在我们日常生活中, 经常谈到金属或金属材料．众所周知, 铁、铜、铝、金和银是金属, 钢是一种金属材料, 而且, 金属和金属材料的种类繁多, 历史悠久．金属由於反射率高, 因而有光泽, 几乎可以说只有金属才有光泽．金属的重要特征是具有晶体结构．除水银之外, 在室温下所有金属均为固体结晶状态．一提到金属, 人们就会想到, 它具有高强度而且又具有良好变形能力．众所周知, 金属具有良好的导电性和导热性．腐蚀现象是金属和金属材料发生化学反应的一种标志．换句话说, 这是其不利因素．

　　比重是划分金属和金属材料的一个重要标准．轻金属和轻金属合金, 比重一般低於４.４ 克每立方厘米；重金属和重金属合金, 比重高於４.４ 克每立方厘米, 工业中最重要的轻金属是铝、镁及其合金；最重要的重金属包括铜、铅、锌和锡以及以这些金属为基础所组成的合金．在二者之间, 还有钛, 一般把钛划归轻金属．

　　虽然在古代已经使用金、银、汞和铅, 到中世纪又发现了许多元素, 但只是到１８ 世纪中叶以后才开始对金属进行科学研究．在这一时期, 又发现了许多具有金属性质的元素．例如, 铂、镍、锰、钨和铬．在１８００ 和１８５０ 年间, 才首次制取了镁、镉及大部分碱土和碱金属, 如铝、铍．到１９ 世纪末, 发现了钛、铯、铷和镭．在原子衰变过程中也产生新的元素．当前, 我们已经知道了１０５ 种元素．

　　上一世纪的工业高涨促进了冶金和制造技术的迅速发展, 金属与金属材料产量越来越多, 而且可加工成可以利用的器件．这时, 虽然已能利用最现代化的科学知识和仪器仪表, 但这种发展还不能认为是已进入真正科学研究的阶段．只是在最近, 材料科学才迅速发展, 在金属和金属材料中有许多重要发现．当前, 在高度工业化的国家, 大约已生产和加工了５００ 种用量较大的金属材料, 此时, 金属已成为国民经济中头等重要的材料和工业材料的｀主力＇．

　　现代工业生产中, 钢铁占有很重要的地位．钢铁产量往往是衡量一个国家工业水平和生产力水平的主要标志．目前, 在整个结构材料中, 钢铁占７０％左右．由於它具有良好的物理和机械性能, 资源丰富, 价格低廉, 并且工艺性能也很好, 因此应用非常广泛．

　　钢铁虽然都是铁和碳组成的合金, 但是含碳量不同, 它们的｀性格＇有很大的差别．工业上以含碳量多少为标准, 把钢铁分为生铁、纯铁和钢三种．钢铁按照组成元素分为碳素钢和合金钢；按用途可分为结构钢、工具钢和特种钢．结构钢具有一定的强度和韧性, 用途最广, 一般用作结构零件, 如用来制造汽车、轮船、钢轨、机械、油田井架、电视塔等等；工具钢的强度高、耐磨性好, 大量用於机械制造, 用工具钢做的刀具, 可像切豆腐那样切削一般金属材料．特种钢按用途不同可分为磁性钢、耐磨钢、高温合金钢、低温钢、精密合金钢、电工钢等等．

　　发展现代化工业技术不仅离不开钢铁, 而且还对钢铁材料提出了更苛刻的要求．例如, 海洋工程用的钢材, 需要很高的强度、韧性和耐海水腐蚀的能力；大跨度桥梁需要采用强度和韧性都很好的钢铁材料建造；发展航空航天技术则要求材料重量轻、强度高．对於这些特殊要求, 一般碳钢无能为力, 只有合金钢才能担负起这方面的重任．所谓合金钢就是在钢中另外加入铬、镍、钨、钛和钒等化学元素, 它们可以使钢材增加某一特殊性能．常用的合金钢有合金结构钢、弹簧钢、高速工具钢、滚珠轴承钢、不锈钢等．例如, 高压容器要用合金结构钢制造；不锈钢韧性好、耐腐蚀, 主要用於化工设备．

　　预计到本世纪末, 工业材料虽然仍以钢铁为主, 但是有一部分会被高分子合成材料所代替．同时, 钢材在性能上也会有很大提高, 除了钢材合金以外, 将通过精炼技术、控制结晶技术、控制轧制技术, 表面处理技术和热处理技术的综合应用来提高钢材性能, 强度一般可望比现在提高一至二倍．各种复合钢材、预硬化钢材、异型断面钢材, 彩色不锈钢将被大量采用；成百上千种性能近似的钢材由几种甚至几千种钢号所代替；钢材品种将更规范化、系列化, 各国通用的钢材牌号也将取得一致；钢材的利用率将由现在的５０％左右提高到８０％, 使用会更加合理．

　　自然界共有８３ 种金属元素, 通常按外观颜色分为黑色和有色金属两大类．黑色金属包括铁、锰、铬和它们的合金, 其余８０ 种金属都可统称为有色金属．有色金属也是重要的金属材料, 它是现代化工业的生力军．常用的有色金属有铝、铜、钛、镁、镍、钴、钼、铅、锡、锌、金、银和铂等, 它们的消耗量虽只占金属材料消耗量的５％, 但具有许多特殊的优良性能, 是别的材料难以代替的．例如, 它们的导电、导热性好, 比重小, 化学性质稳定, 耐热、耐腐蚀, 工艺性好等等, 是电气、机械、化工、电子、轻工、仪表、航天工业不可缺少的材料．

　　许多人以为铁是地壳中最多的金属, 其实地壳中最多的金属是铝, 其次才是铁．铝占地壳总重量的７.４５％, 比铁多将近一倍．现在, 世界铝的产量已经超过铜, 仅次於钢铁．

　　电线、电缆材料以铝代铜为发展方向．虽然铝的导电性能比铜稍差, 但是铝的比重几乎只有铜的三分之一, 可以把铝线做得粗一些, 以增强它的导电性能, 同时, 铝的价格要比铜低得多．因此, 在电力工业上, 铝成了铜的有力竞争者．例如, 我国第一条电气化铁路——宝成铁路线上, 输电线便由铝来充当．

　　铝的比重仅为铜的三分之一左右, 今后随着节能和产品轻型化问题的突出, 高强度铝作为机械产品结构材料的比重会增长较大．

　　值得一提的还有钛．钛在地壳元素的大家庭里排行第九, 比铜、镍、铅、锌的总和还要多１６ 倍．那么为什么长期以来给它戴上了｀稀有金属＇的帽子呢? 这是由於笨拙的冶炼方法所造成的．钛在高温下总是和氧、碳等许多元素紧紧结合在一起, 很难分离, 目前, 工业上还没有一种好办法直接把钛和氧分开而得到金属钛．因此, 钛还被埋没着, 不能大量生产．

　　钛的外观很像钢铁, 也呈银灰色．和钢铁相比, 两者的硬度差不多, 而钛的重量却只有同体积钢铁的一半, 熔点也比钢铁高, 要到１６６８℃才熔化, 比号称不怕火的黄金的熔点还要高６００℃．和铝比较, 钛只比铝稍重一点, 但比铝的硬度大二倍．钛在常温下性质很稳定, 就是在强酸、强碱的溶液里, 也不会被腐蚀．钛合金不仅强度高, 而且耐高温和低温的性能也很好．由於钛具有以上许多优异的性能, 已成为有色金属中倍受青睐的｀后起之秀＇．随着科技的发展, 在提高冶炼技术和降低成本的前提下, 用不了多久, 钛将成为继铜、铁、铅以后, 被广泛使用的金属．

　　除了常用的铁、铜、铅、铝、锌、锡、镁、金、银等金属以外, 其它金属都可以算做稀有金属, 其实, ｀稀有＇与｀普通＇之间也没有什么严格的界限, 不要把｀稀有＇和自然界含量很少的概念混为一谈．一百多年前, 铝还被视为｀稀有金属＇, 现在也把钛认为｀稀有＇．实际上, 它们在地壳里的含量都不少．那么究竟什么是稀有金属呢? 可以这样来理解: 所谓稀有金属, 是指那些发现得比较晚、形成的独立矿物少, 并常与多种元素伴生、很分散、又不易提纯的一些金属．

　　稀有金属共有五十多种, 可分为以下五大｀族＇: 轻稀有金属、难熔稀有金属、放射性稀有金属、稀散金属和稀土金属．

　　轻稀有金属包括: 锂、铍、铷和铯等．它们的共性是轻, 其中锂最轻, 比重只有水的一半, 放到油里也会飘浮起来．锂用来制造氢弹, 是热核反应的原料, 一公斤锂释放出来的热量相当於燃烧二万吨煤；铍是｀原子锅炉＇的结构材料, 铍和青铜的合金还能制成弹性极好的仪表零件；铷和铯用於电子技术和自动化方面, 例如把铷和铯喷镀在银片上, 可制成光电管中的敏感元件．

　　难熔稀有金属有: 钨、钼、钽、铪、铌、铼等, 它们都具有优异的电子特性和比其它纯金属高得多的熔化温度, 是电子工业材料中的｀主力＇, 可制造合金钢及耐高温构件材料．

　　放射性稀有金属主要有铀和钍, 它们是原子弹的｀炸药＇和｀原子锅炉＇的燃料．一吨铀—２３５ 燃料, 相当於２５０ 万吨优质煤, 可供北京市一年照明之用．

　　稀散金属主要是: 锗、镓、铟、铊．它们不但稀有, 而且分散．以锗为例, 它并不集中在锗矿石中, 而是分散在煤炭、铅锌矿和某些铁矿里, 含量少到十万分之一．为了提炼像黄豆那样大一点点的稀散金属, 要消耗成吨矿石．稀散金属用处很大, 特别是在电子工业上用途非凡．锗是一种良好的半导体材料；砷化镓是一种新型半导体；锑化铟是一种对红外敏感的半导体, 为遥感技术不可缺少的材料．

　　提起｀稀土＇, 不少人感到生疏．但是在日常生活中, 大家却经常碰到它．例如, 彩色电视机图象中的彩色, 就是加入稀土荧光粉产生的；打火机的火石也是由稀土制成的；陶瓷和玻璃品上漂亮而柔和的色彩, 有些也是稀土的作用．

　　稀土当然不是｀土＇．就其资源来说, 也并不稀少．它之所以叫稀土, 是从１８ 世纪沿袭下来的．局限於当时的科学技术水平, 人们以为能提取这类元素的矿物是一种稀少的、类似泥土的氧化物, 故名稀土金属．其实, 它是一大类金属, 共有１７ 种元素: 镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇．它们好比孪生兄弟, 性质都十分相似, 因此, 在自然界中总是共生在一起．它们在地壳中的含量比常见的金属如铜、锌、锡都多, 现在已发现含稀土的矿物达二百五十多种．

　　稀土金属具有典型的金属性质, 一般呈灰色, 有的还有很高的导电性, 适於锻造、热轧、冷轧和压力加工；化学性质也很活泼, 能与许多元素发生化学反应生成化合物．

　　稀土金属在冶金、电气、玻璃工业等部门, 多用来制造易燃合金、电弧碳棒和玻璃颜料等, 也常用来改善合金性能, 因此有｀冶金工业维生素＇之称．例如, 在钢铁或有色金属里, 只要加进千、万分之几的稀土金属, 就可使零件｀添劲强身、延年益寿＇；生铁里加进铈, 能得到球墨铸铁, 使生铁变韧耐磨, 可以铁代钢, 以铸代锻．目前中国架设的从葛洲坝到武汉的高压线路, 就是用稀土铝镁制的导线, 它比一般导线强度高４０％, 每架设１００ 公里, 可节约投资５－７ 万元．

　　现代工业技术方面, 稀土还在光电材料、磁性材料、化工催化剂及核能等方面得到应用．作为光电材料, 稀土还适用於产生激光, 目前已用稀土制造彩色荧光材料；稀土活化物是很好的永磁材料；在核反应堆里, 稀土可制作控制棒和结构材料．

　　金属材料在国民经济中具有重要意义, 倘若没有金属制品, 当前人类的发展状况和整个科技进步是不堪设想的．无论冶金工业, 还是金属加工工业, 机器制造和电力工业, 在发展过程中所获成就都是在材料科学和制造技术基础上取得的, 这些成就同时也为未来新的重要任务奠定了基础．根据金属材料在国民经济中的重要意义, 可以断言, 将来随着国民收入的不断增长以及工业产品生产的持续增多, 对金属材料的需求也将增多．首先, 除了提高冶金和金属加工工业的劳动生产率之外, 还要发展、应用和广泛利用省料、节能、节约劳动时间的方法和工艺, 还要充分发挥材料的经济效益．