术都已成为人类进化史上各个阶段的重要标志。从“钻木取火”到“炼金术”，
从“蒸汽机”到“电子技术”，从“计算机”到“宇航登月”，这些在人类
进化史上各个阶段的标志，已经载入了史册。现阶段的人类历史发展证明，
材料是实现工业、农业、国防和科学技术现代化的重要物质基础。材料科学
与信息科学、能源科学并列为现代人类文明的三大基础和支柱。而信息、能
源却又依赖着材料而发展。信息、能源的创新又使材料的生产和利用达到更
高的水平。各种新型材料伴随着高科技的涌现，导致某些产业部门的变革，
对世界经济和社会结构产生重大影响，从而使人类社会从低级向高级阶段推
进！
然而，材料科学的发展经历了非常艰难的年代。一代代的科学家们前赴
后继，谱写了改造大自然的伟大篇章。举例来说，从人类学会“钻木取火”
的那一天起，就梦想用一开就亮的方法照明。这个美梦却困扰了人类几百万
年。直到1821 年，英国科学家戴维（H．Davy1778～1829）和他的助手法拉第，
根据弧光放电原理制成了电弧灯。又经过美国的斯达尔、俄国的罗德金、英
国的斯万等为电灯实用化提出各种实验方案，最后，在 1881 年由爱迪生在进
行了 7895 次实验，试用了 1600 多种矿物和金属材料后，白炽灯才终于问世
了！可见对于一种造福于人类文明的技术，材料是一个重要的关键！选择适
合作灯丝的材料，没有成千上万次实验，没有研究、冶炼和制备材料的科学，
也许我们今天还在点蜡烛照明哩。
金属材料
金属材料是人类较早就开发利用，而且目前仍居世界主流的一类材料。
金属材料一般分为黑色金属材料和有色金属材料两大类。半导体材料和超导
材料也归入金属材料范畴。
钢铁
钢铁可以说是目前应用最广泛的材料。目前全球每年钢产量超过 4 亿
吨。修房造屋，铺路架桥，要用钢铁；制造机器、设备要用钢铁；制造飞机、
轮船、大炮要用钢铁。在战争期间，钢铁的消耗量更为惊人。1973 年埃及和
以色列之间爆发战争，双方 18 天内损失坦克达 2000 多辆，消耗钢铁约 10
万吨。
钢铁是从哪儿来的呢？
自然界存在有陨铁，是小行星进入大气层燃烧冶炼后得到的。我们用的
钢铁都是用铁矿石冶炼而来，其方法是：把铁矿石和还原剂（一般用焦炭）
加入高炉，从炉腰鼓入大量空气（或者是富氧空气），点火使焦炭燃烧，产
生高温的二氧化碳（CO2）气体，再与焦炭发生反应，得到还原剂一氧化碳
（CO）。在高温下，一氧化碳与铁矿石发生反应，还原出铁来成为铁水，而
其他杂质与造渣剂反应生成比铁水轻的渣浮在上面，除去渣就得到铁水。这
就是高炉炼铁。生成的铁水经过炉外精炼，就可得到铸造生铁。其余铁水装
入炼钢用的平炉、转炉或电炉中，在高温下通入氧气，使铁中的碳与氧气发
生反应，生成气体跑出来，再加入其他物质以控制其中氮、硫、磷等元素的
含量，就得到钢水。这就是炼钢。
铁按其中碳的含量来分类：
纯铁：纯度在 99．9％以上，是和锡类似的白色固体。它性能差，几乎没
有什么用途。
熟铁：含碳量低于 0．4％，韧性较好。
生铁：含碳量高于 1．7％，质地硬而脆，强度较高。
钢：含碳量介于 0．4％～1．7％之间。它性能良好，种类繁多，应用广。
生铁分为普通生铁和铸造生铁两类。普通生铁又叫炼钢生铁，仅用作炼
钢的原料。铸造生铁用于铸造各种零部件，以前多用灰口铁，其中的碳呈片
状分布在铁原子中。灰口铁熔点低，熔液的流动性好，适用于生产机床底盘、
农具、铁锅等强度高而不要求韧性好的用具。近年来人们又开发了一种新的
球墨铸铁，其中的碳呈球形分布在铁中。球墨铸铁机械强度高，加工性能好，
韧性有所提高，可以部分代替钢。
生铁中由于碳的含量高，使铁的脆性增加，韧性降低，而钢则由于含碳
量适宜，强度高又韧性好，因而应用广泛。钢主要分为两大类：碳素钢和合
金钢。
碳素钢又叫普通钢，其主要成分是铁和碳，其余元素含量虽然很少，但
也能影响其性质。例如，硅能增加钢的强度和硬度，但降低其韧性。锰能增
加钢的强度、硬度和韧性，提高耐磨性。磷和硫都是有害杂质，它们使钢在
高温下或低温下脆性增加，易破坏断裂。
碳素钢主要用作结构钢和工具钢。目前美国有 90％的建筑采用钢结构而
不用钢筋混凝土，高耸入云的摩天大楼几乎都是钢结构，日本也有 81．4％的
建筑采用钢结构。
在普通钢中掺入镍、钨、钼、钒、铜、钛、铝、钴、硅等元素，就可以
获得性质不同的合金钢。合金元素的加入使钢的性质发生了质的飞跃，获得
了许多优异性能。
第一个被认真研究的合金钢是锰钢，1882 年由英国的哈德苏尔德首先研
制成功。锰钢具有优良的耐磨性和抗震性，适用于制造碎石机和钢轨。后来
研制成功的高锰钢，含锰量达 80％，性极坚韧，是制造舰艇和坦克装甲的好
材料。
1912 年，英国人布里尔利把一定比例的镍、铬加入钢中，研制成功了不
锈钢。它具有极高的耐腐蚀性，在高温下也不会氧化。制造汽轮机叶片、耐
酸器件、飞机零件等都要用到它。我们日常生活中所用的不锈钢刀、叉、盘
等也是用这种合金钢生产的。
以铁、钴、镍为主要成分的耐热钢，可以在 800℃以上的高温环境中正
常工作。美国宇航局研制的钴基合金，工作环境温度可达 1150℃。而在钢中
加入锯，其工作温度可达 1300～1600℃。在美国“阿波罗”飞船上所用的一
种涂有钼的化合物，能在 2760℃的高温下工作。人们为什么对耐热钢如此感
兴趣呢？这是因为：有了高性能的耐热钢，可以提高火力发电站的蒸汽温度，
从而提高发电厂的热效率（目前发电厂的最高热效率仅为 40％）。而火箭喷
气发动机喷口的工作温度约 1380℃，没有耐高温的喷口，就难以提高火箭的
速度。人们在这方面的研究正逐步深入。
在古典小说中常写到削铁如泥的宝刀，而真正称得上削铁如泥的是硬质
合金钢，它是采用粉末冶金工艺制成的：把难熔的钨、钽、钛、钼等元素的
碳化物的硬质颗粒，与铁合金的粉末混合后压制成型，经高温烧结而成。硬
质合金钢的抗压强度极高，含钴 10％的碳化钨基合金，其强度可达 350～
370kg／mm2（kg 为千克， mm 为毫米），是世界上强度最高的合金。有的硬质
合金钢做成的刀具，在 1400～1500℃下仍然可以高速切削金属。
铝和铝合金
铝在地壳中含量为 7．45％，比铁（5％）还多，是一种资源十分丰富的
金属。但由于它化学性质活泼，与氧结合紧密，因此自然界中不存在天然铝。
铝的冶炼十分困难，人们直到 1854 年才用比氧更活泼的钠把铝从其氧化物中
还原出来，铝因而身价倍增。那时在皇宫中最为珍贵的不是金银钻石而是铝
制的工艺品和餐具。法国统帅拿破仑三世为了炫耀自己的财富，曾花重金为
自己制了一顶铝盔。后来人们发明了电解冶炼铝的方法，铝才得到了广泛应
用。
铝比重小，重量轻，可以用来代替钢铁。它不仅能使设备重量减轻很多，
而且强度高，不怕腐蚀，因而用途广泛。一架现代化的超音速飞机，铝和铝
合金占总重量的 70％；导弹上用铝达 10％～50％；美国“阿波罗”飞船上，
铝占金属总重的 75％；我国第一颗人造卫星“东方红”的外壳也是铝合金。
铝的强度不算低，当加入少量铜、锰、硅、镁等元素形成合金后，其强
度又显著提高，经过一定的处理，甚至会超过一些钢的强度，但重量却比钢
轻很多。有人估算，如果每辆汽车用 300 公斤铝代替钢，光美国一年就可节
省 29 亿加仑的汽油。
铝的导电性能也很好，虽比铜低却高于铁，但它比铜轻 2／3，并且铝导
线散热快，能通过较大电流而不会被烧坏。再加上价格便宜。因此近年来铝
导线数量显著增加。在现代集成电路生产中，人们也用真空刻蚀铝膜来联接
各元件。
铝的导热性能好，几乎是铁的 4 倍，因此在工业上多被用于生产热交换
器和散热器，铝制餐具也大量面市。你天天都在用铝，对吗？
铝容易加工成型，可压成薄板或拉成细丝。铝容易与氧发生反应而在表
面生成一层坚韧的氧化膜。这层膜性质稳定，有较强的抗腐蚀能力，因而适
用于制造防腐设备。
铝反光能力强，可制作反射镜。
铝是非磁性金属，可作为防磁的罗盘盒。
铝没有毒性，是良好的食品包装材料。
铝和铝合金用途很广泛，是一种神通广大的材料，随着科学的发展，铝
的家族还会不断增加新成员。不信，咱们走着瞧！
钛
钛在地壳中含量约为 0．6％，仅次于铝、铁、镁，居金属含量的第四位。
1791 年英国化学家格雷戈尔就发现了钛元素，但直到 1910 年，英国人亨特
才第一次在爆炸器中用钠还原四氧化钛，制得不到 1 克的纯金属钛。因为钛
的高温化学性质活泼，所以必须在与空气和水相隔绝的环境中进行冶炼，在
真空或惰性气体中提纯。因为冶炼技术困难，所以直到 1947 年，全世界才生
产出 2 吨钛。
钛比重小，仅为钢的一半，但强度比钢高。它抗腐蚀性强，甚至能抗王
水的腐蚀。它熔点高，比黄金还高 600℃左右。如此优异的综合性能在金属
中少见，因此钛受到重视。
钛是属于太空时代的金属。它的高强度、小比重的性能，特别适用于生
产超音速飞机和航天器。美国 70％的钛用于航空航天，美国 YF—12A 型战斗
机，用钛量达 93％。
钛的耐高温性能好，是制造涡轮喷气发动机的理想材料，它几乎可以取
代不锈钢和铝合金。利用钛合金代替不锈钢，可使发动机的重量减轻 40％～
50％。
由于钛的抗腐蚀性能好，可用它制造深海潜艇，去探索海底的秘密。钛
也可用于生产化工行业的反应器等设备。
钛目前存在的问题是冶炼困难，产量低。如果在冶炼技术上取得突破，
钛就有可能代替钢铁。因而它被称为“21 世纪的金属”。
形状记忆合金
1961 年，美国海军研究所的一个研究小组领取了一批弯弯曲曲的镍钛合
金丝，人们把它们一根根拉直以便使用。但当它们偶然接近火时，又恢复了
原来的弯曲状态。人们经过研究，搞清了这是材料的一种新效应——形状记
忆效应。后来人们又发现了金镉合金、铜铝镍合金、铜锌合金、铜锡合金等
都具有记忆效应。
为什么会出现形状记忆效应呢？原来每种形状记忆合金都具有一定的转
变温度。在转变温度以上，金属晶体结构是稳定的；在转变温度以下，晶体
处于不稳定结构状态，一旦加热升温到转变温度以上，金属晶体就会回到稳
定结构状态时的形状。
形状记忆合金可以 100％恢复形状，并且反复变形 500 万次，也不会产
生疲劳断裂，因而具有许多奇妙的用途。
为了在月球上收集资料，人们需要有一架像大伞似的天线。而宇宙飞船
的空间有限，怎样才能把它带上天呢？可以用形状记忆合金做成天线，然后
在其转变温度以下叠成一个小球团，带到月球上后，经太阳光加热升温，它
就会像荷花一样徐徐展开成天线。多棒呀！
用形状记忆合金的制成玩具，即使不小心弄变形了，只要用火一烤，它
就会恢复原状。如果用形状记忆合金制造人造关节、人造骨骼等，即使发生
了变形，只要用火一烤就能恢复原状，而不用去找医生了。
还有一种设想是用形状记忆合金制造新型发动机：先让合金记住线圈的
形状，在常温下把它制成电线，把这条电线接在大小不同的两个圆盘上，在
圆盘的一侧加热水，另一侧加冷水。浸在热水中的合金要恢复线圈状，就要
收缩，于是带动圆盘旋转，把热能直接变成机械能，并且水越热，旋转的次
数就越多。用这种方法可以利用工厂、发电厂的废热水来做功，因而前景广
阔。
形状记忆合金开发利用面临的难题是：价格高，加工难。如果未来的研
究解决了这些问题，许多奇妙的产品就会出现在我们面前。
非晶态合金
把粘浆状的熔融金属高速冷却，就可得到性能与一般金属大相径庭的非
晶态合金。普通金属是原子排列很规则的晶体结构，而非晶态合金由于快速
冷凝，原子排列很不规则，不能形成晶体结构，因此它具有奇妙的特性。它
有良好的耐腐蚀性和电磁特性，并且是很好的超导材料和贮氢材料，因而被
称为“梦幻般的金属”。
由于非晶态合金具有优秀的电磁特性而又十分坚硬的特点，特别适于生
产现代化磁头，以便利用高性能的合金磁带。它比一般结晶磁头的耐磨性高
20％，日本 TDK 公司已开始生产这种磁头。
另一个利用方法是用非晶态合金制造变压器的铁芯。普通硅钢铁芯因发
热造成的铁损约每公斤铁芯 1．1 瓦，而非晶态合金仅为 0．4 瓦。但非晶态合
金怕高温，一发热就会变成晶态，影响变压器的性能，各国对此正在研究解
决办法。
氢是最佳的二次能源，广泛使用氢能的一个难题是氢的贮存，而非晶态
合金恰是一种良好的贮氢材料，它吸收和释放氢的速度很快，因而受到重视，
但贮氢量较小，有待进一步改善其性能。
一般材料做成的超导合金，在低温下质地较脆，难以加工，而非晶态合
金却具有适当的韧性和弹性，是一种优异的超导材料。
超导材料
我们日常生活中使用的一切物质都具有电阻，这是一般的常识。但是，
当物体的温度逐渐降低到绝对零度（零下 273．15℃）附近时，其电阻会变成
零。这就是超导现象。
超导现象�