趙嬌嬌

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

1 金屬材料的種類及其性質(zhì)

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?qū)щ姟⒖梢匝诱沟牟牧?，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(yè)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(xì)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(jié)構(gòu)和功能的金屬，如非晶態(tài)金屬、納米晶金屬、金屬基復(fù)合材料等等。

1.2 金屬材料的性質(zhì)

①硬度。這是大部分金屬材料都具有的基本特性，正是因?yàn)榻饘俦旧碛蟹浅８叩挠捕?，從而使其在很多?duì)硬度要求較高的領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。硬度是一種能力，也是金屬的重要性能指標(biāo)，硬度越高，耐磨性就越好。②塑性。該性質(zhì)具體是指金屬在受到外部載荷作用的情況下，產(chǎn)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(gè)指標(biāo)對(duì)金屬的塑性進(jìn)行衡量，這兩個(gè)指標(biāo)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(yīng)用時(shí)會(huì)被制造成各種形狀的零件或是構(gòu)件，它們?cè)诠ぷ髦型ǔＰ枰惺芙蛔兒奢d的作用，雖然這一過程中產(chǎn)生的應(yīng)力并不會(huì)超過金屬材料本身的屈服強(qiáng)度，但隨著時(shí)間的推移，加之應(yīng)力的循環(huán)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(lǐng)域中的應(yīng)用

在航空航天領(lǐng)域中，金屬材料的應(yīng)用非常廣泛，下面就一些典型金屬材料的應(yīng)用進(jìn)行分析。

（1）鎂鋰合金在航空航天中的應(yīng)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(yōu)異的剛性、超高的比強(qiáng)度、良好的導(dǎo)電及導(dǎo)熱等特性，并且還具有一定的電磁屏蔽和減震性能，正因?yàn)殒V鋰合金所具有的這些特性使其在航空航天等諸多領(lǐng)域中得到應(yīng)用。在航空航天領(lǐng)域中，對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)重量要求非常之高，這是因?yàn)橹亓窟^大會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的成本提高，以航天飛機(jī)為例，當(dāng)其本身的重量增大1kg時(shí)，會(huì)使發(fā)射成本隨之增加10萬元人民幣左右，如果能夠使航天飛機(jī)的自重減輕，那么發(fā)射成本自然會(huì)大幅度降低。目前，在航空航天領(lǐng)域中，鎂鋰合金的應(yīng)用越來越廣泛，其中比較典型的有火箭艙的制造，飛機(jī)的上下側(cè)板，飛行器的防護(hù)罩及燃料箱，航天氣瓶的內(nèi)襯以及登月平臺(tái)等等。例如，由國外某公司研發(fā)的鎂鋰合金在著名的阿金納運(yùn)載火箭的通信衛(wèi)星上進(jìn)行應(yīng)用，由此使衛(wèi)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(yùn)載火箭的計(jì)算機(jī)和電路面板的制造中應(yīng)用了鎂鋰合金。除此之外，還有很多宇宙飛船、火箭、衛(wèi)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(yīng)用。鋁合金一直以來都是航空航天飛行器制造中應(yīng)用較為廣泛的一種金屬材料，隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)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(qiáng)度更高。相關(guān)研究結(jié)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(jìn)一步提升，在客機(jī)的制造中，如果用鋁鋰合金代替鋁合金，能夠使飛機(jī)自身的重量降低，根據(jù)業(yè)內(nèi)人士估算，降低幅度可以達(dá)到12.5%～14.6%左右，由此可節(jié)省燃料和成本；若是在軍用戰(zhàn)機(jī)的制造中，用鋁鋰合金替代鋁合金，能夠使戰(zhàn)機(jī)的起飛滑跑距離顯著縮短，有效航程則會(huì)隨之增加。正是因?yàn)殇X鋰合金所具備的這些應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，使得各國在航天飛機(jī)的制造中都開始用鋁鋰合金替代鋁合金。

如，某型號(hào)的空中客機(jī)在機(jī)身蒙皮、機(jī)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(yīng)用。形狀記憶合金是一種非常特殊的金屬材料，業(yè)內(nèi)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(huán)境溫度，便可以產(chǎn)生變形。這種材料的功能非常強(qiáng)大，如傳感、能量轉(zhuǎn)換、控制等，并且結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。對(duì)于航空航天領(lǐng)域而言，由于運(yùn)行環(huán)境較為特殊，因此，要求應(yīng)用的金屬材料應(yīng)當(dāng)能夠適應(yīng)極端苛刻的條件，形狀記憶合金恰好能夠達(dá)到航空航天運(yùn)行環(huán)境的要求，由此使其在該領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。

在航天飛機(jī)上，除了大量的電子系統(tǒng)之外，還有一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的液壓和氣壓系統(tǒng)，對(duì)于飛機(jī)而言，這些系統(tǒng)至關(guān)重要，與飛機(jī)的維護(hù)及報(bào)廢等方面具有密切的關(guān)聯(lián)。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，飛機(jī)飛行故障中，有將近30%左右的故障是液壓系統(tǒng)造成的，由此使得液壓系統(tǒng)被歸入到飛機(jī)故障率最高的系統(tǒng)行列之中。為了解決這一問題，業(yè)內(nèi)的專家學(xué)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(huì)在低于相變溫度的條件下，使接頭內(nèi)徑強(qiáng)制擴(kuò)大，這樣便可以卡住管道，從而達(dá)到密封的要求。如，美國某型號(hào)的戰(zhàn)斗機(jī)在制造時(shí)，應(yīng)用了形狀記憶合金制作管接頭，解決了漏油問題，液壓系統(tǒng)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(wèi)星天線。由于衛(wèi)星天線的面積相對(duì)較大，很難通過運(yùn)載火箭進(jìn)行整體運(yùn)輸，若是在地面上將衛(wèi)星天線拆解之后，再運(yùn)到太空進(jìn)行組裝，不僅耗時(shí)較長，而且在太空上作業(yè)難度較大，形狀記憶合金在衛(wèi)星天線上的應(yīng)用使這個(gè)問題得到有效解決。

（4）纖維陶瓷的應(yīng)用。雖然纖維陶瓷并不是金屬材料，但在航空航天領(lǐng)域中，這是為數(shù)不多能夠替代金屬材料進(jìn)行應(yīng)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(jī)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(diǎn)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(huì)熔化，即使沒有熔化，金屬也會(huì)失去原本的堅(jiān)固性，這對(duì)于飛機(jī)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(huì)斷裂，因此可將這種材料用于噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)上的重要部位，也可用于火箭液體驅(qū)動(dòng)裝置的燃燒倉及噴嘴。

3 結(jié)論

綜上所述，金屬材料在很多領(lǐng)域中得到了越來越廣泛應(yīng)用，這與材料本身所具備的特性有著密不可分的關(guān)聯(lián)，尤其是航空航天領(lǐng)域，金屬材料的應(yīng)用面更廣。在未來一段時(shí)期，應(yīng)當(dāng)加大對(duì)金屬材料的研究力度，加快開發(fā)一些新型的金屬材料，這對(duì)于促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展意義重大。