作者簡(jiǎn)介：

柯偉，中國(guó)工程院院士、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研究員，曾任中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)。1957年畢業(yè)于北京鋼鐵學(xué)院金屬學(xué)及熱處理專業(yè)。1979-1982年英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室訪問學(xué)者。他多年從事耐蝕合金和環(huán)境敏感斷裂研究，曾主持國(guó)家自然科學(xué)基金“十五”重大項(xiàng)目《材料自然環(huán)境腐蝕規(guī)律和行為預(yù)測(cè)》以及石油石化、航空航天、核電安全、海洋工程等領(lǐng)域中有關(guān)材料失效方面的研究。

內(nèi)容提要

本文介紹了中國(guó)鎂資源和鎂產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況、鎂合金的主要特點(diǎn)及其規(guī)?；瘧?yīng)用的曲折歷史；討論了鎂合金研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化過程中的重要科學(xué)技術(shù)問題和研發(fā)應(yīng)用的實(shí)例。作者指出，鎂合金作為結(jié)構(gòu)材料的潛力尚未充分研發(fā)出來(lái)。在充分認(rèn)識(shí)材料特性和環(huán)境條件的基礎(chǔ)上，鎂合金在宇航、交通、信息、裝備制造業(yè)、日常生活和生物醫(yī)用中都有良好的應(yīng)用前景，在一些情況下，其作用是不可替代的。中國(guó)有條件由鎂資源大國(guó)發(fā)展成為鎂產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)國(guó)，為此需要調(diào)整鎂產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大鎂合金研發(fā)與應(yīng)用研究。當(dāng)前，大型、薄壁高強(qiáng)度鎂合金鑄件、鎂合金變形材的研發(fā)、防腐蝕技術(shù)的改進(jìn)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念的變更和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累是鎂合金實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的短板，需要重點(diǎn)配置研發(fā)力量。

一、引言

材料是人類用來(lái)制造生活設(shè)施和生產(chǎn)工具并賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。社會(huì)文明的發(fā)展就曾以各個(gè)歷史階段所使用的主導(dǎo)材料來(lái)命名，例如石器時(shí)代、青銅時(shí)代以及鐵器時(shí)代等等。

我們可以按生產(chǎn)和應(yīng)用的成熟程度把材料劃分為傳統(tǒng)材料和新型材料。例如，鋼、鋁、銅、水泥、木材、玻璃和陶瓷等都是多年來(lái)構(gòu)筑基礎(chǔ)設(shè)施和制造機(jī)械裝備的傳統(tǒng)材料，而工程塑料、碳纖維、復(fù)合材料、增韌陶瓷、高溫合金和鈦合金等可歸類為新型材料。新型材料用量雖不及傳統(tǒng)材料，但往往卻成為現(xiàn)代高端技術(shù)賴以實(shí)現(xiàn)的重要條件，例如不銹鋼就是發(fā)展大型化肥工業(yè)的基礎(chǔ)，而鈦合金和高溫合金則是制約航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵因素。

21世紀(jì)人類對(duì)金屬結(jié)構(gòu)材料提出了新的要求：新材料的研發(fā)不但要能夠適應(yīng)高技術(shù)發(fā)展，滿足人類高質(zhì)量生活的需求，而且要求資源豐富、高效能、低能耗、容易回收，有利于可持續(xù)發(fā)展；必須能夠滿足未來(lái)日漸苛刻的環(huán)保法規(guī)要求才能順利進(jìn)入市場(chǎng)和應(yīng)用。

鎂合金有很多特點(diǎn)恰好滿足上述需求，有很好的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。因此被譽(yù)為“21世紀(jì)的綠色工程材料”[1，2]。

地殼中鎂含量豐富，約為2.4%，在金屬元素中僅次于Al和Fe居于第三位。鎂是一種銀白色堿土金屬，原子序數(shù)12，化學(xué)性質(zhì)非常活潑，所以通常以化合物的形式存在于自然界中。在已知礦物中，含鎂礦物約200多種，其中有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的含鎂礦物有菱鎂礦MgCO3、含Mg28%，白云石（MgCO3·CaCO3） 含Mg13.2%，光

燒彈、照明彈、曳光彈以及陸用軍車和飛機(jī)等等。例如：B36轟炸機(jī)用鎂量達(dá)到8600kg，見圖5。1943年世界鎂產(chǎn)量達(dá)到23萬(wàn)噸，當(dāng)時(shí)美國(guó)鎂產(chǎn)量達(dá)到18萬(wàn)噸，產(chǎn)能擴(kuò)大了10倍。戰(zhàn)后1946年又回到2.5萬(wàn)噸。此后，世界各國(guó)開始考慮鎂合金在民用工業(yè)的研發(fā)和應(yīng)用，其用量逐漸上升。

1970年的石油危機(jī)，為鎂合金在汽車行業(yè)擴(kuò)大應(yīng)用帶來(lái)了新的契機(jī)。因?yàn)槠囍亓棵拷档?00kg，每公里油耗可減少7毫升，節(jié)約5%燃料；汽車自重減輕10%，燃油效率就可以可提高5.5%。這使鎂合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用再次受到重視。

近20多年來(lái)，人們節(jié)能和環(huán)保意識(shí)進(jìn)一步增強(qiáng)， 汽車輕量化需求日益迫切。例如，歐洲2008年轎車C O2排放量上限規(guī)定為140g/km，2012年為120g/km；歐洲2010年目標(biāo)要求汽車降低燃料消耗25% ， 實(shí)現(xiàn)CO2排放下降30%。通過擴(kuò)大鎂合金用量是實(shí)現(xiàn)減重這一目標(biāo)的重要選項(xiàng)，全球再次掀起了鎂合金研發(fā)與應(yīng)用的熱潮。以AudA6為例，目前單車用鎂量14.2kg， 未來(lái)目標(biāo)是50-80kg[14]。

1980年全球原鎂產(chǎn)量達(dá)到了32萬(wàn)噸，到2012年已增加到69.83萬(wàn)噸[9]。十分明顯，鎂合金正日漸擴(kuò)大其應(yīng)用范圍?？傮w來(lái)看，形成這種趨勢(shì)的驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)源于經(jīng)濟(jì)和國(guó)防需求，技術(shù)瓶頸的突破為降低成本和提高服役的可靠性提供了必要的支撐。