生物医用金属材料

第1章 金属材料相关基础 1.1 金属材料及其发展历史 1.1.1 金属材料在人类历史发展中的作用 人类的历史迄今已有约300万年。从古老的石器时代，到青铜器时代和铁器时代，再到钢等多元材料时代，人类历史就是一部材料不断发展的历史。材料技术的发展在推动社会生产力以及人类文明的进步中起到了至关重要的作用，其中金属材料的制造和使用被认为是人类从史前时代向文明时代转变的重要标志。 在人类发展的历史中，石器时代社会的发展极其缓慢，石器的使用时间*为漫长，大概占据了99%的历史。在不断探索和改进新的工具，以提高改造自然能力的过程中，人类发现了天然铜（红铜）。天然铜的强度低、致密性差，不适用于制造工具。但是，它可以经过加热锻造加工成不同器物。后来又逐渐从无意识到有意识地在铜内加入其他金属元素（铅、锌、银、锡等），发现和使用了具有更高强度的青铜合金。但是青铜中的其他金属元素含量高时，韧性变差，无法加热锻造加工。金属浇注工艺的出现使青铜器的加工技术发展逐渐成熟。中国*早大量出现青铜器是距今4000～5000年前。进入青铜器时代后，青铜冶炼技术用于制造生产工具，并进入渔猎、农耕、伐木、采石、纺织等生产活动中。这大幅度提高了社会的生产力，促进了社会经济和文化发展模式的变革。社会的面貌发生了根本改变，人类终于进入了文明时代[1]。 青铜器时代人类的生产、生活方式发生了巨大变化，但是青铜技术的发展也有自身的局限性。由于生产青铜所需的锡元素十分稀少，青铜器并不能广泛应用于当时的主要生产工具。铁矿相比铜矿的分布更广泛，并且铁器具有价格低廉、强度和韧性更高等优势。 距今4500年前，小亚细亚赫梯国制造出了*早的铁器。中国在春秋时代已经掌握了冶铁技术。铸铁柔化术和炒铁是我国古代的两个重大发明。铸铁炼制后缺乏韧性，因此不适合锻造加工性能良好的铁器。柔化技术可以获得适合锻造的可锻铸铁。通过炒铁技术，可以获得含碳量低的低碳铁甚至熟铁。随着铁器制造业的成熟，铁器工具被广泛应用于农业、手工业、商业、军事等领域。进入铁器时代，社会生产力得到极大的提高，社会的经济和文化出现了重大飞跃，同时推动了社会制度的变革，一些民族脱离了奴隶社会进入封建社会。金属技术，包括金属的开采、冶炼和加工工艺，在古代人类物质文明史上具有划时代的意义。 公元1000年后，随着手工业的发展，水力驱动能开始应用于金属的开采和加工过程，可以大批量生产高质量的铁，金属技术进入了新的时代。直到18世纪炼钢业的飞速发展，炼钢技术逐渐向现代钢铁技术转变。钢铁工业的迅猛发展为**次工业革命奠定了物质基础，同时也成为工业革命中的一部分。**台纺织机器的发明拉开了工业革命的序幕，瓦特改良的蒸汽机提供了更加便利的动力。通过工业革命技术，大量钢铁应用于工业机器、轮船、铁路等，这同样促进了钢铁工业的发展。自此人类进入了“蒸汽时代”。人类社会开始从农业文明向工业文明转变[2]。 进入19世纪，钢铁、铜、铅、锌等金属材料在工业中得到大量应用，铝、镁、钛等多种新型金属也开始得到应用。直到19世纪中叶，现代平炉和转炉炼钢技术才将人类带入了真正的“钢铁时代”，并且这个时代始终没有达到巅峰。随着“电气时代”的到来，人类开始了第二次工业革命。1879年爱迪生发明了灯泡，之后采用高熔点的金属钨作为灯丝延长了其使用寿命。灯泡的发明推动了电力工业的发展。金属材料被用于制造发电机、电动机、变压器、电线等器材，同时出现了电镀、电焊等新型金属加工技术。 20世纪以来，科学技术在多个领域高速发展，人类迎来了第三次工业革命。原子能、电子计算机、空间技术、生物医学等领域得到快速发展。在此期间，高分子材料问世，先进陶瓷材料和复合材料发展迅速并得到广泛应用，人类进入了“多元材料时代”。但金属材料仍然是社会和经济发展的支柱，并在尖端科学领域中发挥着基石作用。高强度钢、轻质铝合金、钛合金等实现了交通工具的轻量化，从而加快了社会和经济发展的节奏。高温合金是航空航天和能源领域变革中的重要材料基础。医用金属材料在保障人类健康方面发挥着重要作用。多样化的金属材料和加工技术为丰富人类的物质文明和精神文明提供了坚实的物质基础，使人类认识自然和改造自然的能力迈入了新的纪元。 进入21世纪，金属材料仍然在材料消费中占据主导地位。金属材料科学与技术作为社会发展的重要推动力和产业基础，为满足人类社会发展需求仍然在不断寻求创新。金属材料在未来人类文明的发展过程中仍然具有无可替代的作用。 1.1.2 金属材料科学的发展 金属材料科学是研究金属材料的成分、组织结构、制备工艺与材料性能和应用之间关系的科学。金属材料科学来源于古老的冶金学。虽然从青铜器时代至今冶金学的发展非常漫长，但19世纪前的冶金学不能被视为科学或技术，更应该当作技艺。当时冶金学只关注被实践证明的有效方法，而很少关注产生结果的原因[3]。 进入19世纪，自然科学的发展使金属材料科学逐渐与化学冶金学分离。晶体学、相平衡理论和显微组织的研究与发展成为现代金属材料科学诞生的支柱。晶体学的研究提出了32种晶类、14种平移点阵和230种空间群，为认识金属材料的晶体结构本质奠定了基础。自“金相之父”Sorby首次拍摄出钢的金相照片，金属显微组织研究开始使人们逐渐认识到了相转变的存在以及组织与性能之间的密切联系。根据Gibbs提出的相律和相平衡理论，形成了合金热力学及相图等学科方向，为研究合金相组成提供了方法。另外，Young、Cauchy、Poisson等基于在材料力学性能方面的研究，建立了材料力学试验和弹性性能的基本理论[4]。 20世纪后，金属材料科学的分支逐渐细化、深入。在晶体学方面，Laue的试验证明了组成晶体的原子空间排列具有周期性和对称性，Bragg等建立了晶体X射线衍射学，这使科学家们可以获得晶体的原子排布信息。之后在金属和合金的电子理论方面，提出了多种有影响的理论；在晶体塑性变形方面，建立了位错理论并得到实验验证，由此衍生出现代塑性变形理论、强度理论、蠕变理论和断裂理论。另外，合金热力学的发展推进了相图计算科学的发展。 直到20世纪80年代，金属材料科学形成了系统化理论。而金属材料的表征是其中不可缺少的一环，包括化学成分分析、晶体结构分析、结构缺陷分析等。光学显微术是*早用于微观组织分析的手段，之后发展出共聚焦显微镜。电子显微术可以提供更高的分辨率和更加丰富的信息，包括透射电子显微术、扫描电子显微术、电子微探针分析等。其他表征手段包括扫描隧道显微术、场离子显微术、原子探针、谱学技术、热分析等逐渐成熟。这些更为灵敏、精确的现代材料表征技术为现代金属材料科学的形成提供了重要支撑。 进入21世纪，为适应社会经济对金属材料更高性能的要求，金属材料科学及其理论和技术仍在不断革新和发展。 1.1.3 金属材料的应用 1. 钢铁材料 钢铁材料是国家建设和发展中用量*大、使用面*广的金属材料。钢铁材料从*初的普通碳钢，通过加入各种金属元素（称为合金化），逐渐发展出多种类型的合金钢。钢铁材料按照用途可分为三大类：结构钢、工具钢和特殊性能钢。 结构钢用于制造船舶、桥梁、车辆等工程结构和轴、齿轮、连接件等机器零件。工程结构用钢主要是碳素结构钢和低合金高强度结构钢。碳素结构钢价格低廉、塑性好、焊接性好，用于建筑、车辆、桥梁型材。低合金高强度结构钢是在碳素结构钢基础上加入少量合金化元素而发展出来的，具有更高的强度、足够的塑性、良好的焊接性等，用于压力容器、化工、船舶、桥梁等。对于大型部件或形状复杂、难加工的零件也使用铸钢制造。机器零件用钢包括渗碳钢、弹簧钢、调质钢、轴承钢等。这类钢种具有较高的疲劳强度、耐磨性、冲击韧性，低缺口敏感性等特点[5]。 工具钢是用于制造金属加工工具的钢种，分为刃具钢、模具钢、量具钢等。刃具钢包括碳素工具钢、低合金刃具钢、高速钢，具有高的硬度、耐磨性、热硬性和塑韧性，主要用来制造车刀、铣刀、钻头等各种切削加工工具。模具钢是用来制造锻造、冲压或压铸成形工件模具的钢种，根据使用条件分为冷作模具钢和热作模具钢，其中冷作模具钢包括高碳钢、中合金钢和高合金钢等，热作模具钢包括中碳钢、中碳低合金钢等。量具钢是制造千分尺等度量工具的钢种，包括碳素钢、高碳低合金钢等。 特殊性能钢是具有特殊物理和化学性能的钢种，包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。不锈钢是在空气、水、盐、碱、酸等腐蚀介质中不发生明显腐蚀的钢种。不锈钢按照微观组织分为奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、双相不锈钢四类，广泛应用于石油化工、医疗器械、核电工业等领域。耐热钢是在高温条件下具有一定的强度、抗氧化性、耐蚀性的钢种。耐热钢包括珠光体耐热钢、马氏体耐热钢、奥氏体耐热钢，主要用来制造燃气涡轮、蒸汽轮机、喷气发动机、核电装置等。耐磨钢是具有高耐磨性的钢种，其中高锰铸钢广泛应用于制造坦克履带、破碎机颚板、铁路道岔等承受严重磨损和冲击的耐磨零件，另外，中碳合金钢甚至低碳合金钢也用于制造承受压力不大的耐磨件。 2. 有色金属及合金 有色金属及合金是除钢铁材料之外的金属材料，又称非铁材料，包括铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金、镁及镁合金，以及镍基合金、钴基合金等。有色金属具有比强度高、耐蚀性好、导电性能优、耐热性能高等特点，在电力工业、交通运输、航空航天、医疗器械等领域中应用广泛[6]。 铝具有密度小、熔点低、强度低、塑性高等特点。铝合金可以经热处理提高强度，同时其密度减小。铝合金的比强度很高，是重要的航空结构材料。铝的导电性能和导热性能仅次于银、铜和金，其单位质量的导电能力是铜的两倍，因此被大量应用于导线。铝合金中的合金元素有Si、Cu、Mg、Zn、Mn等。铝合金一般分为铸造铝合金和变形铝合金两大类。铸造铝合金包括Al-Si、Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn等系列。变形铝合金按照用途分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻铝合金。 纯铜又称紫铜，其导电性和导热性优异、塑性高、强度低。纯铜常用于导线，还用于其他导热器件。铜合金主要包括黄铜、青铜和白铜。黄铜中的主要合金元素是锌，其力学性能、耐磨性较高，且成本较低。黄铜的应用非常广泛，包括造船、化学、电力等工业领域。青铜包括锡青铜、铝青铜和铍青铜等。锡青铜的耐蚀性、铸造性能优异，用于造船、航空等领域中的弹性元件、抗磁元件等。铝青铜的强度、硬度、耐蚀性和耐磨性均高于锡青铜，主要用于制造弹性元件，以及航空工业中的高强度耐磨零件。铍青铜的强度和硬度远超过其他铜合金，另外，其疲劳性能、导电性能、导热性能等表现优异，常用于制造精密仪器仪表中的重要弹性元件和耐磨零件等。白铜以镍为主要合金元素，其塑性和耐蚀性优异，主要用于舰船中的热交换器、冷凝管、结构件等。 钛及钛合金具有比强度高于铝合金和钢、耐蚀性和耐热性能优异、弹性模量低等特点，在航空、航天、能源、化工、医疗器械等领域中广泛使用。但是钛的化学性能活泼，熔铸、焊接等加工工艺复杂，价格较昂贵。钛合金中的合金元素主要包括Al、Sn、Zr、Fe、Cu、Si、V、Mo、Cr、Mn等。钛合金按照显微组织可分为α钛合金、β钛合金和（α + β）钛合金。其中应用*广的是具有（α + β）双相组织的Ti6Al4V钛合金，其具有优异的综合性能。 镁及镁合金是目前密度*小的金属结构材料，具有比强度和比刚度高、热导率高、机械加工性能好、易回收等特点。镁合金的主要合金体系有Mg-Al、Mg-Zn、Mg-RE（稀土）、Mg-Mn、Mg-Li等。工业应用的镁合金主要包括铸造镁合金和变形镁合金两类。铸造镁合金的比强度高、比刚度高、阻尼性能优异，其在航空航天、电子器件、交通运输等领域中都有广泛应用，如ZE41、AZ81、ZA91等。变形镁合金具有更高的强度，可用于加工形状复杂的零件，如AZ31B、ZK60A、AZ80A等，其应用