材料人報告｜十年來金屬材料研究成果、熱點分析

金屬材料與人類文明的發展和社會的進步有著十分密切的關系，有著廣泛的工業和生活應用，發展歷程也較為久遠。一般分為黑色金屬、有色金屬和特種金屬三大類。

本文基于Web of Science檢索平臺，通過論文文獻計量分析方法對2008年以來金屬材料領域（黑色金屬、有色金屬）的研究成果進行了整理和分析，希望有助于更好地了解國內外研究現狀和未來的發展趨勢。

一、黑色金屬

我國的黑色、有色金屬礦產資源豐富，在規模、技術、人才、資金等方面均處于世界前列。隨著“一帶一路”戰略的推進，為我國黑色金屬、有色金屬的產能合作提供了巨大的國際市場，也為全球共同發展的實現提供了劃時代的意義。作為供給側結構性改革的先行者，中國鋼鐵行業積極化解過剩產能，中國鋼鐵消費由持續增長向“峰值平臺區”轉變，單位 GDP 粗鋼消費強度回落，單位投資粗鋼消費強度下降。截止2017年，我國查明保有鐵礦資源儲量為8.489×10¹⁰t，鐵礦區為4790個，對外依賴度從2005年的39%增長到當前的90%左右，嚴重影響著鋼鐵產業經濟安全^[1,2]。

鋼鐵是黑色金屬領域中的基本結構材料，有“工業的骨骼”之稱。首先，在Web of Science平臺以“Steel”為關鍵詞檢索了2008-2018年以來的論文數量統計情況，結果如圖1所示。我們發現，自2008年以來鋼鐵領域的研究論文數量呈現出穩步上升的態勢，特別是在2012年進入快速發展階段，接著在2013-2017年期間數量變化較為平穩，年論文量維持在80000左右，約為2008年的4倍，最后在2018年以后又出現了快速增長。

圖1 以“Steel”檢索得到的2008-2018年期間的論文數據

圖2為該檢索結果中主要的貢獻國家及其對應的分布比例。可以看出，主要國家有：中國、美國、日本、德國、法國、印度、英國、南韓等，其中，我國在數量上占據絕對優勢，所占比例超過一半。研究類型主要包括專利、論文、會議等，研究方向覆蓋工程技術、材料科學、冶金工程、化學、儀器儀表、物理、力學等眾多領域。

對論文的研究方向統計發現，1990-2009年期間，不銹鋼的研究主要圍繞著：沉淀階段的新發現（析出相、取向關系、相圖）；預防、緩解不同問題的新建議及其新的測量、檢測方法；表面、體積改性技術（激光噴丸、晶界工程、晶粒細化）。隨后，研究熱點集中到：相預測、堆垛層錯能、超塑性、再結晶動力學、力學性能計算等方向。2016年以后，不銹鋼領域出現一些新型的應用，例如，使用奧氏體不銹鋼的磁記錄特性進行簽名認證、σ相的低溫磁性轉變進行熱點檢測、磁性藥物靶標等^[3]。

圖2 主要研究國家比例

接著，分別以carbon Steel、alloy steel、cast iron為關鍵詞進行了檢索，結果如圖3所示。觀察發現：（a）三個領域在2008-2018年期間整體表現出逐年增長的趨勢，其中以合金鋼和碳素鋼的增長最為明顯；（b）在2014年-2016年期間，三個領域均處于平緩發展階段，接著到2018年又出現了較大的增長。

圖3 黑色金屬研究成果統計

鑄鐵作為曲軸、剎車片以及制動桿殼體等零部件的重要結構材料，現有的研究方法主要是通過控制和優化生產工藝，控制鐵素體數量、球化處理和孕育處理等手段，以滿足高/低溫、強腐蝕等惡劣和苛刻服役環境。

碳素鋼方面，有大量的研究集中在晶粒細化工藝和機制上面，比如在低碳鋼中通過形變誘導鐵素體相變（DIFT），即A_r3以上溫度變形過程中發生的相變，可使晶粒尺寸達到3μm，從而得到超細晶粒組織。

微合金鋼是在普碳軟鋼和普通低合金高強度鋼的基礎上迅速發展起來的工程結構用鋼，關于微合金化方面的研究，自2006年以來國內外已有大量的研究，目前已經基本上形成了完整的體系和元素作用機制闡述。采用鈦、釩、鈮、硼、鋁、鋯、鉭等進行微合金化處理，晶粒尺寸可細化至1μm左右。

中國工業化和城鎮化的前、中期，建筑業是中國經濟發展的命脈。其以碳素鋼所占比例超過50%，其次為低合金鋼和微合金鋼，主要應用于汽車制造業和造船工業。目前，品種結構調整、滿足國內外裝備制造業提升的需求是中國鋼鐵工業適應未來社會發展的重要任務。

圖4為一些檢索刊文數量比較靠前的期刊。可以看出，黑色金屬領域的研究已經側重于工業生產和實際應用，而理論方面主要集中在腐蝕、電性、磁性等物理和化學方向。

圖4 主要期刊和檢索數據統計

鋼的選擇和應用取決于相對經濟性，而不是最高的個別性能和特殊性能。不僅取決于強度、韌性、成型性、焊接性和反復使用性，而且取決其生產的總體成本、制造加工性能及服役壽命^[4]。

二、有色金屬

有色金屬，亦稱非鐵金屬，是除鐵、錳、鉻以外的所有金屬的統稱。按目前的應用場景和研究熱點主要包括鋁、銅和鈦及其合金三大類。圖5、6、7分別為以Non-ferrous metal、Al/Cu/Ti alloy為關鍵詞檢索得到的研究成果數量統計、主要國家的研究比例分布和刊文量靠前的期刊匯總。

（1）鋁及其合金

從圖5（Date：2019/6/19）可以看出，鋁合金類的研究在2009年開始進入快速增長階段，研究成果數量從2008年的2500增加到2018年的12500，在十年期間內的增幅接近5倍之多，且增勢無緩減之意。

圖5 有色金屬研究統計

鋁合金品類繁多，常規使用的多達450種，很多新型的鋁合金還處于研發階段，具有高強度、耐腐蝕、良好的抗沖擊性和抗振性、密度低、回收利用率高等優點，主要應用于交通運輸、航空航天、電子電氣領域，也是航天器和飛機輕量化的首選材料。其中具有代表性的是為適應航空航天器高機動性、高載荷、高可靠性、高抗壓和耐疲勞而研制的高強高韌鋁合金，一般采用粉末冶金、噴射成型等方法制備。

圖6為在三個領域中各個國家的研究比例對比。根據圖6的檢索數據顯示，過去十年期間，我國在鋁合金和鈦合金類領域的研究成果數量位居第一，遠遠超過美國、日本、俄國、加拿大、英國等其它國家。此外，我國鋁合金加工技術起步較晚，但發展速度非常迅速，在某些領域已經達到國際先進水平。目前，交通運輸業鋁合金材料使用量已經超過25%，汽車行業使用量超過15%，商用飛機使用量超出結構總量的75%。2016年，我國鋁合金加工材料的實際產量超出3200萬噸，并保持每年6%的速度增長^[5]。

圖6 不同國家的研究分布對比

對檢索結果分析發現，目前國內外鋁合金的發展趨勢主要有：

a)優化產能結構，研制更高性能的產品；

b)開發鋁基復合材料；

c)綜合利用技術、再生技術以及回收技術，實現產業結構升級，往節能降耗、高速高效和精簡連續的方向發展；

d)創新工藝設備，改善生產加工方式，提高生產質量和生產速度，向大型化、精密化、自動化和緊湊化的方向發展；

e)重視科技創新與信息開發，對生產過程進行自動化和現代化管理，制定科學的管理機制。

（2）銅及其合金

銅及其合金因為良好的導熱、電性和優異的加工性能廣泛應用于汽車、航空航天和電子領域，銅合金材料經過幾十年的研究與發展，目前已經形成了幾個主要的系列合金：Cu-Fe、Cu-Cr、Cu-Ni、Cu-Ag、Cu-Mg系和彌散強化合金。

從圖5、6可以看出，銅及其鈦合金類的研究相對鋁合金類的研究成果數量較少，在2008年-2018年期間的研究成果數量增幅不是很明顯，僅為1倍左右，而且與鋁合金類的研究成果數量差距呈現出逐年增加的趨勢。在銅合金研究成果數量方面，以美國為首，我國次之，日本、印度和俄國緊隨其后。

目前，該領域的研究側重于制備過程中合金相的形成、轉變和遺傳，以及合金相均勻和合理分布等方面。在材料計算方面，主要研究包括第一性原理計算、有限元模擬、Miedema理論、固體分子經驗電子理論（EET）等。在制備技術方面，例如，目前制備高強高導銅合金的方法有：銅基原位復合材料法、高密度孿晶強化法、快速凝固法、Conform+ 冷加工法和大塑性變形法。

銅合金的發展方向將沿著合金多元化、大規模產業化、低能耗和低污染的道路前進。研究重點從強化機理和微觀組織演變規律等方面，逐漸轉向結合新型的加工方法和表面改性技術努力實現工業化生產。

（3）鈦及其合金

鈦合金因為密度低、比強度高、比模量高、低溫性能好、耐腐蝕性好、無磁、生物相容性好等優異的綜合性能，有“海洋金屬”、“太空金屬”、“全能金屬”之稱，在航空航天、汽車、石油化工、醫療器械等國民經濟領域有著廣泛的應用。

從圖5、6看到，目前國內外在鈦合金方面的研究保持著良好的發展勢頭，從2008年開始，在研究成果數量方面保持著30%-40%的年增長率。在過去十年的檢索總量方面，我國居首，接著依次為俄國、美國、印度和日本等其它國家。

自2011年開始，伴隨著國家各種利好政策的頒布實施，以及航空航天、海洋船舶等大型項目的拉動，我國鈦合金領域的研究進入高速發展階段。目前，我國已研制成功的鈦合金種類接近一百多種，60%左右已列入國家標準，并形成了高溫鈦合金、結構鈦合金、船用鈦合金系列、耐蝕鈦合金以及醫用鈦合金等5大系列^[6]。

圖7為Web of Science上檢索到的我國鈦合金領域的主要科研機構及其科研成果數量（檢索詞：Ti/Titanium alloy，檢索時間：2019/7/1）。可以看出，我國超過一半以上的研究機構為高校和科研院所，如西北工業大學、哈爾濱工業大學、金屬所、上海交通大學、西北有色金屬研究院、北京科技大學等，而企業自主研究方面的成果則相對較少。國內鈦合金布局相對集中，主要分布在華東、西北及東北片區。

圖7 我國鈦合金領域的主要科研機構

鈦合金的未來研究方向大致有^[7]：

a)大型熔煉及加工裝備：2014年TC4鈦合金型材的研制成功使我國成為繼美國、俄羅斯之后第3個掌握鈦合金型材生產技術的國家。雖然我國科研院所和企業在合金成分、性能、加工工藝等開展了大量的研究成果，但在大型熔煉和加工設備研制方面的研究較少，與國外仍存在一定的差距；

b)表面處理技術：船舶零件、橋梁構件等要求鈦材表面具有優異的耐蝕性；齒輪、軸承等要求具有良好的耐磨性；作為電極使用時，還需具有良好的電活性；用于骨科器械、血管支架時，還要有生物活性；作為首飾、手表時，還要有很好的裝飾性。目前，鈦合金表面處理技術的來源主要有：一類是傳統表面處理技術，包括熱滲鍍、氣相沉積、三束改性、轉化膜、熱噴涂等；另一類是新型技術，如液相等離子體技術、輝光等離子表面冶金技術等。在新型表面處理技術方面，我國仍處于起步階段；

c)生物醫用鈦合金的設計及應用：“十一五”期間，西北有色金屬研究院、上海交通大學、哈爾濱工業大學、中國科學院金屬所等機構率先從事了生物醫用鈦合金研制，但在核心專利、前沿科技應用和交叉學科領域仍與國際先進水平存在一定的趕超距離。

圖8匯總了以Al/Cu/Ti alloy為關鍵詞檢索得到的2008 -2019年期間發文量靠前的一些期刊（Date：2019/6/19），其中，Adv Mater Res、Journal of Institute of Metals、RMME分別以637/372/373排在最前。對SCI分區期刊的影響影子統計發現，MSEA、JAC、Materials & Design、Acta等是有色金屬領域比較受歡迎和青睞的幾個期刊。其次，稀有金屬材料與工程、金屬學報、有色金屬學報、特種鑄造及有色合金等國內期刊在過去幾年也刊載了較大數量的關于Al、Cu、Ti的合金組織、作用機制和加工工藝方面的論文成果。

圖8 有色金屬領域發文量靠前的期刊和檢索數量

參考文獻

[1]“黑色金屬礦產資源強國戰略研究”專題組，我國黑色金屬資源發展形勢研判，中國工程科學，2019,21（1）：97-103

[2]中國鋼鐵工業協會，中國鋼鐵工業轉型升級戰略和路徑[R]，北京：中國鋼鐵工業協會，2018

[3]K.H. Lo, C.H. Shek, J.K.L. Lai, Recent developments in stainless steels, Materials Science and Engineering R, 65 (2009) 39-104

[4]Leroy Gardner, Stability and design of stainless steel structures – Review and outlook, Thin-Walled Structures,?2019(141):?208–216

[5]張燕，鄭汝寧，試析鋁合金加工技術的現狀與發展趨勢，世界有色金屬-前沿技術，2018（3）：229-230

[6]王向東，逯福生，賈翃，2011年中國鈦工業發展報告，鈦工業進展，2011，29（2）：1-6

[7]何蕾，基于專利分析的我國鈦及鈦合金材料發展研究，新材料產業，2018（08）：34-38

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本文由胡凡供稿。

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