金属材料结课论文

金家族之一：铝合金航空用铝合金密度低、耐腐蚀性能好，且具有较高的比强度、比刚度，容易加工成型，有足够的使用经验，这些优点使其成为飞机结构的理想材料。从诞生以来，铝合金随着飞机设计的要求而不断发展，其性能也日益强大。例如，1954年，英国的3架“彗星”飞机先后坠毁，事故分析表明，坠机的主要原因是材料疲劳以及部分 7075-T6铝合金构件被严重腐蚀。经过探索，研究人员突破了过时效热处理问题，研制出第二代耐腐蚀铝合金，有效提升了飞机的安全水平。如今，航空铝合金的发展已经进入第六阶段。2005年 4月 27日，世界上最大的宽体客机空客A380在图卢兹机场成功首飞。A380能够取得成功，先进材料的应用立下了汗马功劳。其中，加拿大铝业公司和美国铝业公司就为 A380开发了新型铝合金材料。根据 A380各部件的特点，加拿大铝业公司开发出了7040-T7651、7449、2027-T3511等一系列铝合金。每种合金都具有不同的性能和特点。在A380项目中，用7085锻件制造的应急舱门，零件数量从 147个减至 40个，紧固件由 1400个减至 450个，重量减轻了 20%，成本降低了 20%〜25%，承载能力和疲劳寿命也得到了显著提高。合金家族之二：钛合金钛及钛合金材料密度低、比强度高（目前金属材料中最高）、耐腐蚀、耐高温、无磁、组织性能和稳定性好，可以与复合材料结构直接连接，而且两者之间的热膨胀系数相近，不易产生电化学腐蚀，具有优良的综合性能。因此，钛合金在航空领域得到越来越广泛的应用。洛克希德公司的“黑鸟”高空高速战略侦察机 SR-71，飞行速度超过 3马赫，在高速飞行时，机体表面温度将超过常规铝合金蒙皮的极限，如果用钢制造，飞机重量会大大增加，影响飞行速度和升限等性能。因此，SR-71的机身大量采用了钛合金，总重达 30多吨，占飞机结构重量的 93%。随着人们对飞机性能要求的不断提高，民用飞机的钛合金用量也在逐渐增加。早期波音 707上的钛合金部件用量仅占结构总重量的 ，到最新的波音 787，占比高达 15%。此外，钛合金也是制造航空发动机的主要材料。早期美国 F-4战斗机使用的 J79发动机，钛合金的用量只有50千克，不到总重量的2%。而现在大多数航空发动机的钛用量已经达到发动机总重量的25%〜30%。如波音 747、767的发动机 JT9D，其用钛量为总重量的 25%；空客A320的V2500发动机，其用钛量为总重量的 31%。钛合金的另一大用途是作为螺栓、铆钉等紧固件材料。这些紧固件虽小，但用量却很大，使用钛合金紧固件可以大大减轻重量。据估算，C-5大型运输机有 70%的紧固件为钛合金紧固件，飞机因此而减重 1吨左右。现在钛合金 3D打印技术已用于飞机制造。钛合金3D打印技术由于摆脱了传统的模具制造这一显著延长研发时间的环节，可以制造高精度、高性能、高柔性和快速制造结构十分复杂的金属零件，因而为先进飞机结构的快速研发提供了有力的技术手段。合金家族之三：超高强度钢超高强度钢在强度、刚性、韧性以及价格等方面具有很多优势，且拥有在承受极高载荷条件下保持高寿命和高可靠性的特点，在航空领域得到广泛使用。例如，飞机的起落架要承受冲击等复杂载荷，而且载荷巨大，同时还要求起落架舱容积尽可能小，超高强度钢绝对强度大、稳定性好，因此成为起落架的首选材料。20世纪 60年代，美国成功开发了 300M超高强度钢。300M钢的抗拉强度高，达到 1860MPa以上。它的横向塑性高，断裂韧性好，与同强度低合金超高强度钢相比，300M钢的抗疲劳性能更好，在介质中的裂纹扩展速率低。这些特点使得 300M钢成为大型飞机起落架的主要材料。1992年，美国又开发了 AreMet100。AreMet100与 300M的强度级别相同，但耐腐蚀性能和耐应力腐蚀性能较 300M钢有较大提高，是目前综合性能最好的超高强度钢。F-22、F/A-18E/F就使用了AreMet100作为飞机起落架的主要材料。

一直从事金属材料的研究，对金属材料的制备、性能和应用等方面可以说很熟悉，联系日常生活中的那些事儿，越来越感觉到金属材料的许多行为和生活中很多事情是源自同一个道理。先举一个最容易理解的材料行为和婚姻的关系，本来这是两个风牛马不相及的问题，所以他们之间的联系大家可以慢慢品品。从头说起，先说说材料和恋爱，以钢铁材料为例来说吧，纯铁由铁矿石经过高炉炼铁，再经过各种不同电炉的纯化，如同一个孕育而生的新生儿逐渐地成长，再经过材料学家或冶金学家职业红娘的研究撮合，撮合的过程如同恋爱一般，门当户对，志同道合同样重要，只有经过热恋高温的熔化才能形成稳定的钢铁家庭。例如纯铁和朴实的碳结婚形成一对对不同类型的碳钢家庭，这是钢铁材料家庭中最常见的组合，铁主外，碳主内，虽然碳对家庭参股少，但是碳却渗透到铁的晶胞中了，女人当家，实权在握，可是高碳钢虽硬但也很脆。为了吸引更多人的眼球，提高钢铁家族的知名度，必须有明星，名字很关键，绯闻也关键，炒作更关键，于是钢铁也开始炒作一夫多妻制度，随着小三小四们的介入，各放异彩，形成了一批有代表性的钢种明星，英雄的耐热钢、引人注目的不锈钢、行业标兵耐候钢等等。有结婚就有离婚，材料的断裂如同婚姻的破裂都是裂的问题，材料断裂的原因可能来自拉力或压力，从表面或内部缺陷处产生裂纹逐渐扩展而断裂，韧性好的材料会产生塑性变形然后慢慢断裂，而脆性材料则干脆利落直接断裂；婚姻的破裂的原因来自家庭和外界的诱惑力（情人，金钱，权力等）或压力（父母，工作等），从家庭生活中一些鸡皮蒜毛的小事或以前的陈年旧账开吵，让夫妻关系逐渐恶化，破裂的速度基于两口子感情基础好坏，感情好的拖了好多年才离婚，而基础差的直接离，刚结婚就离婚的也比比皆是。如果没有以上的各种压力或诱因，材料会恢复原样，而两口子重归于好，即使偶尔拌拌嘴，也是床头吵架床尾和，还可以通过二次蜜月度假对婚姻进行一次退火热处理来缓解危机。还有一种阻止材料断裂的情况，例如大家见过汽车挡风玻璃有裂纹时的处理方法是在裂纹处钻个孔，把裂纹尖端扩大成孔，就保证了裂纹不再继续扩展。而对存在潜在危机的婚姻同样管用，例如如果这时候夫妻其中一方突患重病，很大情况下夫妻俩会重新走在一起，同心协力战胜病魔。这个患重病就如同玻璃上钻的孔，扩大的矛盾掩盖了最初的小矛盾。材料最终要断裂，如果还想用，可以焊在一起，但是焊接造成焊缝和热影响区的存在，性能总不如以前。对婚姻而言，离婚了又没有合适的，孩子需要一个完整的家庭，搭伙过日子最方便的就是复婚，但是破镜复原后，裂缝始终是存在的。换言之如果材料断裂后另找一块其他金属焊在一起，搭配不当，很快就会再断。同理半路夫妻能产生爱情火花的毕竟很少，肯定不如原配的好。而最彻底的解决办法对材料而言是回炉重熔，经过高温的熔化，重新锻造成崭新的材料。对破裂的婚姻，离婚后的夫妻如果能够再经历一番爱情的磨练，相信他们的婚姻也会坚如磐石。说完了材料和婚姻，其实材料的很多行为都和生活息息相通，限于篇幅，简而述之。例如材料的疲劳行为和人的疲劳，材料的耐蚀性和人的抗诱惑性，材料的硬度和人的志气或骨气等，人的素质如同材料的性能一般，好的材料性能是经过多次冷热加工的锤炼获得，而其中一个微小的夹杂物就可能成为致命的硬伤，而我们何尝不是如此呢，希望能不断纯化我们自己的心灵而无坚不摧！

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。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。现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。我们对金属材料的认识应从以下几方面开始：一、分类：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。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。金属材料按生产成型工艺又分为铸造金属、变形金属 、喷射成形金属，以及粉末冶金材料。铸造金属通过铸造工艺成型，主要有铸钢、铸铁和铸造有色金属及合金。变形金属通过压力加工如锻造、轧制、冲压等成型，其化学成分与相应的铸造金属略有不同。喷射成形金属是通过喷射成形工艺制成具有一定形状和组织性能的零件和毛坯。金属材料的性能可分为工艺性能和使用性能两种。二、性能为更合理使用金属材料，充分发挥其作用，必须掌握各种金属材料制成的零、构件在正常工作情况下应具备的性能（使用性能）及其在冷热加工过程中材料应具备的性能（工艺性能）。材料的使用性能包括物理性能（如比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等）、化学性能（耐用腐蚀性、抗氧化性），力学性能也叫机械性能。材料的工艺性能指材料适应冷、热加工方法的能力。三、生产工艺：金属材料生产，一般是先提取和冶炼金属 。有些金属需进一步精炼并调整到合适的成分，然后加工成各种规格和性能的产品。提炼金属，钢铁通常采用火法冶金工艺，即采用转炉、平炉、电弧炉、感应炉、冲天炉(炼铁)等进行冶炼和熔炼；有色金属兼用火法冶金和湿法冶金工艺 ；高纯金属以及要求特殊性能的金属还采用区域熔炼、真空熔炼和粉末冶金工艺。金属材料通过冶炼并调整成分后，经过铸造成型，或经铸造、粉末冶金成型工艺制成锭、坯，再经塑性加工制成各种形态和规格的产品。对有些金属制品，要求其有特定的内部组织和力学性能，还常采用热处理工艺 。常用的热处理工艺有淬火、正火、退火、时效处理（将淬火后的金属制件置于室温或较高温度下保温适当时间，以提高其强度和硬度）等。四、发展趋势：金属材料的发展已从纯金属、纯合金中摆脱出来。随着材料设计、工艺技术及使用性能试验的进步，传统的金属材料得到了迅速发展，新的高性能金属材料不断开发出来。如快速冷凝非晶和微晶材料、高比强和高比模的铝锂合金、有序金属间化合物及机械合金化合金、氧化物弥散强化合金、定向凝固柱晶和单晶合金等高温结构材料、金属基复合材料以及形状记忆合金、钕铁硼永磁合金、贮氢合金等新型功能金属材料，已分别在航空航天、能源、机电等各个领域获得了应用，并产生了巨大的经济效益。