高强度轻合金

高强度轻合金
1．锂与超轻合金
锂是最轻的金属，利用这一特性，可制成超轻合金材料。

例如，目前大量生产的锂镁合金，其密度为1.3～1.6克/厘米3，只有铝的一半，和聚氯乙烯塑料差不多，但强度却很大，塑性也很好。

这种超轻合金材料还有很强的耐冲击力、抗腐蚀力和防止高速辐射粒子穿透的能力。

它可用来制作宇宙飞船上的热防护舱和人造卫星、导弹弹头的包覆材料。

美国的阿吉纳—D末级制动火箭使用锂镁合金后，其重量减少了23千克，而火箭每减少1千克自重，可节省燃料费用数万美元。

美国麦道公司的科研人员研制出一种铝锂合金材料，可使未来的喷气式飞机重量减轻20％。

2．尖端金属——铍
金属铍的密度低、弹性模量大，说明引起其单位面积应变所需的力大，其弹性模量比常用的几种轻质材料如钛合金、铝合金、不锈钢均高出6倍。

因此，它在需要精确导航的导弹及潜艇的惯性导航中获得应用。

铍的热学性能良好，具有高熔点、高比热、高热导率、高热容量。

由于铍的热容量高，它的吸热能力强，具有良好的热膨胀适应性，当温度升高或降低时，其机械性能变化慢。

铍的热容量为铝的2.5倍，钛的4.5倍，因此铍可用来直接吸热。

在卫星、宇宙飞船、航天飞机重返大气时，同空气高速度摩擦而产生大量热，容易烧毁，若用铍来做防热外套非常适合。

高抛光的铍用于卫星等的红外观测光学镜中。

在金属中，铍的透X射线的能力最强，有“金属玻璃”之称，比铝强20倍。

在扩音系统中，由于音速较快，扩音器的共振频率越高，高音区能听到的声音的范围就越大。

铍的声音传播速度是12500米/秒，比其他金属都快，而声速为330米/秒，因此铍可作优质的扩音器振动片。

铍还是原子能工业之宝，它是一种效率很高的能提供大量中子炮弹的中子源。

铍的粉末和镭盐的混合物可用作最简单的中子源，每秒能产生几十万个中于。

中子轰击原子核，原子核分裂释放出巨大能量，同时产生新的中子。

铍不仅能散射中子，还能改变中子的运动方向，并降低中子的速度，以达到最有效的连锁反应。

铍的氧化物密度小、硬度大、熔点高达2450℃，而且能像镜子反射光线那样把中子反射回去，有很高的抗辐射能力。

铍青铜含铍1％～3.5％，其强度约为其他铜合金的2倍，并保持高的热导率和电导率，具有优良的加工工艺性能，无磁性，用途极广。

用铍青铜制成的弹簧，可以使用几亿次以上，在电子仪表工业中大量用作开关、簧片、游丝等的材料。

由于铍青铜的耐磨性很好，在计算机和许多民用航空飞机中，用铍青铜制造轴承。

例如，美国航空公司用铍青铜代替铜轴承，使用寿命由8000小时提高到28000小时。

电力机车和电车的输电线用铍青铜制作，不仅耐磨、耐蚀、强度高，而且导电性能很好。

由于铍青铜在冲击时不产生火花，在石油、化工、火药等工业中的各种操作工具均可用铍青铜制作，以防止爆炸。

由于铍青铜有很高的硬度、强度和良好的导热性、铸造性，可直接铸造出精度极高、形态复杂的模具，而且光洁度好、图案清晰，生产周期短，旧模具可反复使用，节省成本，现已用来制作塑料模具、压力铸造模具、精密铸造模具、腐蚀性模具等。

铍镍合金（如NiBe）具有超高强度和弹性以及稳定的导电性，其工作温度可提高到250～300℃，而且抗疲劳强度、耐磨性、耐热性、抗腐蚀性均比铍青铜高，可用来制作在300℃条件下工作的重要弹性元件，如自动导航元件、电传打字机簧片、航空仪表发条、继电器簧片等。

含镍铍青铜不会被磁铁所吸引，不受磁场磁化，所以又是制造防磁零件的好材料。

目前，密度小、强度高、弹性好的铍已经作为反射镜用到高精度电视传真上，效果相当不错，而且发送一张照片只需几分钟。

3．铝与坚铝
铝的导电性仅次于银、铜，被大量用于电器设备和高压电缆。

铝是热和光（包括紫外光）最好的反射体之一，因此它被用作绝热材料以及反射望远镜中的反射镜。

世界上最大的望远镜中的反射镜就是喷涂铝的。

铝可以制宇航器材，以减少紫外线对人体的危害，有一种宇航服的内层就是由镀有金属铝的八层化纤织物制成的。

铝还有良好的吸音性能，一些广播室、大型建筑天花板就采用铝来吸音。

铝在低温环境中强度和机械性能仍很好，所以铝不但可以作冷冻食品运输、储存的装置以及寒冷地区的建筑物材料，而且还可用于火箭的液氢、液氧储存箱等零件。

铝在温度低于2开以下成为超导体。

铝在建筑上大显身手，铝有良好的抗腐蚀性能。

莫斯科克里姆林宫里的议会大厦是用铝和玻璃建造的。

现在铝合金已用于桥梁、大厦、飞机库和水下建筑等方面。

运输工具大量采用铝。

在国防工业上铝也有很广泛的用途。

用铝制成的舰艇，不仅速度快、不被海水侵蚀，而且没磁性，能防止磁性水雷袭击。

铝中加入少量的铜、镁、锰等形成坚硬的铝合金，这种铝合金叫坚铝。

坚铝具有坚硬、美观、轻巧、耐用、长久不锈的优点，是制造飞机的理想材料。

据统计，一架飞机大约有50万个坚铝做的铆钉，用铝和铝合金材料制造的飞机元件重量占飞机总重量的70％。

人造卫星的外壳是铝合金；人类首次登月的登月舱外壳也是用铝和钛的合金制成的。

国外已用铝质合金铺设火车轨道，汽车工业、机器制造业也已用铝代替部分钢铁。

据报道，美国因推广铝制汽车而节约的能量相当于当年美国生产铝所需的全部电力。

4．空间金属——钛
钛及其合金首先用于制造飞机、火箭、舰艇等。

当飞机的飞行速度超过音速的2至3倍时，机翼前缘和空气磨擦产生的温度可高达400～500℃。

不锈钢和铝镁合金在这种温度下已失去原有性能；而钛有很好的耐热、耐冷性能，从－250℃～500℃这样宽的温度范围内，都能保持高强度。

因此，钛合金便以其优异性能在飞机制造方面逐渐取代铝。

钛作为空间金属，可以让飞机飞得更快。

美国每年生产的钛中，75％用来制造飞机的机体构件和发动机部件。

一架巨型喷气式运输机用钛量可达几吨甚至几十吨；有些超音速远程截击机可称为“钛飞机”，用钛量占其结构总重量的95％。

例如，美国制造的一架时速大于3000千米的“黑鸟”超音速喷气式飞机，机身就是用钛制造的。

前苏联“图—144”超音速飞机的外壳、机舱和方向舵等都是用钛制造的。

美国的“SR—71”侦察机每小时能飞3500千米，为音速的3倍，其主要部件也是用钛合金制造的。

钛合金在宇宙空间也大显神通。

火箭、导弹、人造卫星、宇宙飞船等要求材料既轻又强韧，比强度（物质的强度与密度的比值）大，并且在高、低温条件下都具有良好的性能。

钛是目前所有金属材料中比强度最大的金属，所以，导弹、火箭的外壳，宇宙飞船的船舱、骨架，火箭、导弹的燃料、氧化剂储存箱和其他高压容器，都要用钛和钛的合金来制造。

由于在宇宙真空中钛容易焊接和切割，所以在太空站组装设备时，钛被选作主要的结构材料。

飞行器质量的一点点“减轻”，就能节省燃料、加快速度、延长航程。

例如，远程导弹每减轻1千克可以增加射程7.7千米，未级火箭每减轻1千克，可减少30～100千克的发射总重量，射程可以增加15千米以上。

用钛制造潜艇，既能抗海水腐蚀（一块钛片沉入海底5年不生锈），又能抗深层压力（其下潜深度比不锈钢潜艇增加80％，达4500米）。

1977年前苏联制造了当时航速最快的潜艇，共用去500多吨钛；不久又建造了骨架达3万吨的超大核潜艇，这种核潜艇不仅轻快，而且没有磁性，不会被水雷发现，具有很好的自我保护作用。

在水下实验室的建造与维修、海底打井、打捞沉船、海底勘探、潜艇补给等方面，钛也起着极其重要的作用。

5．合金的维生素——钒
钢铁工业中钒的消费约占世界钒总供应量的85％，钒是重要合金钢的添加元素。

它既是一种脱氧剂，又能强化合金钢，被誉为“合金的维生素”，因此许多合金钢中都加入钒。

在钢中加入1％的微量钒，能细化钢的组织和晶粒，提高晶粒粗化温度，从而降低钢的过热敏性（弹性显著增加），并提高钢的强度和韧性，使它具有良好的抗冲击和抗弯曲能力，不易磨损和断裂。

因此，汽车的发动机、弹簧、曲轴、齿轮等，都要用钒钢制造，难怪人们赞誉钒是“汽车的基础”。

当时汽车大王亨利·福特说过：“假如没有钒，也就没有汽车的今天。

”用了钒钢制造汽车后，重量大大减轻，节省了许多原材料，并使成本降低，汽车销量增加，福特由此发了大财。

在普通碳素钢中掺进一点钒，冲击强度、弹性就可以大大提高，适宜制造船舶、飞机和低温器械的重要部件。

用钒钢制作的钢盔既轻又薄，能可靠地防御敌人的子弹和弹片。

在铸铁中加一点钒，就成了高质量的钒铁，制成的活塞环、铸模、轧辊和冷锻模，结实耐用、坚硬耐磨，使用寿命延长一倍。

钒的合金还具有特别强的抗蚀能力。

钒钢合金常用于制船舶的推进器。

钒铝合金用来制造汽艇、航标灯和水上飞机；钒铌合金是制造原子反应堆不可缺少的结构材料。

钛工业消耗的钒约占钒总消耗量的7％～10％，主要用于生产钛合金。

钒钛合金具有重量轻、强度高的特点，主要用于飞机、火箭的结构材料，也用于海上钻井平台的立管以及汽车发动机的部件、弹簧等。

钒基合金、铁钴钒合金是主要的磁性材料。

这里钒的主要作用是提高合金的强度、可塑性、可加工性及电阻。

例如，以Co—Fe或Co—Fe—Cr合金为基体，添加7％～10％的钒，可制成高矫顽力磁性合金，可用作永久磁铁、滞后电动机的转子材料。

含钒10％的钛、镍合金是一种具有振荡频率不随温度变化的弹性材料，可用作音叉。

含15％～30％钒的钴合金以及含0.2％～2.8％和4％～5％钒的钴镍合金，均具有良好的高温强度以及抗空气氧化和废气腐蚀的能力，可用作飞机、火箭与涡轮机的材料。

含2％～8％钒的镍、铬、铝合金具有较高的电阻系数，可用作电热合金、电位差计与电子仪表材料。