第1章绪论
1.1金属材料简介
1.1.1金属材料的发展历程
金属材料是人类赖以生存和发展的物质基础，对人类社会的发展具有重要的推动作用。金属材料的每一次重大突破，都会引起社会生产力的鲜明变革。原始社会人类主要用石器作工具，随着人类文明的进步，我们的祖先又发明了陶瓷，使得生产力得到了一定的提高。烧制的陶器和瓷器为冶炼技术的产生提供了技术支撑，随着人类冶炼矿石，出现了铜及其合金——青铜。在冶炼铜及其合金的过程中，人类不仅获得了宝贵的经验，还大幅提升了社会生产力，迈入了铁器时代。铁器时代迅猛发展，并逐渐过渡到钢铁时代。一个国家的工业水平往往由其钢铁工业的发展程度决定。
钢铁的发展促进了科学技术的进步，反过来又推动了钢铁和其他有色金属的发展。随着社会的进步，各种合金不断涌现，常见的合金有钢铁、铜合金、钛合金、镁合金等，特种合金有耐蚀合金、磁性合金、耐热合金和镍基高温合金等，新型合金有轻质合金、储氢合金、超耐热合金、形状记忆合金等。合金是通过合金化工艺将其他金属或非金属元素添加到一种或两种基础金属中形成的具有金属特性的材料。
合金的分类通常以含量较大的主要金属(基础金属)元素命名，如铜合金和铝合金，其性能主要保持基础金属的特性，但少量的其他元素会对合金性能产生显著影响。例如，铁中添加少量碳元素能大幅提高强度，铁磁性合金中的少量杂质会显著改变磁性。合金具有以下特性：*先，大多数合金的熔点低于其单一金属的熔点；其次，合金的硬度通常更高；再次，合金的导电性和导热性较低，因此适合制造高电阻和高热阻材料；*后，一些合金还具备出色的耐腐蚀性。例如，在铁中加入15%的铬和9%的镍制成的高铬高镍不锈钢非常适合用于化学工业。合金因其优异的性能被广泛应用于日常生活、工业生产及国防等各个领域。例如，铝合金被广泛应用于汽车、飞机等制造行业，镁合金被广泛应用于医疗器械、健身器材等领域。合金的应用极大地提高了人们的生活水平，加快了社会的发展。
1.1.2航空航天金属材料
许多金属材料因其优异的力学性能(如高强度、良好的塑性、韧性和导电性)被广泛用作结构材料。结构材料是以力学性能为基础，主要以制造受力构件所用的一类材料。金属材料不仅是国家建设的基础材料，也是用量占比*大的结构材料，更是支撑我国制造业转型升级和跨越发展的关键因素。面向国家重大需求，截至2023年，我国金属材料领域的科学家和工程技术专家在材料设计、材料制备、材料应用、材料表征、模拟计算等方面均取得了重要进展。航空航天金属结构材料，主要包括先进高强钢、镍基高温合金、高强钛合金等，比传统金属结构材料具备更优异的抗疲劳、耐腐蚀和耐高温等特性。下面针对先进高强钢、镍基高温合金、高强钛合金三种典型的航空航天金属结构材料进行详细介绍。
1.先进高强钢
随着汽车工业的不断进步，燃油经济性、低碳排放及对安全性更高的要求，均对车身轻量化提出了新的挑战。未来汽车工业的发展方向主要是轻量化和节能降耗，而高强钢的发展和应用仍是汽车用钢的核心方向和钢铁企业的竞争力所在。目前，钢铁在国内整车质量中的比例为65%～70%，即使考虑到非钢轻量化材料的替代作用，钢铁仍将在相当长的时间内继续作为我国汽车生产的主要材料[1]。先进高强钢具有高强度和良好的成形性能，已广泛应用于车身结构件和安全件中。使用先进高强钢旨在实现汽车质量更轻、材料更薄、燃油效率更高，同时具备良好的耐碰撞性，*大程度保障乘客的安全。先进高强钢能够帮助汽车制造商满足日益严格的安全、减排和性能要求，并且具有成本优势。汽车先进高强钢的研发及其在轻量化中的应用技术，是实现汽车节能减排和提高被动安全的重要途径，也是全球各大钢铁和汽车企业争相开发的技术高地。
根据国际上对汽车用钢的研究，汽车用高强钢的抗拉强度为270～780MPa，而抗拉强度在780MPa以上的钢称为超高强钢。汽车用先进高强钢包含高强钢和超高强钢。汽车用先进高强钢主要包括双相(dual phase，DP)钢、相变诱发塑性(transformation induced plasticity，TRIP)钢、复相(complex phase，CP)钢、孪晶诱发塑性(twinning induced plasticity，TWIP)钢、马氏体(martensitic，M)钢和淬火延性(quenching-partitioning，QP)钢等。与传统高强钢相比，先进高强钢主要通过相变强化钢种，而传统高强钢则多以固溶、析出、细化晶粒等方式强化钢种[2]。
先进高强钢同时具备高强度和优良成形性能，从而使强塑积(抗拉强度与伸长率的乘积)成为衡量汽车用钢的重要性能指标。根据强塑积的不同又将先进高强钢分为三代：**代以DP钢和TRIP钢为代表，强塑积为10～15GPa%；第二代以TWIP钢为代表，强塑积在40GPa%以上；第三代以QP钢为代表，强塑积在15～40GPa%。DP钢具有低屈强比和高加工硬化性能，是结构类零件的*选材料之一，应用广泛。TWIP钢是一种高锰奥氏体钢，具备高强度和极高伸长率，但因合金含量高，生产成本高且工艺复杂，限制了其广泛应用[2]。
DP钢的显微组织为铁素体和马氏体，马氏体组织以岛状弥散分布在铁素体基体上，具有低的屈强比和较高的加工硬化性能，在同等屈服强度水平下，低合金钢具有更高的强度，是结构类零件的*选材料之一。在已开发的先进高强度钢板产品中，高强度DP钢板是汽车中应用*广泛的钢材之一。为满足汽车工业发展需求，本着降低汽车自重、减少能源消耗、提高防腐蚀性能、降低生产成本的目的，汽车用双相钢正向着高强化、镀锌化、细晶化方向发展[3]。
TWIP钢是一种高锰奥氏体钢，其锰含量(质量分数)在15%～30%，室温下为奥氏体组织，在塑性变形过程中，通过产生孪晶来细化晶粒，阻碍位错运动，从而提高材料的加工硬化率，得到高强度和极高伸长率，同时具有高的能量吸收能力。由于TWIP钢的合金元素含量高、强度大，冶炼、连铸难度大，轧制和板形控制困难，因此如何实现TWIP钢的工业化生产是一个难题。此外，TWIP钢的冶炼、连铸工艺，钢材的延迟断裂、切口敏感性及可涂镀性能都是阻碍这种钢材得到广泛应用的生产技术难题。
QP钢由TWIP钢发展而来，通过淬火-碳分配工艺得到由马氏体和残余奥氏体组成的组织，具备超高强度和相变诱发塑性效应，可用于车身骨架件和安全件。QP钢相比DP钢，在强度、延展性、冲压成形性能方面表现更优异，广泛应用于汽车轻量化领域。然而，高强钢在氢环境中易发生氢致延迟断裂(氢脆)，导致突然脆断，科研机构和相关企业正在深入研究解决这一问题的方法[4]。
总之，高强钢在汽车工业中发挥着重要作用，通过其高强度和优良成形性能，有助于实现车身轻量化、节能降耗和提升汽车安全性。随着技术的不断进步，先进高强钢的应用将更加广泛，推动汽车工业的发展。
2.镍基高温合金
在现代燃气涡轮发动机中，高温合金材料使用量超过50%，其中镍基高温合金就占到了40%。镍基高温合金因其在中温、高温环境下表现出的优异综合性能，被广泛应用于航空航天领域中的工作叶片、涡轮盘和燃烧室等关键结构部件。这些合金能够在高温下长时间工作，同时具备出色的耐腐蚀性和抗磨蚀性能，因此对我国航空航天事业的发展具有重要意义。
镍基高温合金以镍为基体元素，在650～1000℃表现出较高的强度和良好的抗氧化性、抗燃气腐蚀能力。为了满足1000℃左右的高温需求，在Cr20Ni80合金的基础上，加入多种强化元素，如钨(W)、钼(Mo)、钛(Ti)、铝(Al)、铌(Nb)和钴(Co)等，从而确保其优越的高温性能。强化机制包括析出强化、晶内弥散强化和晶界强化。添加Cr提升抗氧化性和耐高温腐蚀性能。镍基高温合金广泛应用于航空航天、汽车、通信和电子工业，随着性能要求的提高，新加工工艺，如等温锻造、挤压变形等被开发[5，6]。
镍基高温合金根据制造工艺可以分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末冶金高温合金，根据强化方式则分为固溶强化高温合金、时效强化高温合金和氧化物弥散强化高温合金。镍基合金通过与其他元素组成不同的体系，如Ni-Cr系、Ni-Fe-Cr系、Ni-Cr-Mo系等，展现出各异的性能。
镍基变形高温合金的基体是面心立方结构的奥氏体(γ相)，其主要强化相为γ′(Ni3(Al，Ti))相，体积分数为20%～55%。此外，还有一种强化相为γ″(Ni3Nb)相，在700℃以下发挥主要强化作用。由于变形高温合金的塑性较低、变形抗力大，尤其是γ′相含量高的强时效强化型镍基变形高温合金，需要采用钢锭直接轧制、钢锭包套直接轧制和包套镦饼加工等新工艺。加入镁元素进行微合金化和弯*晶界热处理工艺也有助于提高塑性。
随着使用温度和强度需求的提升，高温合金的合金化程度不断增强，这使得热加工成形变得更加困难，因此需要采用铸造工艺来生产，尤其是对于内部具有复杂型腔结构的空心叶片，只能通过精密铸造工艺来制造。镍基铸造高温合金以γ相为基体，通过添加铝、钛、铌、钽等元素形成强化的γ′相。同时，钴元素的加入有助于提高γ′相的溶解温度，从而提升合金的使用温度。钼、钨、铬等元素通过强化固溶体来增强合金的强度，而铬、钼、钽形成的碳化物可以强化晶界，铝和铬则有助于提高合金的抗氧化性。然而，铬含量过高可能会降低γ′相的溶解度和高温下的强度，因此需要适当控制铬的含量。铪元素的添加可以改善合金在中温下的塑性和强度，适量添加硼、锆等元素则可以进一步强化晶界[7]。
粉末冶金工艺生产高温合金能够解决合金成分偏析和组织性能不均匀的问题。由于粉末颗粒小、冷却速度快，有利于消除偏析，改善热加工性能，使得原本只能铸造的合金变成可热加工的变形高温合金，从而提高屈服强度和抗疲劳性，为生产更高强度的合金提供了新途径。
3.高强钛合金
钛合金因其密度小、比强度高、耐腐蚀性和成形性好、成本低等优点，在航空、航天、船舶、核工业及兵器工业等领域有广泛应用，被列为国防科技关键技术及重点发展的基础技术。在航空领域，钛合金是飞机机体结构的主要材料。例如，我国第二代战斗机机体结构用材中钛合金占80%以上，第三代战斗机机体结构用材中钛合金仍占60%～70%。钛合金在航空应用方面取得了显著进展[8]。
高强钛合金指抗拉强度在1000MPa以上的钛合金，代表国际先进水平，在飞机上实际应用的高强钛合金主要有β型钛合金(如Ti-1023、Ti-15-3、β-21S)、α-β型两相钛合金(如BT22)及我国的TB10等[9]。表1-1为几种典型高强钛合金的性能和特点。
我国对高强钛合金的研究始于20世纪60年代，国内一些科研单位自主研制了多种高强钛合金，并取得了一定的成就。其中，北京有色金属研究总院自主研发的TB10合金是*具代表性的成果之一。TB10(Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al)合金是在改进TB2(Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al)合金的基础上研制而成的高强高韧近β型钛合金，具有高比强度、良好的断裂韧度和高淬透性等优点，其Φ60mm棒材目前已经在我国航空领域得到了实际应用。由于航空航天工业需要轻质且高强度的钛合金，高强钛合金成为全球多国争相研究的重点领域之一。然而，现有钛合金在强度(尤其是强韧性匹配)方面仍未完全满足航空航天工业的要求，此外，高强钛合金成本较高、性能对工艺参数敏感等问题也限制了其应用。
1.2金属材料的研发
事实上，材料科学领域的发展与几个世纪以来科学和技术的总体发展是一致的。几千年来，实验研究几乎都是纯经验主义的，这与冶金学在“时代”(石器、青铜、铁、钢铁)上的观察一致。几个世纪前出现了经验科学和理论科学(模型)，其特征是用数学方程的形式表述各种定律；在材料科学中，热力学**定律就是一个很好的范例。对于许多科学问题，理论模型随着时间的推移变得过于复杂，解析解不再可行
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