轻合金材料的应用及发展

胡豪

摘 要：随着能源、资源和环境问题的日渐突出，以铝合金、镁合金、钛合金为代表的轻合金材料应用越来越广泛，轻合金材料已经成为与人类生活、生产和社会发展密不可分的重要材料。文章介绍了轻合金材料的基本概念，综述了轻合金材料的种类、性能及其在社会各方面的应用，并对轻合金材料的发展前景进行了展望。

关键词：轻合金材料；种类与性能；应用现状；发展前景

中图分类号：TG146.22 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）11-0051-02

近年来轻合金材料发展迅速，在冶炼，加工，回收，应用和制造装备等多方面有重要研究进展，并取得了大量的产业化成果。由于其具有特殊的优异性能和巨大的发展潜能，已经促使世界各国对轻合金材料的研究开发与推广应用越来越重视。轻合金材料与钢铁材料不同，其开发应用隐含着相应国家的科技和经济实力，每个国家轻合金材料用量的多少，标志着一个国家航空航天及军事的实力，同时也体现了这个国家的综合实力。因此，我们应不断探索研究，进一步挖掘轻合金材料的优异性能，推动我国科技与经济的发展。

1 轻合金材料的基本概念

在介绍轻合金材料的基本概念之前，首先阐述一下轻金属的概念。轻金属通常是指密度<3.5×103 kg/m3（钡的密度）的金属，其中包括铍、铝、镁和碱金属及碱土金属，有时也将密度为4.5×103 kg/m3的钛和通常称之为半金属的硼和硅归属于轻金属。其中锂是轻金属中最轻的元素，铝、镁、钛则是最重要和最具代表性的。在此基础上，轻合金材料则是以轻金属为基，通过添加一些合金元素形成的。由于铝合金、镁合金、钛合金是目前使用量最大的三种轻合金结构材料，因此，轻合金材料一般是指铝合金、镁合金、钛合金。

2 轻合金材料的种类、性能及应用

由于目前轻合金材料一般是指铝合金、镁合金、钛合金，因此，主要对铝合金、镁合金、钛合金的性能及应用进行阐述。

2.1 铝合金

铝合金是人们在生活和生产中最为常见的一种轻合金材料，它是以金属铝为基，通过添加一些合金元素形成的。其主要合金元素有铜、锰、硅、锌、镁、锂等，此外还有铬、钛、镍、锆等辅加元素。铝合金可加工成板、带、条、箔、管、棒、线、型、自由锻件和模锻件等加工材（变形铝合金），也可加工成铸件、压铸件等铸造材（铸造铝合金）。变形铝合金和铸造铝合金又可分为可热处理型铝合金材料和非热处理型铝合金材料两大类。其中，变形铝合金包括超硬铝合金、硬铝合金、锻铝合金、防锈铝合金。铸造铝合金包括Al-Si系铸造铝合金、Al-Cu系铸造铝合金、Al-Mg系铸造铝合金、Al-Zn系铸造铝合金。与纯铝相比，它不仅强度、硬度高，可塑性强，物理力学性能好，而且品种丰富，使用范围更加广泛。同时还具有优良的导电，导热及抗蚀性能。在航空航天、电子通讯、建筑装饰、机械电气、石油化工等诸多领域铝合金已成为不可或缺的重要材料。

2.2 镁合金

镁合金是以金属镁为基，通过添加一些合金元素形成的。其常用的合金元素主要有铝、钙、锌、锰、稀土金属（混合稀土、钕、钇、钆等）、钍、锆、银等，添加微量元素铍，杂质元素有铁、镍等。同样，镁合金也可分为变形镁合金和铸造镁合金。铸造镁合金适合于铸造工艺，用于生产各种铸件，如砂型铸件、金属型铸件、蜡模铸件、压铸件等。变形镁合金适合于各种变形加工工艺，用于生产各种加工材，如板、棒、线、型、管等。在工业应用中，镁合金是最轻的结构金属，具有导热导电性好、强度刚度高、抗电磁干扰能力强、吸振性能好、切削加工性能好和容易回收等优点。但耐蚀性差则是镁合金的一大缺点。相比于镁合金，纯镁由于强度太低，很少作为结构材料在工业中应用。由于这些诸多的优点，镁合金因此被誉为“21世纪的绿色工程材料”，广泛应用于便携式器械及汽车制造业、3C产品（即计算机、通信器材、消费类电子产品）、国防军工等行业。

2.3 钛合金

钛合金是以金属钛为基，通过添加一些合金元素形成的。其常用的合金元素主要有铝、锡、锆、钒、钼、锰、铁、铬、铜、硅等。钛合金一般按其退火组织分为三类：α型钛合金，β型钛合金，α+β型钛合金。钛合金被人们称为金属中的“全能”金属，因其“三高一容”（即高强度、高耐热、高耐蚀、相容性），而被应用于海、陆、空、太空及人体的各种环境中，是航天、航空、舰船、汽车、电子、建筑、化工、石油、冶金、生物医学等许多领域非常重要的材料。同时，钛合金还是一种非常关键的低温结构金属材料，它在低温以及超低温的状态下，仍能较好的保持其力学性能。然而，钛合金的切削加工性能较差。随着国防科技和工业技术的不断发展，钛合金在各个行业的地位越来越重要，是任何材料都无法代替的。

3 轻合金材料的发展前景

材料、信息、能源被誉为人类社会进步和发展的三大支柱。轻合金材料作为一种新型金属材料，其具有的特殊优异性能和巨大的发展潜力越来越受到人们的关注，并在各行各业中起着举足轻重的作用。它不仅推动着整个材料工业的发展，而且作为高新技术的基础和先导肩负着重要的使命和任务。它已经成为未来提高国家科技实力，发展国民经济，提高人民物质生活和文化生活水平的重要基础材料。

展望未来，在人类社会进步和发展中，轻合金材料必定会发挥巨大的作用，成为人类“工业文明大厦”的一块基石。其主要的发展趋势有以下两个大的方面：①轻合金材料本身的发展；②轻合金材料加工技术的发展。

轻合金材料本身的发展方向包括：①趋向于质量轻、强度高。在航天航空、汽车制造业、国防军工领域里对质量轻，强度高的金属材料是迫切需求的；②耐高温、耐腐蚀、抗疲劳。适应各种环境，满足各行业发展需求；③新型金属复合材料。对铝基复合材料，镁基复合材料，钛基复合材料的进一步研究和发展；④新型金属功能材料。高功能及多功能化的趋势。

轻合金材料加工技术的发展方向包括：①成形技术和热处理工艺的优化；②探索新型的加工技术。其目的都是降低生产成本，得到性能更好的新型金属材料，满足各行业发展的需求。

4 结 语

随着经济与社会的发展，材料工业在人类工业文明的道路上扮演着越来越重要的角色，对各个行业都有着极其重要的影响，可以说“没有材料就没有丰富多彩的今天，更没有炫彩夺目的明天”。尤其是在当今能源、资源、环境问题日益突出的时代背景下，对材料工业的发展提出了更高的要求，向为实现材料工业的可持续发展继续迈进。而在金属材料领域，轻合金材料作为一种新型金属材料，一种“新生代力量”正以迅雷不及掩耳之势推动着人类社会的发展，成为万千材料中的“佼佼者”。相比于传统的金属材料，轻合金材料因其质量轻、高强度、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等优异性能，在机械制造业、航空航天、国防军工、建筑装饰、石油化工、电子信息、生物医学等领域发挥其显著的优势。同时，轻合金材料的巨大发展潜能也吸引着世界各国对其不断的探索和研究，其前景关键在于技术的革新与开发，以及材料本身的发展。可见，在未来人类社会的发展中，轻合金材料将继续在各个行业中发挥巨大的作用，并且占据着不可撼动的地位。

参考文献：

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