如何分类金属材料

【情境导入】

金属材料在现代生产生活中具有不可替代的作用，不同的金属其组成元素不同且具有不同的性能，充分了解金属材料类型才能更好地掌握、应用金属材料(图1-8)。

图1-8　金属材料

同学们，日常生活中常见金属材料有哪些?总体分为哪几种?每种金属材料的组成元素又有哪些呢?

【讲一讲】

金属及金属材料的分类

所谓金属是指由单一元素构成的具有特殊光泽以及一定的延展性、导电性、导热性的物质，如金、银、铜、铁、铝、锰、锌等。而合金是指由一种金属元素与其他金属元素或非金属元素通过熔炼或其他方法合成的具有金属特性的材料。金属材料是金属及其合金的总称，即金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的物质。

金属材料通常分为三大类，即黑色金属材料、有色金属材料和硬质合金。

1.黑色金属

黑色金属又称为钢铁材料(图1-9)，包括含铁90%以上的工业纯铁、含碳2%～4%的铸铁、含碳小于2%的碳钢以及各种用途的合金结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。广义的黑色金属还包括锰(Mn)、铬(Cr)以及它们的合金。黑色金属的命名来源于钢铁表面常常被一层黑色的Fe3O4膜覆盖，而锰和铬常用来与铁制成合金钢，故将锰和铬与铁一起统称为黑色金属。

2.有色金属

有色金属是指除了铁、铬以外的所有金属及其合金，通常又将其分为轻金属、重金属、贵金属、稀有金属等。有色金属中除了金为黄色，铜为赤红色以外多数呈银白色。有色金属合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。

图1-9　黑色金属制品

(1)重金属

重金属一般是指密度ρ＞4.5g/cm3的有色金属，包括元素周期表中的大多数过渡元素，如铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)、钴(Co)、钨(W)、钼(Mo)、镉(Cd)及汞(Hg)等。此外，锑(Sb)、铋(Bi)、铅(Pb)及锡(Sn)等也属于重金属。重金属主要用作各种用途的镀层及多元合金(图1-10)。

图1-10　重金属材料

(2)轻金属

密度ρ＜4.5g/cm3的有色金属称为轻金属(图1-11)，如铝(Al)、镁(Mg)、钙(Ca)、钾(K)、钠(Na)、铯(Cs)等。工业上常采用电化学或化学方法对Al、Mg及其合金进行加工处理，以获得各种优异的性能。

图1-11　轻金属材料

(3)贵金属

贵金属是指物理、化学性质稳定，地壳中蕴藏量少，价格昂贵或具有雍容华贵外观的有色金属，有金(Au)、银(Ag)、铅(Pt)、铑(Rh)、钯(Pd)、铱(Ir)、钌(Ru)和锇(Os)8种。工业上常采用电镀方法在价格便宜的基体上获得贵金属的薄镀层，以满足高稳定性、电接触性能以及贵重装饰品的需求(图1-12)。

图1-12　贵金属制品

(4)稀有金属

稀有金属一般是指在自然界中含量较少、分布稀散及研究应用较少的有色金属。稀有金属包括稀土金属、放射性稀有金属、稀有贵金属、稀有轻金属、难溶稀有金属及稀有分散金属等。

3.硬质合金

硬质合金是由难熔金属的硬质化合物和黏结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性，即使在500℃的温度下也基本保持不变，在1 000℃时仍有很高的硬度。

硬质合金广泛用作刀具材料，如车刀、铣刀、刨刀、钻头、镗刀等，用于切削铸铁、有色金属、塑料、化纤、石墨、玻璃、石材和普通钢材，也可以用来切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、工具钢等难加工的材料。

【议一议】

活动一：记一记常见有色金属元素种类。

活动二：连连看，试将常见金属元素与属性连线匹配。

黑色金属　　　　　　　　　稀土金属

重金属　　　　　　　　　　银(Ag)

稀有金属　　　　　　　　　铝(Al)

贵金属　　　　　　　　　　镍(Ni)

轻金属　　　　　　　　　　铬(Cr)

活动三：分组讨论表1-1中现代金属材料的特点及材料代表。

表1-1　现代金属材料的类型、特点与代表

活动四：分组讨论传统金属材料未来的发展方向、应用前景。

【做一做】

一、判断题(正确的打√，错误的打×)

1.铝合金具有密度小、导热性好、易于成型、价格低廉的优点。(　)

2.金属的硬度都比塑料的硬度大。(　)

3.金属的熔点比非金属熔点高。(　)

4.金属材料通常分为黑色金属材料、有色金属材料和特种金属材料。(　)

5.铝镁合金、合金钢属于先进结构材料。(　)

二、列举下列金属在日常生活中的应用

1.铝

2.铜

3.镁(www.xing528.com)

4.钨

【评一评】

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老师点评：______________________________

【拓展阅读】

一、现代金属材料的结构特点和用途

1.先进结构材料

特点：高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损。

途径：细化、均匀化组织，合金化，改进加工技术。

代表：铝镁合金、合金钢，复合材料。

2.高温合金材料

特点：高比强度、高比刚度，提高高温工作效率。

途径：颗粒或短纤维增强金属基复合材料。

用途：航空发动机，涡轮。

代表：Ti、Ti-Al合金。

3.复合材料

特点：高强度、高模量。

代表：铝、镁、钛等金属基体复合。

4.超导材料

超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。

5.能源材料

能源材料主要有太阳能电池材料、储氢材料、固体氧化物电池材料等。

6.智能材料

常见的智能材料有形状记忆合金、压电材料、磁致伸缩材料等。

7.磁性材料

磁性材料分为软磁材料和硬磁材料。

·软磁材料：易于磁化并可反复磁化的材料。其代表有：铁硅合金、铁镍合金、非晶金属。

·硬磁材料：永磁材料经磁化后，去除外磁场仍保留磁性。其代表有：铁氧体和金属永磁材料。

8.纳米材料

纳米金属如纳米铁材料，是由6纳米的铁晶体压制而成的，较之普通铁强度提高12倍，硬度提高2～3个数量级。

对于高熔点难成形的金属，只要将其加工成纳米粉末，即可在较低的温度下将其熔化，制成耐高温的元件，用于研制新一代高速发动机中承受超高温的材料。

二、传统金属材料在未来发展的新方向

1.镁及镁合金

镁由于优良的物理性能和机械加工性能，丰富的蕴藏量，已经被业内公认为最有前途的轻量化材料及21世纪的绿色金属材料(图1-13)，未来几十年内镁将成为需求增长最快的有色金属。

图1-13　镁合金轮毂

(1)汽车、摩托车等交通类产品用镁合金

世界各大汽车公司已经将镁合金制造零件作为重要发展方向。在欧美国家中，汽车厂商将采用镁合金零件的多少作为车辆领先的标志，大众、奥迪、菲亚特汽车公司纷纷使用镁合金。20世纪90年代初期，欧美小汽车上应用镁合金的重量，平均每车约1kg，至2000年已达到3.6kg左右。目前，欧美各主要车厂都在规划在今后的15～20年，将每车的镁合金用量上升至100～120kg。

(2)电子及家电用镁合金

近几年，电子信息行业镁合金的消耗量急剧增加，成为拉动全球镁消耗量增加的另一重要因素。

(3)其他应用领域

以前，镁合金型材、管材主要用于航空航天等尖端或国防领域。近几年，由于镁合金生产能力和技术水平的提高，其生产成本已下降到与铝合金相当的程度，极大地刺激了其在民用领域的应用，如用作自行车架、轮椅、康复和医疗器械及健身器材。

2.钛及钛合金

钛及钛合金具有密度小、比强度高和耐蚀性好等优良特性。随着国民经济及国防工业的发展，钛日渐被人们普遍认识，广泛地应用于汽车、电子、化工、航空、航天、兵器等领域。

3.铝及铝合金

铝合金具有密度小、导热性好、易于成形、价格低廉等优点，已广泛应用于航空航天、交通运输、轻工建材等部门，是轻合金中应用最广、用量最多的合金。随着电力工业的发展和冶炼技术的突破，其性价比大为提高，目前交通运输业已成为铝合金材料的第一大用户。

(1)铝合金材料在航空航天中的应用

铝合金是亚音速飞机的主要用材，目前民用飞机结构上的用量为70%～80%，其中仅铝合金铆钉一项每架飞机就有40万～150万个。据波音飞机公司的统计，制造各类民用飞机31.6万架，共用铝材7 100 千t，平均每架用铝22 t。铝制零部件在先进军用飞机中的比例虽低一些，但仍占其自身总质量的40%～60%。

铝锂合金具有低密度、高比强度、高比刚度、优良的低温性能、良好的耐腐蚀性能和卓越的超塑成型性能，用其取代常规的铝合金可使构件质量减轻15%，刚度提高15%～20%，被认为是航空航天工业中的理想结构材料。在航天领域，铝锂合金已在许多航天构件上取代了常规高强铝合金。铝锂合金作为储箱、仪器舱等结构材料具有较大优势。

国外预测，含钪铝镁合金及其他系列的铝合金有可能成为下一代飞机的重要结构材料。TiAl基合金的板材除了有望直接用作结构材料外，还可以用作超塑性成型的预成型材料，并用于制作近净成形航空、航天发动机的零部件及超高速飞行器的翼、壳体等。

(2)铝合金在汽车中的应用

铝及铝合金是最早用于汽车制造的轻质金属材料，也是工程材料中最经济实用、最有竞争力的汽车用轻金属材料，从生产成本、零件质量、材料利用率等方面看，具有多种优势。

汽车用铝合金材料的3/4为铸造铝合金，主要是发动机部件、传动系部件、底盘行走系零部件。变形铝合金主要用于热交换器系统、车身系部件。铝基复合材料在某些范围内替代铝合金、钢和陶瓷等传统的汽车材料，用于汽车关键零件，特别是高速运动零件，对减少质量、减少运动惯性、降低油耗、改善排放和提高汽车综合性能等具有非常积极的作用，在汽车领域有着良好前景。