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一．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,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大合金变硬,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情神。
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。人们很自然地设想,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。贝塞尔是一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己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。在全社会的经济发展中发挥了主导的作用。1910年新的工具钢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体、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。这样的例子不胜枚举。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。
二．金属材料科学
从人类进入铜器、铁器时代开始,一直到20世纪初,虽然各种金属制造的机器、工具、用品已经司空见惯,金属制品工艺技术已十分高超,但是这些技术只能说成是一种手艺,掌握了这些技术的人只能称之为工匠,因为他们依赖的是长期积累的经验,谈不上对金属本质的了解。1861年英国人H·C-肖比教授首先使用光学显微镜对金属的显微结构进行了研究,他把金属的表面磨光抛光,然后放在酸中浸蚀,在显微镜下发现了不同的花样,后来称之为显微组织结构,显微组织结构与金属的性能有着直接的关系,他的实验开创了金属材料科学的第一页——“金相学”,也是人们揭示金属材料微观奥秘的第一步。1905年X射线用于金属,发现了金属中原子排列的规律性,即所谓晶体结构,它帮助人们了解各种金属中原子在空间分布的规律,这一成功使人们对金属的微观结构的认识又加深了一步。通过金相和X光衍射和化学分析的手段,人们对金属材料的成分、显微组织结构和性能间的关系进行了大量研究,发现了许多规律,解释了大量过去不可思议的现象,奠定了金属材料科学的基础,并大大推动了合金钢及热处理等科学技术的发展。20世纪50年代开始,电子显微镜开始用于金属的研究,光学显微镜放大倍数的极限不超过2000倍,而电子显微镜的放大倍率可以到百万倍,因此对金属微观世界的了解又前进了一大步,不仅如此,电镜还可以透视金属的内部。随着现代科学技术的发展,近20年来,各种电子显微分析仪器不断涌现出来,它们把微区的形貌观察、晶体结构分析和微区成分分析集于一身,目前已经可以看到原子排列的图像,分析到一个一个的不同原子的分布,随着对金属微观奥秘的不断深入了解,推动了新型材料的发展,大大增进了人类改造自然的能力。
从微观上看,金属和合金是由一些“合金相”以不同的数量、大小、形状和分布状态形成的复杂体系,称为显微组织结构,研究表明金属的显微组织是影响其性能的决定因素,而显微组织是由其成分和制造工艺(冶炼、铸造、锻压、焊接、热处理)来决定的。因此研究金属材料的成分-显微组织,工艺-性能之间的关系便是金属材料学的基本任务,其中显微组织是核心。近百年来,无数的金属材料科技人员利用各种先进手段研究了各种合金的显微组织的形成过程和变化规律,提出了很多重要的理论,包括晶体结构、凝固与结晶、晶体缺陷、扩散、相图、相变、塑性变形、强度与断裂、腐蚀与氧化、金属的物理性能(热、电、磁)、材料设计以及金属的各种加工技术和测试技术,形成了内容丰富的金属材料科学,它是材料学与物理学、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。
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。
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,例如液氢(-253℃)的容器,既有高强度,又有足够的韧性,陶瓷不管在高温还是低温都是脆的。
③金属材料有很出色的工艺性能。如铸造、锻造、冷冲压性、可焊性、可切削性和可以通过各种各样的热处理方法或者表面处理方法调整和改变其性能的特点。
④金属有良好的导电性、导热性和铁磁性,在电力工业中有不可替代的作用。
三．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,金属材料近百年的大力发展,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,对于金属材料而言,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、激光表面猝火、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Al-Li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。
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。
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