金属材料的发展历程初探

【情境导入】

随着人类社会的发展，科学技术水平的不断提高，人们的生活越来越便捷，而这一切都离不开材料的发展，材料是人类生存、发展以及改造自然的物质基础。近代以来，金属材料在社会经济发展中占有不可替代的地位(图1-1)。在人类社会发展进程中金属材料的发展经历了哪些时代和过程呢?

图1-1　材料的应用

(a)计算机散热器中的纯铜柱；(b)电动伸缩门材料；(c)飞机喷气发动机中的钛合金部件；(d)精密电子元件中的金导线；(e)汽车钣金

【讲一讲】

一、人类历史时代的划分

1.石器时代

石器(图1-2)是以石头为原料制成的工具，是人类最早使用的生产工具。人类使用石器的时期称为石器时代。

图1-2　石器

2.青铜时代

青铜时代约从公元前4000年至公元初，中国始于公元前1800年。青铜时代标志着人类开始学会冶炼和使用金属材料(图1-3)。

3.铁器时代

铁器时代是继青铜时代之后的又一个时代，它以能够冶铁和制造铁器为标志(图1-4)。世界上最早锻造出铁器的是赫梯王国，距今约4500年。

图1-3　青铜器

图1-4　铁器

4.钢铁时代

18世纪的工业革命使人类使用材料的历史产生了重大突破，人类掌握了炼钢的方法。人们不再简单地使用工具，而开始使用真正意义的机器，这标志着工业时代的来临。钢铁材料在现代生活、生产、建筑等领域中扮演着重要的角色(图1-5)。

图1-5　钢铁

5.人工合成材料时代

合成材料又称人造材料(图1-6)，是人为地把不同物质经化学方法或聚合作用加工而成的材料，其特质与原料不同，如塑料、合金(部分合金)等。塑料、合成纤维和合成橡胶号称20世纪三大有机合成材料，它们的登台大大地提高了国民生活水平，对国计民生的重要性是不言而喻的。

图1-6　人工合成材料

二、金属材料在现代科学技术中的作用与地位

当今国际社会公认：材料、能源和信息技术是现代文明的三大支柱。从现代科学技术发展史中可以看到，每一项重大的技术发明往往都有赖于新材料的发展。

在人类使用的众多材料中，金属材料以其所特有的各种优异性能，被广泛地应用于生活和生产中，是现代工业和科学技术领域不可缺少的重要材料。金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称，包括纯金属、合金、特种金属材料等。在21世纪，金属材料仍占有重要地位，其主要原因是：

①金属材料资源丰富，在相当长时间内不会枯竭，在海洋和地壳深处都还蕴藏着大量的金属矿物有待开发。

②金属材料有非常成熟的生产工艺、相当大的生产规模、相当多的生产加工设施和长期的使用经验，已经成为国民经济和社会发展的重要基础材料。

③金属材料具有优异的综合性能，是高分子材料和陶瓷材料无法替代的。

④金属材料仍具有很大的改进和发展空间，其新技术和新产品在不断增加，材料质量在不断提高。

三、金属材料的现状(www.xing528.com)

当前的金属材料通常有黑色金属、有色金属和特种金属材料。

·黑色金属材料又称为钢铁材料，包括工业纯铁、铸铁、碳钢材料，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金不锈钢等钢材。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金材料。

·有色金属材料是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金材料，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属材料等。有色合金材料的强度和硬度一般比纯金属材料高，并且具有电阻大、电阻温度系数小的特点。

·特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料，其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及金属基复合材料等。

四、金属材料的未来

当今社会，金属材料在人类社会中的地位受到了前所未有的挑战。一方面，高分子材料和陶瓷材料对传统金属材料造成冲击。首先是高分子材料，高分子材料尤其是工程塑料，从性能到应用的许多方面已能和传统的金属材料相抗衡，加上其原料丰富、价格便宜、产量惊人，已经迅速崛起。其次是陶瓷材料，陶瓷材料在现代电子工业中占有异常重要的地位。另一方面，金属材料自身对能源、资源和环境三方面造成的消耗很大。金属材料经过数千年的发展，某些主要的金属矿产资源日渐紧张、高质量的金属矿产很快减少，低质量的矿物使能源消耗和成本增加，这些都使金属工业成为能源的最重要消耗者，同时也是严重的环境污染者。基于以上的原因，金属材料的发展可以在以下两个方面进行：

①对已有的金属材料要最大限度地提高它的质量，挖掘它的潜力，使其产生最大的效益。这要求金属材料的制造技术要有飞跃性的进步。冶炼技术、炉外精炼技术、铸造技术、连铸连轧技术、热处理技术、粉末冶金技术等传统工艺的改进，加上微量杂质的控制技术、微量元素的合金化技术、高纯净度低偏析技术等的发明，都使金属材料焕发了第二春。

②希望金属材料能够开拓出新的功能，以适应更高的使用要求。例如，钛合金的记忆性以及生物亲和性等，都是传统金属材料在未来发展的新方向。

总之，回顾了金属材料的历史、作用、现状和未来，我们有信心相信，金属材料会在人类社会的明天展现出更好地服务人类的一面。

【议一议】

活动一：连连看，试将图1-7中的图片与所属时代连线匹配。

图1-7　

活动二：说出下列金属材料在实际应用中有哪些优异性能?

1.钛

2.铝

3.铜

4.金

活动三：分组讨论金属材料的未来发展方向、趋势。

【做一做】

简答题

1.列举5种不同种类金属及用途。

2.简述金属材料在现代科学技术中的重要意义。

【评一评】

试用量化方式(评星)评价本节学习情况，并提出意见与建议。

学生自评：______________________________

小组互评：______________________________

老师点评：______________________________

【拓展阅读】

材料的发展历史

纵观人类利用材料的历史，人类在大约公元前4000年由石器时代进入铜器时代，而后又在公元前1200年步入了铁器时代。此时出现的金属材料表明当时的社会生产力达到了一个新的高度，人们发现陶器能够承受高温，掌握了用火在陶质容器内把金属熔化，然后将液态的金属倒进模腔内，以铸成所需的工具。金属铜的应用早于金属铁，这是因为天然铜在自然界中存在而铁则被氧化，同时金属铜的熔点比金属铁的要低。随着炼铜技术逐步提升，我们的祖先已经不知不觉地发现了“合金”，最早的合金可能是青铜，它约由10%锡和90%铜构成。

随着青铜技术的不断发展，人们意识到增大锡的比例会使合金变硬，换句话说“合金”比单一的金属拥有更好的性能。此后更延伸出黄铜等适用于不同场合的合金。不久人类社会从青铜时代进入铁器时代。铁器时代已经能运用很复杂的金属加工工艺来生产铁器。铁的高硬度、高熔点与铁矿的高蕴含量，铁相对于青铜来说来得便宜并在各方面运用，所以其需求很快便远超青铜。而在几百年后的欧洲，资本主义萌芽带来的社会化大生产也促使金属的冶炼和材料的制造向着工厂化、规模化发展。

英国在18世纪初已经出现了“高炉”的原型，日产铁以吨计。开始工人们使用木炭等天然燃料，后来改用焦炭并安装上鼓风机，慢慢演变为近代的高炉，这是炼铁工业的起点。由于铁的大规模生产，人类物质文明的进一步提高，铁轨等应运而生。19世纪，一个英国人找到了将铁炼成钢的方法，他把空气直接鼓入铁水中使杂质烧掉。后来知道铁水中含有C、S、P等杂质，将影响铁的强度和脆性等；为提高铁的性能，需要对铁水进行再冶炼以去除上述杂质。对铁水进行重新冶炼以调整其成分的过程称为炼钢。在之后的一些由于铁的性能不足而引发的事故中，人类意识到钢是更适合的工程材料，于是代替铁轨的钢轨等钢材在人类社会中蔓延开来。由于金属材料的优良导电性，第二次工业革命的迅速开展使人类步入电气时代。

近代以来，合金钢以及其他金属材料飞速发展。高速钢、不锈钢、耐热钢、耐磨钢、电工用钢等特种钢相继出现，其他合金如铝合金、铜合金、钛合金、钨合金、钼合金、镍合金等加上各种稀有合金也不断发展，金属材料在全社会的经济发展中具有了不可替代的地位。