金属材料的重要性及应用

金属材料热处理及其应用(一)---基本常识

金属材料热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其它加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。

金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺。

在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识。早在公元前770～前222年，中国人在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而 变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。

公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对淬火质量的影响。三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀，相传是派人到成都取水淬火的。这说明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意了油和尿的冷却能力。中国出土的西汉(公元前206～公元24)中山靖王墓中的宝剑,心部含碳量为0.15～0.4%，而表面含碳量却达0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。但当时作为个人“手艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为一种较硬的相。法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。与此同时，人们还研究了在金属热处理的加热过程中对金属的保护方法，以避免加热过程中金属的氧化和脱碳等。1850～1880年，对于应用各种气体(诸如氢气、煤气、一氧化碳等)进行保护加热曾有一系列专利。1889～1890年英国人莱克获得多种金属光亮热处理的专利。

金属材料的研究及其在工程中的应用

金属材料是人类历史上最重要的材料之一。它们具有优异的物理性能，例如强度、硬度和延展性，同时也具有良好的导电性、导热性和化学稳定性。由于这些突出的性能，金属材料在工业、建筑和交通等领域中得到了广泛的应用。

然而，像其他材料一样，金属材料也存在缺陷和局限性。例如，金属材料可能容易被腐蚀、氧化和疲劳，这些问题可能会影响其性能并导致材料损坏。为了克服这些问题并拓展金属材料在工程中的应用，许多研究者致力于研究不同种类的金属材料及其制造工艺。

现代金属材料研究的一个主要方向是改变材料微观结构，以获得更高的性能。这个领域的一个重要概念是纳米晶技术，这是一种通过精细控制金属晶粒大小来改善金属材料性能的方法。通常情况下，金属晶体的大小是几微米到几百微米，但通过纳米晶技术，金属晶体的尺寸可以缩小到纳米级别。通过这种方法，金属的力学性能、化学稳定性和电学性能的许多方面可以得到大幅提升。

此外，也有一些技术可以增强金属材料的抗腐蚀性。例如，通过电解沉积、真空蒸镀和化学电镀等技术，可以在金属表面形成一层具有耐腐蚀性的涂层或膜。这些涂层可用于保护金属免受元素氧化或其他外界刺激。在工业应用中，这些涂层可以增强产品的外观、使用寿命和稳定性。

当然，这些技术只是金属材料研究和应用的冰山一角。当今，金属材料还被广泛应用于汽车、航空飞机、船舶、建筑和电子设备等各种工业领域。例如，铝合金在飞机制造中扮演极其重要的角色，由于高强度、轻质、高耐腐蚀性等优良特性，今天的飞机外壳常常采用铝合金材料，这为人们的流线飞行提供了更加可靠和高效的解决方案。同样，许多地铁车芯材料也采用铝基复合材料代替钢铁，使得整车的重量大大减轻，从而为使用者提供了更为舒适和方便的出行环境。

总体而言，金属材料的研究与应用仍然有许多新颖的成果和未开发的领域。随着科学技术的不断进步和人类对材料性能的深入认识，《中国材料科学学报》等各种领域杂志在其中扮演着一定的重要角色。在今后的金属材料研究中，革新性的技术和解决复杂问题的方法将会使得越来越多的人类工程成为可能。

金属材料在人类社会中的作用及应用

能源、信息、材料是社会发展的三大支柱。其中材料是人类生存和发展的物质基础，它是社会发展和进步的标志，是人类文明的重要支柱。而材料又主要分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料，这其中，金属材料是人类历史上系统的应用研究时间最长，在目前应用也较为广泛的一种重要材料。

一、金属材料对人类社会的意义

金属材料是指由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、金属间化合物和特种金属材料等。金属材料可以说是人类社会发展的见证者，因为它在人类社会各个转型期起到了举足轻重的作用。人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。现在，种类繁多的金属材料已经成为人类社会发展的重要物质基础，尤其是钢铁，对人类文明发挥着重要的作用。一方面是由于它本身具有比其他材料更加优越的综合性能，能够更适应科技和生活方面提出的各种不同的要求；另一方面，是由于它始终蕴藏着的在性能、数量、质量方面的巨大潜力，能够随着日益增长的要求不断发展和更新。作为人类最早发现并开始加以利用的一种材料，金属可以说从方方面面影响着人类的历史发展进程。

二、金属材料的应用

金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。①黑色金属又称钢铁材料，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铬、锰及其合金。②有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，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等。有色合金是以一种有色金属为基体（通常大于50%），加入一种或几种其他元素而构成的合金。有色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。③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。高性能金属结构材料指与传统结构材料相比具备更高的耐高温性、抗腐蚀性、高延展性等特性的新型金属材料，主要包括钛、镁、锆及其合金、钽铌、硬质材料等，以及高端特殊钢、铝新型材等。金属功能材料指具有辅助实现光、电、磁或其他特殊功能的材料，包括磁性材料、金属能源材料、催化净化材料、信息材料、超导材料、功能陶瓷材料等。

金属包装材料的优势及运用

来源:中国包装网

钢材

1.低碳薄钢板

金属学中把含碳量小于%的铁碳合金叫做低碳钢，用低碳钢制作的薄钢板称为低碳薄钢板。低碳薄钢板是由钢锭或连续铸造钢材经轧制而成的。按轧制方法不同可把低碳薄钢板分为热轧低碳薄钢板和冷轧低碳薄钢板两类。它可以作为生产镀锡薄钢板和非镀锡薄钢板的原板；也可以直接制造金属包装容器，如集装箱、普通钢桶等；也可用作捆扎材料。用它制成的容器具有更大的强度和刚度，并具有成本低廉、加工性能好等优点。

我国用于制造金属包装容器的低碳薄钢板有普通碳素结构钢低碳薄钢板和优质碳素结构钢低碳薄钢板。当金属包装容器的机械性能要求不高，且不需要经受深冲压时，可选用普通碳素结构钢低碳薄钢板。当金属包装容器的机械性能要求较高时，可选用优质碳素结构钢低碳薄钢板。制造金属包装容器的低碳薄钢板的含碳量一般在%～%之间。

2.马口铁

马口铁是电镀锡薄钢板的俗称，英文缩写为SPTE，是指两面镀有商业纯锡的冷轧低碳薄钢板或钢带，又叫镀锡铁。锡主要起防止腐蚀与生锈的作用。它将钢的强度和成型性与锡的耐蚀性、锡焊性和美观的外表结合于一种材料之中，具有耐腐蚀、无毒、强度高、延展性好的特性。马口铁早期称洋铁(Tin Plate)，因为中国第一批洋铁是于清代中叶自澳门进口，澳门当时音译‘马口‘，故中国人一般称之为‘马口铁‘。

镀锡板的特性，因镀锡方法、镀层厚度和表面处理方法的不同而异。但对特性有本质影响的，乃是镀锡原板的成分。镀锡原板的化学成分见表1。镀锡板是由钢基板、锡铁合金层、锡层、氧化膜和油膜五层构成，值得注意的是在钢基板与锡层之间产生了一层锡铁合金。这是在钢板上镀锡后进行软熔处理和钝化处理而产生的，它不仅具有媒介作用，使锡牢固地附着于钢板表面，而且还可使锡层光亮，补偿镀锡层存在的孔隙，提高钢板耐腐蚀性。一般来说，镀锡层的厚度为～μm，热镀锡方法的锡层厚度大于电镀锡方法的锡层厚度。尽管上面的锡层很薄，但它是非常有用的‘外衣‘。铁皮穿上了这件外衣，不仅美观，而且拥有了很多优良的特性。锡的化学性质十分稳定，它与水不会发生化学反应，即使让它长期与潮湿空气接触，也只会在它的表面逐渐形成一层密密的氧化物薄膜，这层薄膜能防止锡的继续氧化，这正是镀锡铁皮抗腐蚀的原因。