一段时间内新材料的研究方向产生很大影响。当今世界材料五花八门， 分类也不尽相同。通常按物质的属性分为金属、有机高分子、无机非 金属（包括陶瓷、半导体等）三大门类以及它们的复合材料。按材料 的应用对象不同，可分为航空航天材料、信息材料、生物材料、能源 材料、轻纺材料和建筑材料等。按使用性能的侧重点分为结构材料和 功能材料两类。结构材料着重于材料强度、韧性等力学性能，功能材 料则侧重利用材料的电、磁、光、·声、热等特性和效应以实现某种功 能。不同应用领域对材料的要求千差万别，按材料在各领域中的用途 不同，大体可分为电子信息材料、新能源材料和特殊条件下使用的高 性能结构材料和功能材料。电子信息材料是指发展电子计算机技术、 微电子技术和通信技术等电子信息高技术所需的新型材料，主要有半 导体材料、敏感材料、光导纤维材料、信息记录材料等。新能源材料， 指为开发新能源而需的新材料，主要有光电转换材料、超导材料、高 密度储氢材料和高温结构陶瓷材料等。高性能结构材料和功能材料， 系指在高负载、超高温、超高压、超低温等特殊情况下使用的结构材 料和功能材料，主要有高性能结构复合材料、高分子功能材料、新型 合金材料和生物医用材料等。 当今社会的发展面临着人口膨胀、资源短缺、坏境恶化三大问 题，人们在创造社会财富的同时，也在不断地破坏人类赖以生存的 环境空间。自然资源耗竭和贫化已逐渐成为阻碍经济稳定高速发展 的主要因素之一。针对这一问题，最近几年在国际材料界出现一个 新的研究领域一环境材料，指同时具有优良的使用性能和最住环 境协调性的一大类材料。这类材料对资源和能源消耗少、对生态与 环境污染小、再生利用率高或可降解化和可循环利用，而且要求从 材料制造、使用、废弃直到再生利用的整个寿命周期中，都须具有 与环境的协调共存性。因此，所谓环境材料，实质上是赋予传统结 构材料、功能材料以特别优异的环境协调性的材料，它是材料工作 者在环境意识指导下，或开发新型材料，或改进、改造传统材料。 环境材料作为材料科学与环境科学的交叉正在形成一个新的研究领 域，拓宽和丰富了材料的研究领域
第2章金属材料，长盛不衰 2.1金属材料与人类文明 大约在公元前5000年，人类从石器时代进入了铜器时代， 尔后在公元前1200年又进入了所谓铁器时代，它们是标志人类 生产力发展的里程碑，具有划时代的意义。金属材料的出现表明 了当时人们在获取高温和耐火材料（陶器）技术达到了一个新的 高度，人们学会了用炽烈的火焰在陶质容器内把金属熔化，然后 倒在模腔内，铸成剑和箭头。铜比铁先应用，主要因为在自然界 中存在着天然铜，而且铜的熔点比铁低。在炼铜技术逐渐发展的 过程中，人们事实上已经运用了“合金”的概念，最早的合金可 能是青铜，它是由大约九成铜、一成锡融合而成的，人们发现随 着锡的比例增人合金变硬，也就是说，“合金”比单一的金属更 坚韧，因此人们制造出不同含锡量的青铜，以适于不同的用途， 后来又出现了铜和锌的合金即黄铜。尽管工匠们这样做完全是凭 其经验，并不知其所以然，但是也反映了人们的智慧和创造 精神。 在古代，除了铜和铁以外，人们还会制造铅和锡的制品，同 时也出现了金和银。金和银被称为“贵金属”，因为它们具有艳 丽的光泽，而且长期不褪，此外它们可以经过反复熔化而重量损 失甚少。正是由于这些特点，人们用它们做成首饰，美化自己。 后来，贵金属自然地成为货币。使用货币，是人类生产力发展并 有剩余物资流通的标志，是人类文明的一大进步，这时人们占有 贵金属的多少成为衡量财富的尺度，人们追求的是它们作为货币 的身份而不是一般的使用价值了。从这一点上，也可反映金属材 料和人类社会经济的发展有着多么密切的关系。与金银相对的其
他金属铜、铁、铅、锡等当时相对地被称为是“贱金属”，古代 人们并不清楚金属为什么会有贵贱之分。人们很白然地设想，能 不能把“贱”金属变成“贵”金属呢，这不是一个最好的生财之 道吗？不难理解，公元初期在中东兴起的“炼金术”或“点石成 金”的热潮，当时认为“点金石”可以把贱金属变成贵金属，直 到17世纪末这种追求在中东和西欧仍然盛行。客观地说，不能 把古代的炼金术完全看成是一种愚昧的行为，尽管有一些利令智 昏的人，他们想凭借咒语乞求神的帮助点石成金，陷入了不切实 际的梦想，然而与此同时，也有许许多多的工匠们他们不靠什么 咒语，而是在扎扎实实地做着各种各样的试验，最后创造了不亚 于炼金术的奇迹，他们发现了把矿石转变成金属的方法，即用木 炭把矿石还原成金属的熔炼技术。在开始阶段，由于杂质的影 响，金属的质量不高，有人把它归咎于魔鬼作祟，然而随着技术 的进步，这些“魔鬼”一个一个地被征服了，这不能不说是人类 文明的进步。哲学家弗朗西斯·培根做了一个很形象的比喻：炼 金术可以比做一个老人告诉他的儿子说，他把留给他们的金子埋 在葡萄园里了，但他的儿子们翻遍了葡萄园的沃土，找不到任何 金子却获得了葡萄的丰收。 从中世纪到工业革命的时期，金属生产向着规模化的方向发 展，一些效率更高的大型炼铁炉被建造起来。据记载1711年英国 出现了高6m和2.5m见方的“高炉”，日产铁6t,这种炉子建在 山坡上，工人们把矿石和木炭从半山腰的平台上倒入炉中。以后这 些炉子改用焦炭，并加上鼓风，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，随之而来的是人类物质文明的 进一步提高，铁轨、铁桥、铁船、铁管、铁塔如雨后春笋，遍地 开花。 1856年8月一个叫亨利·贝塞尔的英国人宣布了他的把铁炼成 钢的方法。他把空气直接鼓入铁水中，使杂质烧掉。贝塞尔是~个 值得称赞的发明家，他遭受了许多失败和讥讽，但是他偿还了所有 债务，继续坚持下去，直到成功。虽然他成功了，但他仍然遭到反
对，人家不相信他的钢比铁好。有一次他劝说一位铁路工程师用钢 建造铁路，得到的回答却是：“你想看到我因犯杀人罪而受审吗？” 20多年后，1879年12月29日夜，一列火车经过曾被称为世界工 程奇迹之一的苏格兰泰河大铁桥时，大桥坍塌，78人丧生，桥断 的主要原因是铸造缺陷和材质问题。血的教训使人们正视到当时已 能大规模生产的钢是更适合的工程材料，于是，钢轨、钢桥、钢 船、钢枪、钢炮…逐步取代了铸铁。 电的产生与应用是人类社会近代发展的最重大转折，但是应 该记住，正是金属才是人类这一进步的阶梯。1831年迈克尔·法 拉第发现了电磁感应原理，解决了电动机、发电机的原理：1861 年安东尼奥·帕西诺蒂发明了用铜做的环状绕组系统，使发电机 的制造切实可行；1870年吉诺伯·格拉姆在上述基础上才做成了 发电机；1879年一台发电机在柏林展览会上表演，驱动了一辆载 有20名乘客的三节小型电气机车。正是由于金属材料优良的导 电性，使得电的产生与应用成为现实，从而推动了人类电器化时 代的车轮。 19世纪未到20世纪中叶，是合金钢和其他金属材料飞速发 展的时代，低合金高强度钢、超高强度钢、合金工具钢、高速 钢、不锈钢、耐热钢、耐磨钢、电工用钢等等相继研究成功，加 上铝合金、铜合金、钛合金、钨合金、钼合金、镍合金，以及各 种稀有合金，全世界合金的品种达到数万种，生产量和消费量大 幅度增长。在全礼会的经济发展中发挥了主导的作用。1910年新 的工其钢W18Cr4V的发明曾经震撼了世界，这种合金有很高的 硬度，而且当温度达到600℃时硬度也不会下降，从而大大提高 了刀具的耐用度，可使机床的切削速度成倍增长，所以这种钢被 誉为“高速钢”，它对当时机械工业的发展起了极其重要的推动 作用：不锈钢的发明是材料发展史上又一项重大成就，从20世 纪20年代开始工业规模生产，为化学工业的发展做出了重大贡 献，至今全世界不锈钢年产量近2000万吨，能满足许多重要部 门的应用，并仍在不断发展，精益求精；超高强度钢从20世纪
40年代开始，一·直是合金钢发展中的热点之一，和钢的强韧性理 论并驾齐驱，人们千方百计利用一切手段，如：固溶强化、细晶 强化、位错强化、弥散第二相强化、相变强化等，提高钢的强度 并维持良好的韧性，屡有新的突破，在制造固体火箭发动机壳 休、高压容器、飞机起落架、飞机机身大梁、原子能离心分离机 筒体等国防与高新技术领域中熠熠生辉，令人瞩目。这样的例了 不胜枚举。没有金属材料哪能有蒸汽机、柴油机、发电机、电动 机、切削机床？哪能有火车、汽车、拖拉机、远洋轮船和飞机？ 哪能有坦克、大炮、火箭、导弹和卫星？人们是否意识到，我们 今天的物质文明和生活质量有多少是依赖于金属材料的呢？金属 材料直到今天仍然是一切工业和现代科学技术的最重要的物质基 础，虽然金属材料不是人类学会制造和应用的最早的材料，但可 以说，在漫长的历史中，人类的物质文明主要取决于人们对金属 的了解及使用。没有金属材料就没有现代的物质文明。 2.2金属王国的风采及其面临的挑战 在自然界中存在的100余种化学元素中有2/3是金属，20世 纪中几乎所有的金属都被研究过，几乎所有有用的金属都在为人类 服务，金属材料不愧为人类最亲密、最忠实、最可靠的朋友。 金属材料在工程中一直是最重要的材料，之所以如此，是因为 金属具有如下的突出优点。 ①金属的力学性能堪称“全能冠军”。它的模量和强度可以和 陶瓷比美，比高分子材料高得多；它的塑性和韧性则可以与高分子 材料比美，是陶瓷所望尘莫及的：综合起来，金属在具有高强度的 同时，具有优良的塑性和韧性，这是其他材料所不及的。因此它作 为工程材料使用时最可靠、最安全（见图2-1）。 ②既耐热，又耐寒。金属材料可以在很高的温度下使用，虽 然使用温度比不上陶瓷，但由于陶瓷可靠性差，在重要部件上的应 用还有很大局限。因此金属在高温领域中仍然是主力，而高分子材 料则只能在300℃以下应用。金属又可以在很低的温度下使用，例