為什么金屬材料在科學(xué)材料中最重要

【專家解說】：能源、信息、材料是社會(huì)發(fā)展的三大支柱。其中材料是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，它是社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步的標(biāo)志，是人類文明的重要支柱。而材料又主要分為金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料和復(fù)合材料，這其中，金屬材料是人類歷史上系統(tǒng)的應(yīng)用研究時(shí)間最長(zhǎng)，在目前應(yīng)用也較為廣泛的一種重要材料。
　　　　　　　　　　　　　　一、金屬材料對(duì)人類社會(huì)的意義
　　金屬材料是指由金屬元素或以金屬元素為主構(gòu)成的具有金屬特性的材料的統(tǒng)稱。包括純金屬、合金、金屬間化合物和特種金屬材料等。金屬材料可以說是人類社會(huì)發(fā)展的見證者，因?yàn)樗谌祟惿鐣?huì)各個(gè)轉(zhuǎn)型期起到了舉足輕重的作用。人類文明的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步同金屬材料關(guān)系十分密切。繼石器時(shí)代之后出現(xiàn)的銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代，均以金屬材料的應(yīng)用為其時(shí)代的顯著標(biāo)志?，F(xiàn)在，種類繁多的金屬材料已經(jīng)成為人類社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，尤其是鋼鐵，對(duì)人類文明發(fā)揮著重要的作用。一方面是由于它本身具有比其他材料更加優(yōu)越的綜合性能，能夠更適應(yīng)科技和生活方面提出的各種不同的要求；另一方面，是由于它始終蘊(yùn)藏著的在性能、數(shù)量、質(zhì)量方面的巨大潛力，能夠隨著日益增長(zhǎng)的要求不斷發(fā)展和更新。作為人類最早發(fā)現(xiàn)并開始加以利用的一種材料，金屬可以說從方方面面影響著人類的歷史發(fā)展進(jìn)程。
　　　　　　　　　　　　　　 　二、金屬材料的應(yīng)用
　　金屬材料通常分為黑色金屬、有色金屬和特種金屬材料。①黑色金屬又稱鋼鐵材料，包括含鐵90％以上的工業(yè)純鐵，含碳 2％～4％的鑄鐵，含碳小于 2％的碳鋼，以及各種用途的結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、耐熱鋼、高溫合金、精密合金等。廣義的黑色金屬還包括鉻、錳及其合金。②有色金屬是指除鐵、鉻、錳以外的所有金屬及其合金，通常分為輕金屬、重金屬、貴金屬、半金屬、稀有金屬和稀土金屬等。有色合金是以一種有色金屬為基體（通常大于50%），加入一種或幾種其他元素而構(gòu)成的合金。有色合金的強(qiáng)度和硬度一般比純金屬高，并且電阻大、電阻溫度系數(shù)小。③特種金屬材料包括不同用途的結(jié)構(gòu)金屬材料和功能金屬材料。高性能金屬結(jié)構(gòu)材料指與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料相比具備更高的耐高溫性、抗腐蝕性、高延展性等特性的新型金屬材料，主要包括鈦、鎂、鋯及其合金、鉭鈮、硬質(zhì)材料等，以及高端特殊鋼、鋁新型材等。金屬功能材料指具有輔助實(shí)現(xiàn)光、電、磁或其他特殊功能的材料，包括磁性材料、金屬能源材料、催化凈化材料、信息材料、超導(dǎo)材料、功能陶瓷材料等。
　　農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、工業(yè)現(xiàn)代化、國防和科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化都離不開金屬的支持，小到農(nóng)具、機(jī)械零件、日常用品，大到飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星、核潛艇等尖端武器以及原子能、電視、通訊、雷達(dá)、電子計(jì)算機(jī)等尖端技術(shù)所需的構(gòu)件或部件大都是由金屬制成。現(xiàn)在世界上許多國家，尤其是工業(yè)發(fā)達(dá)國家，競(jìng)相發(fā)展金屬、有色金屬工業(yè)，增加金屬的戰(zhàn)略儲(chǔ)備。所以說金屬材料是國民經(jīng)濟(jì)、人民日常生活及國防工業(yè)、科學(xué)技術(shù)發(fā)展必不可少的基礎(chǔ)材料和重要的戰(zhàn)略物資。
　　　　　　　　　　　　　　　三、影響金屬材料性能的因素
　　金屬材料，尤其是鋼鐵，因其本身具有優(yōu)越的綜合性能和在數(shù)量、質(zhì)量方面的無限潛力，能夠適應(yīng)社會(huì)不斷發(fā)展和需要，所以金屬材料對(duì)人類文明發(fā)揮著重要的作用。對(duì)其成分、組織結(jié)構(gòu)、性能三者之間的關(guān)系及變化規(guī)律的研究也顯得至關(guān)重要。
　　金屬材料中往往會(huì)含有不同種類的金屬元素，不同金屬元素成份對(duì)金屬材料影響不同。例如，鋼除含碳以外，還含有少量錳(Mn)、硅(Si)、硫(S)、磷(P)、氧（O）、氮（N）和氫（H）等元素。一些元素是為改善鋼材質(zhì)量有意加入的，而另一些是由礦石及冶煉過程中帶入的，稱為雜質(zhì)元素。這些雜質(zhì)對(duì)鋼的性能是有一定影響，從而降低鋼材使用性能，為了保證鋼材的質(zhì)量，在國家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)各類鋼的化學(xué)成分都有嚴(yán)格的規(guī)定。決定金屬材料性能的基本因素是化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)。同一化學(xué)成分，或是同一結(jié)構(gòu)的金屬材料，其某些性能可以在一個(gè)大的范圍內(nèi)變化，從而影響其性能（最主要是工藝性能和使用性能）。

　　金屬材料的工藝性能和使用性能是既有聯(lián)系又不相同的兩類性能。金屬材料從冶煉到制造成器件使用，需要經(jīng)過鑄造、壓力加工、機(jī)械加工、熱處理以及鉚焊等一系列的工藝過程，其所具有的那種能夠適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)要求的能力統(tǒng)稱為工藝性能，如鑄造性、鍛造性、深沖性、彎曲性、切削性、焊接性、淬透性等。而金屬的使用性能是說金屬材料制作成工件后，在使用過程中，要求其能適應(yīng)或是抵抗作用到它上面的各種外界作用（諸如力學(xué)、化學(xué)、輻射、電磁場(chǎng)以及冷熱作用等，這些作用有強(qiáng)有弱，有大有小，有單一有復(fù)合）。金屬材料的這兩種性能及相輔相成又互相制約，平衡兩者之間的關(guān)系會(huì)促進(jìn)金屬材料發(fā)展，更有效利用資源。
　　　　　　　　　　　　　　　　四、新型金屬材料的應(yīng)用
　　由于金屬材料具有其他材料體系不能完全取代的獨(dú)特性質(zhì)和使用性能，例如它具有很高的模量，較高的韌性，并且具有磁性和導(dǎo)電性等優(yōu)異的性能。而且，在其他材料發(fā)展的過程中，金屬材料也在不斷地推陳出新。現(xiàn)在，許多新興的金屬材料應(yīng)運(yùn)而生，傳統(tǒng)的鋼鐵材料正在不斷提高質(zhì)量、降低成本、擴(kuò)大品種規(guī)格，在其加工和處理等工藝上不斷革新。近些年，中國制造業(yè)迅速崛起，作為制造業(yè)的基礎(chǔ)行業(yè)之一的金屬加工、成形行業(yè)，發(fā)展更為明顯：在過去幾年，整個(gè)行業(yè)以年均增長(zhǎng)20-30％的速度發(fā)展，產(chǎn)品品質(zhì)也在以驚人的速度提升，逐漸獲得整個(gè)世界制造業(yè)的認(rèn)可。新型金屬材料在整個(gè)發(fā)展浪潮中更是炙手可熱。

　　現(xiàn)如今，節(jié)能減排已深入人心，而汽車工業(yè)更是改革重點(diǎn)。汽車工業(yè)節(jié)能減排的首選便是輕量化材料。據(jù)測(cè)算，汽車自重減輕10%，其燃油效率可提高5.5%，而鎂、鋁作為實(shí)際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，在汽車的減重和性能改善中發(fā)揮出重要作用。鋁合金具有密度小、導(dǎo)熱性好、易于成形、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、輕工建材等部門，是輕合金中應(yīng)用最廣、用量最多的合金。鎂合金具有密度小，比強(qiáng)度高，彈性模量大，散熱好，消震性好，承受沖擊載荷能力比鋁合金大，耐有機(jī)物和堿的腐蝕性能好等有點(diǎn)。如果每輛汽車能使用70公斤鎂，CO的年排放量就能減少30%以上。世界各大汽車公司已經(jīng)將鎂合金制造零件作為重要發(fā)展方向。現(xiàn)在世界各國的汽車廠商正極力爭(zhēng)取采用鎂合金零件的多少作為自身車輛領(lǐng)先的標(biāo)志。
　　　　　　　　　　　　　　　　五、合理利用金屬材料
　　如今金屬材料工業(yè)中，鋼鐵工業(yè)已經(jīng)具有了一套相當(dāng)完整的生產(chǎn)技術(shù)并擁有相應(yīng)的生產(chǎn)能力，且具有質(zhì)量穩(wěn)定，供應(yīng)方便，性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)。金屬是可以回收循環(huán)使用的，其本身對(duì)環(huán)境并沒有污染，但是在提煉過程中卻會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。如有色金屬，在生產(chǎn)過程中通常產(chǎn)生大量廢氣、廢水和廢渣，其中含有多種有用組分，有時(shí)含有有毒物質(zhì)。因此，在生產(chǎn)過程中,必須注意綜合利用與環(huán)境保護(hù)。金屬礦石中常是多種金屬共生，因此必須合理提取和回收有用組分，做好綜合利用，以便合理利用自然資源。
　　自從人類發(fā)現(xiàn)了金屬，金屬就與我們的生活息息相關(guān)，密不可分。人類在不斷的求知探索中，對(duì)金屬材料的運(yùn)用逐漸成熟，成熟的技術(shù)和先進(jìn)的工藝方法使得金屬材料為人類社會(huì)不斷提供更便捷、更高效的服務(wù)。