材料人报告｜十年来金属材料研究成果、热点分析

金属材料与人类文明的发展和社会的进步有着十分密切的关系，有着广泛的工业和生活应用，发展历程也较为久远。一般分为黑色金属、有色金属和特种金属三大类。

本文基于Web of Science检索平台，通过论文文献计量分析方法对2008年以来金属材料领域（黑色金属、有色金属）的研究成果进行了整理和分析，希望有助于更好地了解国内外研究现状和未来的发展趋势。

一、黑色金属

我国的黑色、有色金属矿产资源丰富，在规模、技术、人才、资金等方面均处于世界前列。随着“一带一路”战略的推进，为我国黑色金属、有色金属的产能合作提供了巨大的国际市场，也为全球共同发展的实现提供了划时代的意义。作为供给侧结构性改革的先行者，中国钢铁行业积极化解过剩产能，中国钢铁消费由持续增长向“峰值平台区”转变，单位 GDP 粗钢消费强度回落，单位投资粗钢消费强度下降。截止2017年，我国查明保有铁矿资源储量为8.489×10¹⁰t，铁矿区为4790个，对外依赖度从2005年的39%增长到当前的90%左右，严重影响着钢铁产业经济安全^[1,2]。

钢铁是黑色金属领域中的基本结构材料，有“工业的骨骼”之称。首先，在Web of Science平台以“Steel”为关键词检索了2008-2018年以来的论文数量统计情况，结果如图1所示。我们发现，自2008年以来钢铁领域的研究论文数量呈现出稳步上升的态势，特别是在2012年进入快速发展阶段，接着在2013-2017年期间数量变化较为平稳，年论文量维持在80000左右，约为2008年的4倍，最后在2018年以后又出现了快速增长。

图1 以“Steel”检索得到的2008-2018年期间的论文数据

图2为该检索结果中主要的贡献国家及其对应的分布比例。可以看出，主要国家有：中国、美国、日本、德国、法国、印度、英国、南韩等，其中，我国在数量上占据绝对优势，所占比例超过一半。研究类型主要包括专利、论文、会议等，研究方向覆盖工程技术、材料科学、冶金工程、化学、仪器仪表、物理、力学等众多领域。

对论文的研究方向统计发现，1990-2009年期间，不锈钢的研究主要围绕着：沉淀阶段的新发现（析出相、取向关系、相图）；预防、缓解不同问题的新建议及其新的测量、检测方法；表面、体积改性技术（激光喷丸、晶界工程、晶粒细化）。随后，研究热点集中到：相预测、堆垛层错能、超塑性、再结晶动力学、力学性能计算等方向。2016年以后，不锈钢领域出现一些新型的应用，例如，使用奥氏体不锈钢的磁记录特性进行签名认证、σ相的低温磁性转变进行热点检测、磁性药物靶标等^[3]。

图2 主要研究国家比例

接着，分别以carbon Steel、alloy steel、cast iron为关键词进行了检索，结果如图3所示。观察发现：（a）三个领域在2008-2018年期间整体表现出逐年增长的趋势，其中以合金钢和碳素钢的增长最为明显；（b）在2014年-2016年期间，三个领域均处于平缓发展阶段，接着到2018年又出现了较大的增长。

图3 黑色金属研究成果统计

铸铁作为曲轴、刹车片以及制动杆壳体等零部件的重要结构材料，现有的研究方法主要是通过控制和优化生产工艺，控制铁素体数量、球化处理和孕育处理等手段，以满足高/低温、强腐蚀等恶劣和苛刻服役环境。

碳素钢方面，有大量的研究集中在晶粒细化工艺和机制上面，比如在低碳钢中通过形变诱导铁素体相变（DIFT），即A_r3以上温度变形过程中发生的相变，可使晶粒尺寸达到3μm，从而得到超细晶粒组织。

微合金钢是在普碳软钢和普通低合金高强度钢的基础上迅速发展起来的工程结构用钢，关于微合金化方面的研究，自2006年以来国内外已有大量的研究，目前已经基本上形成了完整的体系和元素作用机制阐述。采用钛、钒、铌、硼、铝、锆、钽等进行微合金化处理，晶粒尺寸可细化至1μm左右。

中国工业化和城镇化的前、中期，建筑业是中国经济发展的命脉。其以碳素钢所占比例超过50%，其次为低合金钢和微合金钢，主要应用于汽车制造业和造船工业。目前，品种结构调整、满足国内外装备制造业提升的需求是中国钢铁工业适应未来社会发展的重要任务。

图4为一些检索刊文数量比较靠前的期刊。可以看出，黑色金属领域的研究已经侧重于工业生产和实际应用，而理论方面主要集中在腐蚀、电性、磁性等物理和化学方向。

图4 主要期刊和检索数据统计

钢的选择和应用取决于相对经济性，而不是最高的个别性能和特殊性能。不仅取决于强度、韧性、成型性、焊接性和反复使用性，而且取决其生产的总体成本、制造加工性能及服役寿命^[4]。

二、有色金属

有色金属，亦称非铁金属，是除铁、锰、铬以外的所有金属的统称。按目前的应用场景和研究热点主要包括铝、铜和钛及其合金三大类。图5、6、7分别为以Non-ferrous metal、Al/Cu/Ti alloy为关键词检索得到的研究成果数量统计、主要国家的研究比例分布和刊文量靠前的期刊汇总。

（1）铝及其合金

从图5（Date：2019/6/19）可以看出，铝合金类的研究在2009年开始进入快速增长阶段，研究成果数量从2008年的2500增加到2018年的12500，在十年期间内的增幅接近5倍之多，且增势无缓减之意。

图5 有色金属研究统计

铝合金品类繁多，常规使用的多达450种，很多新型的铝合金还处于研发阶段，具有高强度、耐腐蚀、良好的抗冲击性和抗振性、密度低、回收利用率高等优点，主要应用于交通运输、航空航天、电子电气领域，也是航天器和飞机轻量化的首选材料。其中具有代表性的是为适应航空航天器高机动性、高载荷、高可靠性、高抗压和耐疲劳而研制的高强高韧铝合金，一般采用粉末冶金、喷射成型等方法制备。

图6为在三个领域中各个国家的研究比例对比。根据图6的检索数据显示，过去十年期间，我国在铝合金和钛合金类领域的研究成果数量位居第一，远远超过美国、日本、俄国、加拿大、英国等其它国家。此外，我国铝合金加工技术起步较晚，但发展速度非常迅速，在某些领域已经达到国际先进水平。目前，交通运输业铝合金材料使用量已经超过25%，汽车行业使用量超过15%，商用飞机使用量超出结构总量的75%。2016年，我国铝合金加工材料的实际产量超出3200万吨，并保持每年6%的速度增长^[5]。

图6 不同国家的研究分布对比

对检索结果分析发现，目前国内外铝合金的发展趋势主要有：

a)优化产能结构，研制更高性能的产品；

b)开发铝基复合材料；

c)综合利用技术、再生技术以及回收技术，实现产业结构升级，往节能降耗、高速高效和精简连续的方向发展；

d)创新工艺设备，改善生产加工方式，提高生产质量和生产速度，向大型化、精密化、自动化和紧凑化的方向发展；

e)重视科技创新与信息开发，对生产过程进行自动化和现代化管理，制定科学的管理机制。

（2）铜及其合金

铜及其合金因为良好的导热、电性和优异的加工性能广泛应用于汽车、航空航天和电子领域，铜合金材料经过几十年的研究与发展，目前已经形成了几个主要的系列合金：Cu-Fe、Cu-Cr、Cu-Ni、Cu-Ag、Cu-Mg系和弥散强化合金。

从图5、6可以看出，铜及其钛合金类的研究相对铝合金类的研究成果数量较少，在2008年-2018年期间的研究成果数量增幅不是很明显，仅为1倍左右，而且与铝合金类的研究成果数量差距呈现出逐年增加的趋势。在铜合金研究成果数量方面，以美国为首，我国次之，日本、印度和俄国紧随其后。

目前，该领域的研究侧重于制备过程中合金相的形成、转变和遗传，以及合金相均匀和合理分布等方面。在材料计算方面，主要研究包括第一性原理计算、有限元模拟、Miedema理论、固体分子经验电子理论（EET）等。在制备技术方面，例如，目前制备高强高导铜合金的方法有：铜基原位复合材料法、高密度孪晶强化法、快速凝固法、Conform+ 冷加工法和大塑性变形法。

铜合金的发展方向将沿着合金多元化、大规模产业化、低能耗和低污染的道路前进。研究重点从强化机理和微观组织演变规律等方面，逐渐转向结合新型的加工方法和表面改性技术努力实现工业化生产。

（3）钛及其合金

钛合金因为密度低、比强度高、比模量高、低温性能好、耐腐蚀性好、无磁、生物相容性好等优异的综合性能，有“海洋金属”、“太空金属”、“全能金属”之称，在航空航天、汽车、石油化工、医疗器械等国民经济领域有着广泛的应用。

从图5、6看到，目前国内外在钛合金方面的研究保持着良好的发展势头，从2008年开始，在研究成果数量方面保持着30%-40%的年增长率。在过去十年的检索总量方面，我国居首，接着依次为俄国、美国、印度和日本等其它国家。

自2011年开始，伴随着国家各种利好政策的颁布实施，以及航空航天、海洋船舶等大型项目的拉动，我国钛合金领域的研究进入高速发展阶段。目前，我国已研制成功的钛合金种类接近一百多种，60%左右已列入国家标准，并形成了高温钛合金、结构钛合金、船用钛合金系列、耐蚀钛合金以及医用钛合金等5大系列^[6]。

图7为Web of Science上检索到的我国钛合金领域的主要科研机构及其科研成果数量（检索词：Ti/Titanium alloy，检索时间：2019/7/1）。可以看出，我国超过一半以上的研究机构为高校和科研院所，如西北工业大学、哈尔滨工业大学、金属所、上海交通大学、西北有色金属研究院、北京科技大学等，而企业自主研究方面的成果则相对较少。国内钛合金布局相对集中，主要分布在华东、西北及东北片区。

图7 我国钛合金领域的主要科研机构

钛合金的未来研究方向大致有^[7]：

a)大型熔炼及加工装备：2014年TC4钛合金型材的研制成功使我国成为继美国、俄罗斯之后第3个掌握钛合金型材生产技术的国家。虽然我国科研院所和企业在合金成分、性能、加工工艺等开展了大量的研究成果，但在大型熔炼和加工设备研制方面的研究较少，与国外仍存在一定的差距；

b)表面处理技术：船舶零件、桥梁构件等要求钛材表面具有优异的耐蚀性；齿轮、轴承等要求具有良好的耐磨性；作为电极使用时，还需具有良好的电活性；用于骨科器械、血管支架时，还要有生物活性；作为首饰、手表时，还要有很好的装饰性。目前，钛合金表面处理技术的来源主要有：一类是传统表面处理技术，包括热渗镀、气相沉积、三束改性、转化膜、热喷涂等；另一类是新型技术，如液相等离子体技术、辉光等离子表面冶金技术等。在新型表面处理技术方面，我国仍处于起步阶段；

c)生物医用钛合金的设计及应用：“十一五”期间，西北有色金属研究院、上海交通大学、哈尔滨工业大学、中国科学院金属所等机构率先从事了生物医用钛合金研制，但在核心专利、前沿科技应用和交叉学科领域仍与国际先进水平存在一定的赶超距离。

图8汇总了以Al/Cu/Ti alloy为关键词检索得到的2008 -2019年期间发文量靠前的一些期刊（Date：2019/6/19），其中，Adv Mater Res、Journal of Institute of Metals、RMME分别以637/372/373排在最前。对SCI分区期刊的影响影子统计发现，MSEA、JAC、Materials & Design、Acta等是有色金属领域比较受欢迎和青睐的几个期刊。其次，稀有金属材料与工程、金属学报、有色金属学报、特种铸造及有色合金等国内期刊在过去几年也刊载了较大数量的关于Al、Cu、Ti的合金组织、作用机制和加工工艺方面的论文成果。

图8 有色金属领域发文量靠前的期刊和检索数量

参考文献

[1]“黑色金属矿产资源强国战略研究”专题组，我国黑色金属资源发展形势研判，中国工程科学，2019,21（1）：97-103

[2]中国钢铁工业协会，中国钢铁工业转型升级战略和路径[R]，北京：中国钢铁工业协会，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]张燕，郑汝宁，试析铝合金加工技术的现状与发展趋势，世界有色金属-前沿技术，2018（3）：229-230

[6]王向东，逯福生，贾翃，2011年中国钛工业发展报告，钛工业进展，2011，29（2）：1-6

[7]何蕾，基于专利分析的我国钛及钛合金材料发展研究，新材料产业，2018（08）：34-38

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