合金也大有用武之地。例如，用这种合金在体温下能恢复形状的功能，制成脊椎矫正棒来矫正骨骼，可以让已经弯曲的骨骼再直起来。
“速冻”金属
金属晶体在温度达到熔点时，便熔化为液态。当液态金属逐渐冷却，金属原子会按一定规则进行排列，又形成晶体。可是，当液态金属急速冷却时，会出现什么结果呢？
20世纪60年代，有人就用超高温急冷的方法，使液态合金（70％金、30％硅）中的原子来不及规则排列就变为固态了。结果意外地发现，这种固态合金却有许多不寻常的优良性能。人们称它为非晶质合金。
从传统观念出发，原子处于规则排列的晶体才更能抗拒外力作用，具有高强度。而原子堆砌处于无序状态时，似乎就不会有较高的强度。然而事实正好相反，非晶质合金的优良性能之一就是具有高强度和高韧性，可以进行冷轧，合金的薄带还可以反复弯曲180°而不断裂。 非晶质合金抗腐蚀性极好，大大超过了晶质不锈钢。有人做过这样的试验，把常用不锈钢放进10％的氯化铁溶液中，40℃时腐蚀速率为17.8毫米／年，60℃时为120毫米／年。而非晶质合金（含铁、铬、磷、 碳合金）在上述情况下年腐蚀速率均为零。此外，非晶质合金还具有很高的电阻率，有的合金还可以做催化剂和吸氢材料。非晶质合金代替硅钢片做变压器的铁芯，可以节约三分之一的能源。
在新型金属材料中，各具特色的新面孔还有很多。例如，比铝还轻的铍，具有比热大、刚度高、可在较高温度下工作的优点。美国在宇宙飞船和洲际导弹中用它制造吸热装置、壳体、框架等，就取得了较好的效果。又如，用金属做基体，硼纤维、碳纤维或碳化硅纤维做增强体的复合材料，具有耐高温、耐磨损、导电导热、不老化等优越性，近年来发展很快，特别是铝基复合材料，已在航空工业中得到很好的应用。此外，还有为氢能源的利用创造必要条件的储氢金属；能在外力作用下，拉长上百倍也不断裂的超塑性金属；强如钢铁、声似胶木的新结构材料减震金属以及性能优越的金属间化合物等等。所有这些，都为金属材料的发展谱写了新篇章。
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