材料学与物理学、化学、力学交叉融合的结果，是科学与工程相结 合的产物，既有科学的意义又有工程应用的价值。金属材料科学的 最突出特点是把材料的宏观性质与微观过程联系起来，它是人类知 识宝库中的重要财富。由于掌握了规律，人们就可以人为地去控制 它。因此，人们在金属材料的领域中，逐步由经验上升为理论，由 被动变为主动，由必然王国走向自由王国。 2.2.4金属材料面临的挑战 大约到20世纪中叶，金属材料在人类的生产和生活中一直处 于主导的地位，但是从20世纪中叶开始，尤其是近一二十年来， 这种地位开始动摇，金属材料面临着空前的挑战，受到了巨大的压 力，这种压力来自外部和自身两个方面。来自外部的压力是，从 20世纪中期开始，高分子材料迅速崛起，尤其是工程塑料，从性 能到应用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、产量以惊人的速度增长，1994年全世界塑料产量 已达1.13亿吨，折合成体积已与钢铁相当，似乎有取代金属之势： 与此同时先进陶瓷材料也崭露头角，特别在现代电子工业中占有重 要地位。事实上材料领域已经不知不觉的从金属材料的一统天下转 变成金属、陶瓷、高分子材料三足鼎立的新格局：另一方面是来自 自身的压力，主要是能源、资源和环境三方面，金属材料近百牛的 大力发展，某些主要的金属矿产资源日渐紧张，高品位的金属矿产 很快减少，低品位的矿物使能源消耗和成本增加，金属工业是能源 的最重要消耗者，也是严重的环境污染者，这些问题同样对金属材 料今后的发展提出了挑战。在国外有人称钢铁工业已经成为一种 “夕阳”工业，意思是说已经在走下坡路，它的光辉即将变得暗淡。 这是一种过于悲观的论调，它对我们这样的发展中国家来说尚与事 实不符，这是一种消极看问题的方法，容易产生误导。事实上，金 属材料受到的挑战是一件好事，是材料科学与技术向前发展的标 志，表明人类今天能够创造出更多的材料，对丁金属材料而言，这 种挑战也有其积极的一面，因为没有挑战，就很难有新的发展。应 该把这种挑战看成是金属材料继续发展的新的动力。客观地来说
金属材料不可能完全被其他材料所取代，正如我们在前边介绍的金 属材料在多种重要领域中的作用，并没有被动摇，三大类材料之间 各有所长，需要相互补充，不是你死我活，而是携手共进。金属材 料的部分应用为塑料或陶瓷所代用，也并非坏事，它可以使金属材 料在更关键的地方发挥作用。倒是资源、能源和环境的问题，在金 属材料工业的发展中必须引起充分的重视，必须找出相应的对策， 这是今天赋予金属材料工作者的新的使命。 随着科学技术的进步，实际上对金属材料也不断提出了新的要 求，这种要求体现在两个方面，一是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。为此，近 二三十年来，金属材料的制造技术有非常迅速的进步，先进的冶炼 技术、炉外精炼技术、铸造技术、连铸连轧技术、近终形加工成型 技术、先进的热处理技术、粉末冶金技术等日新月异，与此相关的 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，在近代金属材料的发展中占有突出的地位，并有明显的创 新。在此值得强调的是金属材料的多种表面技术大显神威，成为提 高材料的性能、发挥材料潜力的最有效和最经济的手段，因为金属 材料在使用过程中的损坏多数是从表面开始，例如腐蚀、磨损等 等，而且许多受力件，例如旋转轴和弯曲梁最大应力在表面，引起 断裂的裂纹源多数也在表面或接近表面的区域，这便启发人们在材 料的表面去做文章，各种表面热处理工艺、表面合金化、表面改 性、表面涂镀层等新技术新方法如雨后春笋，遍地开花，化学的方 法、电化学的方法、物理的方法、力学的方法各显神通，一些最先 进的技术都被用于这一领域，例如等离子喷涂技术、离子注入技 术、激光表面淬火、激光熔凝或合金化技术、离子镀、化学镀、化 学气相沉积、物理气相沉积等，在金属材料的领域中蓬勃发展。总 之，金属材料在当代的发展特点之一是更突出工艺技术的发展和创 新，以获取最显著的经济效益，并给金属材料的发展带来生机。 现代科学技术发展对金属材料提出的另一个新的要求就是开拓 金属材料新的功能，以适应更高的使用要求。近几十年来，金属材
料并没有停止发展，新的合金钢，例如微合金化钢，超高强度钢、 超低碳不锈钢；新的有色合金，例如A1Li合金、钛合金；还有高 温合金、金属间化合物、阻尼合金、超导合金、形状记忆合金、储 氢合金、纳米金属材料、非晶态金属等都有新的发展，下几节中还 将重点介绍。 应该说金属材料王国是一个缤纷的世界，它渗透在人类生产和 生活的每一个领域中，它们在默默无闻地造福于人类，它们的功勋 是有口皆碑的，它们的光彩是永远不会熄灭的。 2.3神秘的形状记忆合金 在一次新材料的研讨会上，一位教授手持一个盛有水的玻璃瓶， 上面插有一只漂亮的用纸做的蝴蝶，他走上讲台一言未发，从容的 掏出打火机把瓶子加热，不一会只见蝴蝶的翅膀飞舞起来，这一试 验引起了与会者的极大兴趣，原来在蝴蝶下面有一根所谓“形状记 忆”合金丝，这根丝随着水温的升高和降低会突然伸长或缩短。所 谓形状记忆效应是指合金经变形后，在一定的条件下，仍能恢复至 原始形状的现象。现在用图25中的一个铆钉为实例，进一步说明形 状记忆的效应。这个铆钉是用形状记忆合金制作的，首先在较高的 温度下(T>M,)把铆钉做成铆接以后的形状，然后把它降温至M: 以下的温度，并在此温度下把铆钉的两脚扳直（产生形变)，然后顺 利地插入铆钉孔，最后把温度回升至工作温度(T>A)，这时，铆 钉会自动地恢复到第一种形状，即完成铆接的程序。显然这个铆钉 可以用于手和工具无法直接去操作的场合。M、表示冷却时开始产生 ①3( 成型(T>M) 施力扳直(T<M?插入(T<A) 加热(T>A) (T=工作温度) 图25形状记忆铆钉的工作过程
热弹性马氏体的转变温度，M:表示冷却时转变终止温度，A,表示 升温时开始逆转的温度，A:表示逆转完全的温度。 形状记忆效应米源于一种热弹性马氏体相变。一般的马氏体相 变作为钢的淬火强化的方法从古代便为人所用，就是把钢加热到某 个临界温度以上保温一段时间，然后迅速冷却，例如直接插入冷水 中（称为淬火），这时钢转变为一种称为马氏休的结构，并使钢硬 化。这种马氏体相变有一个特别的性质，在一定的温度下一旦形成 的马氏体随着时间延长不再长大，为了增加马氏体的量，必须进一 步降低温度，产生新的马氏体。后来，在某些合金中发现了不同于 上述的另一种所谓热弹性马氏体相变，热弹性马氏体一旦产生可以 随着温度降低继续长大。相反，当温度回升时，长大的马氏休又可 以缩小，直至恢复到原来的状态，即马氏体随着温度的变化可以可 逆地长大或缩小，由于马氏体的体积一般比原始状态要膨胀一些， 而且马氏体相变伴随着晶体中规则的切变，因此热弹性马氏体相变 随之伴有形状的变化。其晶体结构的变化如图2-6所示。 T>M T>Ac 高温 (1)奥氏体 (4)奥氏体 冷却 加热 (恢复原状) T <M T<As 变形 低温 (2)热弹性马氏体 (3)变形马氏体 图26形状记忆过程中晶体结构变化的示意图
早在1951年美国人在一次试验中偶然发现了金.镉合金有形状 记忆特性，当时并未引起重视，1953年又在铟铊合金发现这类效 应，1963年发现镍钛合金具有形状记忆特性后，掀起了这类合金 研究的热潮，并产生了多种实用化的新思想，新的形状记忆合金应 运而生，表2-1中给出了部分形状记忆合金的组成以及热弹性马氏 体的转变温度。图2-5中表示的为单向形状记忆效应，后来还发现 了具有双向记忆效应，即铆钉如用双向记忆合金制作时，把铆好的 铆钉重新降温后，铆钉又会变直，正如本节开始提到的蝴蝶下面的 合金丝便是双向记忆合金，随温度的变化可来问伸长或缩短，引起 蝴蝶翅膀上下翻飞。 表21具有形状记忆的合金系 合金系 组成/%（原子） M.℃ A,℃ Ti-Ni Ti-50Ni 60 78 Ti-51Ni -30 -12 Ni-Al Ni-36.6A1 60+5 一 Ag-Cd Ag-45.0Cd -74 -80 Au-Cd Au-47.5Cd 58 74 Cu-Al-Ni% C-14.5Al-4.4Ni%(质量) -140 -109 Cu-14.1A-4.2Ni%(质量) 2.5 20 Cu-Au-Zn Au-21Cu-49Zn -153 Au-29Cu-45Zn 57 Cu-Sn Cu-15.3Sn -41 Cu-Zn Cu-39.82n -120 In-Ti In-2ITi 60 65 In-Cd In-4.4Cd % 50 Ti-Ni-Cu Ti-20Ni-30Cu 80 85 Ti-Ni-Fe Ti-47Ni-3Fe -90 72 Cu-Zn-Al Cu27.5Zn-4.5A1%(质量) -105 Cu-13.5Zn-8A1%(质量) 146 形状记忆合金不仅具有理论上的重大意义，更重要的是工业中 的应用价值。最先报道的是用形状记忆合金制作月面天线。如图 2-7所示，月面天线仲展开来很宽大，火箭无法容纳，那么，如何 把这样一个天线送上太空，送上月球呢？正是形状记忆合金神话般