人类金属的使用，金属材料的过去、现在和将来

一、金属材料的发展史

1、第一阶段——原始金属的使用，铁和钢的出现

（1）公元前5000年左右：自然的金、铜、铅的使用，铜工具，黄金器件、铜和石的并用

公元前5040至4840年，这些工具中，以塞尔维亚南部Plocnik出土的38件红铜器最为引人注目，其年代为公元前5040-4840年，总重约16公斤。巴尔干半岛也是多种冶金技术最早出现的摇篮，包括铅、黄金、锡青铜和银的冶炼。例如，在约公元前5200年的Belovode遗址，出土了铅矿渣，这可能标志着铅的冶炼技术的诞生。同时，保加利亚东部在约公元前4650年便开始了黄金的冶炼，其中最引人注目的是保加利亚Varna墓地出土的3100件金器，总重达5公斤。锡青铜的冶炼技术在塞尔维亚南部和整个保加利亚也得到了发展，Plocnik遗址发现的锡青铜片更是为我们提供了确切的年代证据。这些发现共同证明了巴尔干地区在早期冶金技术发展中的不可或缺的地位。

（2）公元前4000年左右：冶铜技术的发展

大约距今6000年前，土耳其东部地区的冶铜技术已经相当成熟，并逐渐传播到周边地区。这一时期，低水平砷铜在许多地方开始出现。到了距今5500年时，人们开始有意识地生产砷铜等铜合金。

（3）公元前4000年至公元前500年：青铜的出现到青铜时代

伊朗南部、美索不达米亚一带在公元前4000～前3000年已使用青铜器，欧洲在公元前4000～前3000年。

中国最早的青铜器可追溯至约公元前3000年，印度和埃及在公元前3000～前2000年，也有了青铜器。非洲使用青铜较晚，大约不晚于公元前1000年～公元初年。

公元前2000年左右，青铜器的使用得到大范围的普及，青铜时代到来，“青铜时代”这个名词是指公元前2000年到公元前500年这段时期，这段时间出现了各类青铜器皿、工具和武器。

（4）公元前3000年左右：自然界中陨石铁的直接利用。

在公元前3500年左右的古埃及，就已经发现了铁制物件，其中含有7.5%的镍，这显然表明它们来源于流星，即陨石。2013年，《考古科学》杂志发表的一篇论文中，科学家对来自公元前3200年左右的古埃及铁珠进行了检测，证实它们是由铁陨石打造而成的。

（5）公元前1500年：冶铁技术的出现

世界上出土的最古老冶炼铁器是土耳其（安纳托利亚）北部赫梯先民墓葬中出土的铜柄铁刃匕首，距今4500年（公元前2500年）。该文物年代经检测认定为冶炼所得，此文物所代表的年代至冶炼铁器普及之间，有整整1000年时间没用出土过新的冶炼铁器，因此此文物非常珍贵。

中国发现的最古老冶炼铁器是甘肃省临潭县磨沟寺洼文化墓葬出土的两块铁条，距今3510年~3310年之间（公元前1510年~公元前1310年）。

公元前1800年，印度炼铁技术处出现。

大约在公元前1500年，冶铁技术得到发展，这时，埃及开始普遍使用铁。

从公元前1400年左右，黑海附近小亚细亚的赫梯人和亚述人开始大规模使用铁制造工具和武器。

（6）公元前1200年：铁器时代的到来

公元前1200年：铁器的使用逐渐开始普及，标志着铁器时代的到来。

在中东地区，铁器的使用大约始于公元前1200年；

东欧—公元前1000年左右，东欧已开始进入铁器时代；

中欧—在中欧，铁器时代通常被分为前铁器时代 (公元前800年至公元450年)与后铁器时代(由公元前450年开始)；

英国和爱尔兰--大约在公元前500年，炼铁知识传到了不列颠；

在中国，铁器的广泛使用则是在公元前600年左右。

（7）公元前1000年：钢的出现

铁器时代的冶金工人已经发现在其炼铁过程中会偶然产生一个副产品——钢。

“钢”一词最早的出处之一是公元前7世纪希腊历史学家希罗多德（Herodotus）描绘由希俄斯岛的格劳科斯（Glaucus）镶嵌的一只碗的文字中。

公元前3世纪：印度冶炼出“乌兹钢”，至今这种材料仍以其质量而闻名。

中国的炼钢历史可以追溯到公元前2世纪，其炼钢工艺接近于“贝塞麦酸性转炉炼钢法”

当发现了钢及其优越性能后，铁器时代的工匠们制成了工具和武器，如刀具。很快出现了新的工艺，如淬火，即把加工后的钢件浸入水或者油中快速冷却，从而提高其硬度。在塞浦路斯的一次考古中，发现早在公元前1100年工匠就懂得制作淬火硬化的刀具。

但是，在古代炼钢仍然是一项繁琐和困难的工艺，因此稀少的钢铁制品被看作是极其珍贵的。

（8）十五世纪：钢铁的普及

到15世纪，钢铁已经在全世界广泛应用。剑的制作尤其凸显了钢的优良特性，刀刃需要有韧性、坚硬且锋利。从大马士革和托莱多宝剑到日本武士挥舞的武士剑，钢都是那个时期制作最好兵器的不二之选。

2、第二阶段——金属材料学科的基础

奠定金属材料学科基础：金属学、金相学、相变和合金钢等。

1803年：道尔顿提出原子学说，阿伏加德罗提出分子论。

1830年：Hessel提出32种晶体类型，普及晶体指数。

1891年：俄、德、英等国科学家分别独立地创立了点阵结构理论。

1864年：Sorby制备第一张金相照片，9倍，但意义重大。

1827年：Karsten从钢中分离出了Fe3C，1888年Abel证明了这是Fe3C。

1861年：俄契尔诺夫提出了钢的临界转变温度的概念。

19世纪末：马氏体研究已成为时髦，Gibbs得到了相律，Robert-Austen发现了奥氏体固溶特性，Roozeboom建立了Fe-Fe3C系的平衡图。

3、第三阶段——微观组织理论大发展

合金相图，X射线发明及应用，位错理论的建立。

1912年：发现X射线，证实α（δ）-Fe是bcc，γ-Fe是fcc；固溶体规律。

1931年：发现合金元素的扩大和缩小γ区作用。

1934年：俄国Polanyi、匈牙利Orowan和英国Taylor各自独立地提出了位错理论，解释钢的塑性变形；马氏体转变的晶体学。

1938年：发明了电子显微镜。

1910年：发明A不锈钢，1912年发明了F不锈钢等。

1990年：发明了布氏硬度计，Griffith提出了应力集中会导致产生微裂纹。

4、第四阶段——微观理论的深入研究

微观理论的深入研究：原子扩散及其本质的研究；钢TTT曲线测定；贝氏体、马氏体转变理论形成了比较完整的理论。

位错理论建立：电子显微镜的发明，促使看到了钢中第二相沉淀析出，位错滑移，发现了不全位错、层错、位错墙、亚结构、Cottrell气团等现象，发展出位错理论。

新科学仪器不断发明：电子探针，场离子发射显微镜和场电子发射显微镜、扫描透射电镜（STEM）、扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）等。

二、现代金属材料

先进结构材料的研究与开发是永恒的主题。

开发高性能结构材料：从高强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损功能的追求到降低机械重量、提高性能、延长使用寿命。复合材料到结构材料的广泛应用，如铝基复合材料。开发各种系列用途的低温奥氏体钢。

改造传统结构材料：重要途径是组织更细、更均匀，材料更纯洁，注重工艺。“新一代钢铁材料” 强度相当于现有钢铁材料两倍。美“9.11”事件，暴露建筑用钢结构抗高温软化能力差，由此推动开发高强热轧耐火耐候钢。

开发其他高性能钢：利用各种新工艺、新方法制造出韧性和耐磨性都很好的新型工具钢。经济合金化是高速钢的一个发展方向，工具材料的各种表面处理技术开发，在新型工具材料的开发上具有重要的意义。

先进制备工艺：如金属半固态加工技术，铝镁合金技术的成熟与应用，现有钢的技术界限和钢强韧化是努力的方向。

三、金属材料的可持续发展与趋势

2004年提出了 “循环型社会的材料产业——材料产业的可持续发展”。

微生物冶金：无废物的生产，已在许多国家进行了工业性生产。美国利用微生物冶金方法生产的铜占总产量的10%，日本人工培植海鞘以提取钒。海水是一种液态矿，海水中含有的合金元素量超过100亿吨。现在已可从海水中提取镁、铀等元素，全世界生产的镁大约有20%来自海水，美国靠这种镁已满足着需求量的80%。

循环材料产业：适应时代需要，把生态环境意识贯穿于产品和生产工艺的设计之中，提高材料利用率、降低生产和使用过程中环境的负担。发展形成“资源→材料→环境”良性循环的产业。

合金发展的主流方向是少合金化与通用合金，形成绿色/生态材料体系，有利于材料的回收与再生利用。要研究开发与人民生活密切相关的绿色材料以及环境友好材料。

四、钛合金被称为“空间金属”、“未来钢铁”

钛合金指的是多种用钛与其他金属制成的合金金属。钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金强度高、耐蚀性好、耐热性高。20世纪50～60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金。钛合金在高温和低温下都能保持高强度，耐蚀性也是无可匹敌的。钛在地球中含量不少（0.6%）。但是提炼工艺复杂，成本高，广泛应用受到限制。钛合金将是二十一世纪为人类作重要贡献的金属材料之一。

70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。

        70年代起，民用机开始大量使用钛合金，如波音747客机用钛量达3640公斤以上。马赫数大于 2.5的飞机用钛主要是为了代替钢，以减轻结构重量。又如，美国SR-71 高空高速侦察机(飞行马赫数为3，飞行高度26212米)，钛占飞机结构重量的93%，号称“全钛”飞机。

五、有色金属和有色合金

资源面临着不可持续发展的严重问题，主要是资源破坏严重和利用率很低，浪费惊人。精深加工技术落后，高档产品缺乏；创新成果少，高新技术成果产业化程度不高。开发高性能结构材料及其先进工艺方法是主流，如：铝锂合金、快速凝固铝合金等。有色金属功能材料也是发展方向。

有色金属，狭义的有色金属又称非铁金属，是指除铁（有时也除锰和铬）和铁基合金以外的所有金属，可分为重金属（如铜、铅、锌）、轻金属（如铝、镁）、贵金属（如金、银、铂）及稀有金属（如钨、钼、锗、锂、镧、铀）。广义的有色金属还包括有色合金，是以一种有色金属为基体（通常大于50%），加入一种或几种其他元素而构成的合金。

有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，电阻比纯金属大、电阻温度系数小，具有良好的综合机械性能。常用的有色合金有铝合金、铜合金、镁合金、镍合金、锡合金、钽合金、钛合金、锌合金、钼合金、锆合金等。

有色金属是国民经济、人民日常生活及国防工业、科学技术发展必不可少的基础材料和重要的战略物资。农业现代化、工业现代化、国防和科学技术现代化都离不开有色金属。例如飞机、导弹、火箭、卫星、核潜艇等尖端武器以及原子能、电视、通讯、雷达、电子计算机等尖端技术所需的构件或部件大都是由有色金属中的轻金属和稀有金属制成的；此外，没有镍、钴、钨、钼、钒、铌等有色金属也就没有合金钢的生产。有色金属在某些用途（如电力工业等）上，使用量也是相当可观的。世界上许多国家，尤其是工业发达国家，竞相发展有色金属工业，增加有色金属的战略储备。