材料科学与人类文明课程复习资料(5)

材料科学与人类文明

合金超导材料以后，才使得超导输电、超导磁场得以实现，“超导”才在技术上崭新露头角。

8. 丰富多彩的材料世界

材料作为划分时代的标志，正确地反映了人类社会的生产力发展水平，也反映出材料举足轻重的意义。在现代科学技术中，材料科学已经和能源科学、信息科学并列为三大支柱。值得注意的是，无论能源技术还是信息技术对于材料的依赖，均变得越来越突出。

把形形色色的材料按化学组成分类，可以分为金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料三大类。

8.1 经济发展中重要的材料---金属

密度是划分金属和金属材料的一个重要标准。轻金属和轻金属合金比重一般低于4.4克每立方厘米；重金属和重金属合金比重高于4.4克每立方厘米，工业中最重要的轻金属是铝、镁及其合金；最重要的重金属包括铜、铅、锌和锡以及以这些金属为基础所组成的合金。在二者之间，还有钛，一般把钛划归轻金属。

金属已成为国民经济中头等重要的材料和工业材料的“主力”。现代工业生产中，钢铁占有很重要的地位。钢铁产量往往是衡量一个国家工业水平和生产力水平的主要标志。目前，在整个结构材料中，钢铁占70％左右。

钢铁虽然都是铁和碳组成的合金，但是含碳量不同，它们的“性格”有很大的差别。工业上以含碳量多少为标准，把钢铁分为生铁、纯铁和钢三种。

钢铁按照组成元素分为碳素钢和合金钢；按用途可分为结构钢、工具钢和特种钢。结构钢具有一定的强度和韧性，用途最广，一般用作结构零件，如用来制造汽车、轮船、钢轨、机械、油田井架、电视塔等等；工具钢的强度高、耐磨性好，大量用于机械制造，用工具钢做的刀具，可像切豆腐那样切削一般金属材料。特种钢按用途不同可分为磁性钢、耐磨钢、高温合金钢、低温钢、精密合金钢、电工钢等等。

发展现代化工业技术不仅离不开钢铁，而且还对钢铁材料提出了更苛刻的要求。例如，海洋工程用的钢材，需要很高的强度、韧性和耐海水腐蚀的能力；大跨度桥梁需要采用强度和韧性都很好的钢铁材料建造；发展航空航天技术则要求材料重量轻、强度高。对于这些特殊要求，一般碳钢无能为力，只有合金钢才能担负起这方面的重任。所谓合金钢就是在钢中另外加入铬、镍、钨、钛和钒等化学元素，它们可以使钢材增加某一特殊性能。常用的合金钢有合金结构钢、弹簧钢、高速工具钢、滚珠轴承钢、不锈钢等。例如，高压容器要用合金结构钢制造；不锈钢韧性好、耐腐蚀，主要用于化工设备。

自然界共有83种金属元素，通常按外观颜色分为黑色和有色金属两大类。黑色金属包括铁、锰、铬和它们的合金，其余种金属都可统称为有色金属。有色金属也是重要的金属材料，它是现代化工业的生力军。常用的有色金属有铝、铜、钛、镁、镍、钴、钼、铅、锡、锌、金、银和铂等，它们的消耗量虽只占金属材料消耗量的5％，但具有许多特殊的优良性能，是别的材料难以代替的。例如，它们的导电、导热性好，比重小，化学性质稳定，耐热、耐腐蚀，工艺性好等等，是电气、机械、化工、电子、轻工、仪表、航天工业不可缺少的材料。

彩色电视机图象中的彩色，就是加入稀土荧光粉产生的；打火机的火石也是由稀土制成的；陶瓷和玻璃品上漂亮而柔和的色彩，有些也是稀土的作用。

稀土当然不是“土”，就其资源来说，也并不稀少。它之所以叫稀土，是从18世纪沿习下来的。局限于当时的科学技术水平，人们以为能提取这类元素的矿物是一种稀少的、类似泥土的氧化物，故名稀土金属。其实，它是一大类金属，共有17种元素：镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、铽、镝、钛、铒、铥、镱、镥、钪、钇。它们好比孪生兄弟，性质都十分相似，因此，在自然界中总是共生在一起。它们在地壳中的含量比常见的金属如铜、锌、锡都多，现在已发现含稀土的矿物达二百五十多种。