金屬材料的應用分析及解讀

趙嬌嬌

（陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000）

1 金屬材料的種類及其性質

1.1 金屬材料的種類

所謂的金屬材料具體是指有光澤、能夠導電、可以延展的材料，雖然金屬材料的種類比較多，但卻可將之歸納為兩類，一類是黑色金屬，另一類是有色金屬，除了這兩大類金屬之外，還有一類較為特殊的金屬材料，即特種金屬。

①黑色金屬。這類金屬材料又被稱之為鋼鐵材料，如工業純鐵、鋼、鑄鐵等。②有色金屬。這類金屬材料包括除鐵、錳、鉻之外的其它金屬及合金，可以細分為以下幾種：輕金屬、重金屬、貴金屬、稀有金屬等等。③特種金屬。這類金屬材料通常是指具有特殊結構和功能的金屬，如非晶態金屬、納米晶金屬、金屬基復合材料等等。

1.2 金屬材料的性質

①硬度。這是大部分金屬材料都具有的基本特性，正是因為金屬本身有非常高的硬度，從而使其在很多對硬度要求較高的領域中得到廣泛應用。硬度是一種能力，也是金屬的重要性能指標，硬度越高，耐磨性就越好。②塑性。該性質具體是指金屬在受到外部載荷作用的情況下，產生塑性變形而不被破壞的一種能力。通常情況下，可以用長度延伸率以及斷面收縮率這兩個指標對金屬的塑性進行衡量，這兩個指標越高，金屬材料的塑性就越好，能夠承受的載荷就越大。③疲勞。金屬材料在應用時會被制造成各種形狀的零件或是構件，它們在工作中通常需要承受交變荷載的作用，雖然這一過程中產生的應力并不會超過金屬材料本身的屈服強度，但隨著時間的推移，加之應力的循環作用，還是可能引起金屬材料脆性斷裂，這就是金屬材料的疲勞特性。

2 金屬材料在航空航天領域中的應用

在航空航天領域中，金屬材料的應用非常廣泛，下面就一些典型金屬材料的應用進行分析。

（1）鎂鋰合金在航空航天中的應用。鎂鋰合金是目前全世界已知金屬材料中重量最輕的一種，這種金屬材料主要是由鎂、鋰、鋅等組成，其中鋰的含量約為5-16wt%左右。鎂鋰合金具有超輕的重量、優異的剛性、超高的比強度、良好的導電及導熱等特性，并且還具有一定的電磁屏蔽和減震性能，正因為鎂鋰合金所具有的這些特性使其在航空航天等諸多領域中得到應用。在航空航天領域中，對相關產品的結構重量要求非常之高，這是因為重量過大會導致相應的成本提高，以航天飛機為例，當其本身的重量增大1kg時，會使發射成本隨之增加10萬元人民幣左右，如果能夠使航天飛機的自重減輕，那么發射成本自然會大幅度降低。目前，在航空航天領域中，鎂鋰合金的應用越來越廣泛，其中比較典型的有火箭艙的制造，飛機的上下側板，飛行器的防護罩及燃料箱，航天氣瓶的內襯以及登月平臺等等。例如，由國外某公司研發的鎂鋰合金在著名的阿金納運載火箭的通信衛星上進行應用，由此使衛星的整體重量大幅度降低，為順利升空提供了條件；又如，美國某公司在一艘運載火箭的計算機和電路面板的制造中應用了鎂鋰合金。除此之外，還有很多宇宙飛船、火箭、衛星的零部件都是以鎂鋰合金制成。

（2）鋁合金在航空航天中的應用。鋁合金一直以來都是航空航天飛行器制造中應用較為廣泛的一種金屬材料，隨著航空航天技術的不斷發展，對鋁合金的性能提出了更高的要求，在這一前提下，鋁鋰合金隨之問世，這種金屬材料的密度要比普通鋁合金低很多，并且耐腐蝕性更好，比強度更高。相關研究結果表明，向鋁合金中加入適量的鋰，不但能夠使鋁合金的密度降低，而且還能使鋁合金的彈性模量進一步提升，在客機的制造中，如果用鋁鋰合金代替鋁合金，能夠使飛機自身的重量降低，根據業內人士估算，降低幅度可以達到12.5%～14.6%左右，由此可節省燃料和成本；若是在軍用戰機的制造中，用鋁鋰合金替代鋁合金，能夠使戰機的起飛滑跑距離顯著縮短，有效航程則會隨之增加。正是因為鋁鋰合金所具備的這些應用優勢，使得各國在航天飛機的制造中都開始用鋁鋰合金替代鋁合金。

如，某型號的空中客機在機身蒙皮、機翼前后緣上均使用了鋁鋰合金，該材料的用量在金屬材料中的占比超過15%。

（3）形狀記憶合金的應用。形狀記憶合金是一種非常特殊的金屬材料，業內將這種材料稱之為智能金屬，它具有如下特性：無需借助任何外力作用，并且不需要接觸，通過改變環境溫度，便可以產生變形。這種材料的功能非常強大，如傳感、能量轉換、控制等，并且結構非常簡單。對于航空航天領域而言，由于運行環境較為特殊，因此，要求應用的金屬材料應當能夠適應極端苛刻的條件，形狀記憶合金恰好能夠達到航空航天運行環境的要求，由此使其在該領域中得到了應用。

在航天飛機上，除了大量的電子系統之外，還有一些結構復雜的液壓和氣壓系統，對于飛機而言，這些系統至關重要，與飛機的維護及報廢等方面具有密切的關聯。相關統計數據結果顯示，飛機飛行故障中，有將近30%左右的故障是液壓系統造成的，由此使得液壓系統被歸入到飛機故障率最高的系統行列之中。為了解決這一問題，業內的專家學者提出，可以用形狀記憶合金制作連接管的接頭，并使接頭的尺寸略小于管道的外徑，定型后，管接頭會在低于相變溫度的條件下，使接頭內徑強制擴大，這樣便可以卡住管道，從而達到密封的要求。如，美國某型號的戰斗機在制造時，應用了形狀記憶合金制作管接頭，解決了漏油問題，液壓系統的故障率大幅度降低。除此之外，形狀記憶合金還能用于制作宇宙飛船的衛星天線。由于衛星天線的面積相對較大，很難通過運載火箭進行整體運輸，若是在地面上將衛星天線拆解之后，再運到太空進行組裝，不僅耗時較長，而且在太空上作業難度較大，形狀記憶合金在衛星天線上的應用使這個問題得到有效解決。

（4）纖維陶瓷的應用。雖然纖維陶瓷并不是金屬材料，但在航空航天領域中，這是為數不多能夠替代金屬材料進行應用的材料之一。此類材料具有耐高溫的特性，并且重量比較輕。由于飛機上的某些部件需要承受超過2000℃的高溫，而大部分金屬材料的熔點都低于該值，也就是說，如果用金屬材料，那么這些部件很可能會熔化，即使沒有熔化，金屬也會失去原本的堅固性，這對于飛機的安全影響巨大。耐高溫是纖維陶瓷最為突出的特性，并且這種材料不能再燃燒，抗熱、抗氧化，不會斷裂，因此可將這種材料用于噴氣式發動機上的重要部位，也可用于火箭液體驅動裝置的燃燒倉及噴嘴。

3 結論

綜上所述，金屬材料在很多領域中得到了越來越廣泛應用，這與材料本身所具備的特性有著密不可分的關聯，尤其是航空航天領域，金屬材料的應用面更廣。在未來一段時期，應當加大對金屬材料的研究力度，加快開發一些新型的金屬材料，這對于促進相關領域的發展意義重大。