新材料是指那些新出现的具有传统材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料。新材料的产生大致可以分为两种：一类是将以前从未结合在一起的元素设法使它们结合成新材料；另一类是改进现有的材料。从我们接触过的新材料可知，更多的新材料属于第二类。对现有材料改进可以有多种思路。
首先是使用的要求促进了材料的发展，如针对飞机用的轻型材料，研制成了Al-Li合金；考虑到发动机需要耐高温材料，研制新型精密陶瓷；还有许多场合要求材料心部要有高的韧性，表面要耐磨、耐腐蚀，因而进行材料的表面改性等。
其次是工艺手段的进步，使材料改进成为可能，新材料才能由理想变成现实。例如，应用在飞机发动机上的一种掺镍化合物称为718合金，其广泛应用于压缩机和涡轮部件。这种合金由国外某公司于几十年前开发，其后，随着科技的进步，材料科学家们改进了它的成分及制作工艺，即适量掺镁，增加其热延展性，并用三次熔炼法改善其纯度。该合金中的微量元素虽然很少（只占总质量的0.001%～0.035%），但使合金性能得到显著改善。当然，并不是所有的微量元素都是有益的。比如说，在718合金中，磷是有害的，其含量必须得到控制。如果磷、碳、硼的含量超标，材料的耐压抗断裂性能将受到影响。
第三是向大自然学习。大自然千姿百态，各种物质琳琅满目。虽然人类改造自然、征服宇宙取得了巨大的成功，但是人类对自然界的认识和利用还远远不够。众所周知，发泡金属出色的能量吸收性能参照了猫头鹰。其强度密度比极佳，能极大地吸收能量，缓冲振动。像这样用泡孔组织结构制造的赛车零部件，称为仿生材料。
下面介绍利用前面所介绍的原则来研制新金属材料的知识。
1.新一代钢铁材料
钢铁材料具有价格低廉、资源丰富、生产规模大、易于加工使用、性能可靠、便于回收等特点。钢产量一直是衡量一个国家综合实力的重要指标之一。在21世纪，钢铁仍是占主导地位的结构材料。
钢的理论强度应能高于8000MPa，而现在大量使用的碳素钢的屈服强度只有200MPa，低合金钢（合金元素质量分数小于5%）的屈服强度只有400MPa，合金结构钢的抗拉强度只有800MPa。随着国民经济的发展，道路、桥梁、高层建筑等基础设施的更新换代将需要大量的更高强度的钢。这对我国的资金投入、资源供给、交通运输、环境保护等方面来说都是难以承受的。因此，为满足经济和国防建设的需要，必须研究新的钢铁材料，使其在寿命不变的情况下，强度提高一倍；或通过质量的改进，使其寿命提高一倍。这样就可以节约大量的钢铁材料，间接地讲，还可以减少钢铁厂数量，减轻运输负荷，降低能耗及对生态环境的影响。目前，研究新一代钢铁材料（具有高强度和长寿命）的指导思想是：细化钢的晶粒度和组织，提高钢的纯净度，改善钢的均匀性。
前面已经介绍过，提高钢强度的方法有多种，而只有晶粒细化是唯一可以同时提高强度和韧性的方法。目前，工业生产热连轧碳素结构钢带的最小铁素体晶粒尺寸为20μm，热轧的合金高强度结构钢的最小铁素体晶粒尺寸为10μm，合金结构钢的最小奥氏体晶粒尺寸为10μm。为了达到强度提高一倍的目标，晶粒还需进一步细化。日本的相关研究已表明，铁素体晶粒尺寸细化到1μm，低碳锰钢的抗拉强度可以达到700MPa。韩国通过对低碳锰钢进行低温大变形，也得到了1μm左右的晶粒，抗拉强度达600MPa。我国的研究工作也可达到这种水平。
提高钢的纯净度主要是指降低钢中有害元素S、P的含量，降低O2、N2、H2等气体的含量，这样就可以控制钢中氧化物、硫化物和碳氮化物的尺寸、形态、分布，减少这些夹杂物的数量。前面所讲述的提高材料强度的办法没涉及工程实际中存在的夹杂物问题，但控制夹杂物对提高材料的强度也是非常重要的。材料的断裂一定发生在最薄弱的地方，因此，即使用最好的材料制作的构件，只要一个截面上存在问题，破坏就会在这个地方发生，整个构件也就会报废。经验表明，夹杂物常常是导致破坏的罪魁祸首。试样断裂时常常在夹杂物周围先形成微裂纹，然后微裂纹扩展、连接，导致最终的断裂。如果夹杂物尺寸细小，形状为球形且均匀分布，危害程度就会相对较小。改善钢的均匀性也是为了避免出现个别的薄弱环节。
实现晶粒细化所采用的控制轧制技术，是一种有效和节能的细化晶粒的方法，是形变热处理方法的一种。它把金属材料压力加工与热处理工艺相结合，有效地利用了形变强化与相变强化。
目前，国内外新一代钢材的研制及应用主要在以下几个方面有所突破：
（1）低碳马氏体及其应用 低碳马氏体是低碳低合金钢经强烈淬火急冷后得到的一种显微组织结构，具有优良的综合力学性能以及良好的可加工性和焊接性。近二十年来，我国开展了低碳马氏体及其应用的研究工作，取得了很大的成绩。例如，低碳马氏体的强度比中碳调质钢高1/3以上，且综合性能良好，用来代替某些中碳调质钢（如高强度螺栓用钢等），可使构件重量成倍地减轻。低碳马氏体还具有很高的耐磨性能，可用来制造某些要求耐磨性好的零件，如拖拉机履带板等。总之，低碳马氏体在石油、煤炭、交通运输等工业部门应用广泛，取得了提高性能、减轻重量、延长使用寿命、简化工艺、节约能源、节约合金元素、降低成本等良好效果。
（2）空冷贝氏体钢 贝氏体钢能够空冷自硬，并将冶金热加工工序与产品成形制造工序相连接，具有良好的强韧性配合、生产工序简单、节约能源、污染少、成本低等优点，因而引起广泛的重视。目前，国际上空冷贝氏体钢系列有两类：一类是以英国P.B.Pickering为首的科研人员于20世纪50年代发明的Mo-B系贝氏体钢，但因钼的价格昂贵而使其发展受到限制；另一类是以我国清华大学方鸿生教授为首的科研人员于20世纪70年代初期发明的Mn-B系贝氏体钢，现已发展有低碳、中低碳、中碳、中高碳系列十多个钢种，应用到耐磨钢球、衬板、齿板、冲击锤、刮板、截齿、离心铸管、汽车前轴、连杆、液压支架等，取得了很好的技术效果和显著的经济效益，成为贝氏体钢发展的重要方向。
（3）无莱氏体高速工具钢 大连铁道学院戚正风教授等研制成功无莱氏体高速工具钢，其合金元素与一般高速工具钢相同，碳含量则降低到钢液凝固时不形成共晶碳化物（莱氏体），而又能在淬火和回火后整体具有足够的强度、韧性与硬度的水平。这种钢加工成刀具后，通过渗碳，使表层得到大于或等于70HRC的高硬度，于600℃4次回火后仍能保持67HRC的热硬性，同时得到55HRC高强韧性的心部，可使刀具使用寿命提高好几倍。
（4）奥氏体-贝氏体球墨铸铁（A-B球铁） 20世纪70年代我国与美国、芬兰等国家同时研制成功了A-B球铁，并获得了实际应用。由于A-B球铁既具有较高的强度和硬度，又具有良好的塑性和韧性，因此被广泛用于汽车、拖拉机、内燃机的齿轮、连杆、轴类等结构件，以及矿山磨球、锤头等耐磨零件。到了20世纪80年代以后，国内外又从A-B球铁化学成分与热处理工艺两个方面进行深入研究。前者通过提高合金成分来得到铸态A-B球铁，以取消成本高、工效低的等温淬火工艺；后者则努力完善热处理工艺，提高机械化和自动化水平，以提高生产效率。
2.Al-Li合金
通常将密度低于4.5×103kg/m3的金属称为轻金属。铝合金就是最常用的一种轻金属。由于铝合金有高的比强度和比刚度，良好的工艺性和高的导电、导热性，耐大气腐蚀，广泛用于建筑结构工业（如框架、面板、顶棚等）、容器和包装工业（如易拉罐）、电气工业（如铝导线）、航空航天工业。
锂是自然界最轻的金属，密度为0.53×103kg/m3，熔点为186℃，每向铝中添加1%（质量百分数）的Li，能将合金密度降低3%，将弹性模量提高6%。这是其他添加元素，包括轻金属元素铍、镁所不及的。因此，锂作为主要添加元素之一的铝合金是半个多世纪以来铝合金领域最重要的发展。(www.daowen.com)
Al-Li合金伸长率低、缺口敏感性高，容易使结构产生应力集中而引起疲劳破坏，造成生产工艺上的困难，再加上工艺更简单或性能优良的铝合金问世，使得Al-Li合金一开始没有引起人们的重视，没有得到充分的发展。20世纪70年代爆发的能源危机给航空工业带来的巨大经济压力，以及轻质复合材料的兴起给传统铝工业造成的潜在威胁，为Al-Li合金的发展创造了契机。通过世界范围内的科学家和工程技术人员的努力，Al-Li合金在脆性和断裂韧度方面有了突破。从20世纪80年代中期开始，新型Al-Li合金又进入了半工业规模试产和航空应用试验阶段。研究表明，Al-Li合金有显著的时效强化现象，并且Al-Li合金的性能还可以通过添加多种合金元素来进一步改善。例如，添加铜可提高其强韧性，原因在于铜的添加对析出相的组成、数量、形状和分布有影响，但铜的添加量一般不超过5%（质量分数）。另外，Al-Li合金还有一个十分特殊的行为，就是其强度、伸长率和断裂韧度等力学性能，均随着试验温度的降低而显著提高。加之它的低密度，使Al-Li合金成为一种发展潜力很大的低温结构材料，可用来制造航天飞机中的大型低温液体燃料箱。Al-Li合金这种低温异常的增强、增韧现象与合金中存在低熔点杂质，以及低温下Al-Li合金产生形变与断裂的机制与室温下不同有关。人们还研制了以颗粒或晶须SiC陶瓷为添加剂的Al-Li金属基复合材料，弹性模量可达130GPa，冲击韧度比常用铝合金还高，适用于汽车及航空工业。如果投入使用，新Al-Li合金有望将大型客机重量减轻8%～15%。
当然，新Al-Li合金的应用也还存在一些问题，如价格较高、熔铸工艺还有问题、废料回收未解决等，所以世界上许多国家还在投入人力、物力进行Al-Li合金的研究和开发。
3.铜合金
铜的密度为8.94×103kg/m3，为重非铁金属，具有面心立方晶格，无同素异构转变。钢及其合金是人类应用最早和最广的一种非铁金属。我国是应用铜合金最早的国家之一。在世界上，铜产量仅次于钢和铝而居第三位。至20世纪80年代，国际上定型的铜合金达400多种，按其颜色分为紫铜（即纯铜）、黄铜（Cu-Zn合金）、青铜（Cu-Sn、Cu-Al、Cu-Be等）和白铜（Cu-Ni）四大类，主要用于导电、导热、弹性、装饰、造币等。其中，纯铜用量约占2/3。
随着航天、航空、微电子等高技术产业的迅猛发展，已有牌号的铜合金已不能全面满足高技术的各项要求，主要是其导电、导热性与其高强、高温性能难以兼顾。现在，依靠先进冶金工艺技术开发出了许多先进的铜合金，用其制作的零部件具备多种功能。例如，电子工业大规模集成电路的引线框架曾采用过FeNi42合金，其强度（Rm≥600MPa）和抗高温软化温度（900K）均较高，但电导率低，仅为3%IACS。根据微电子技术的发展要求，需要材料的性能为Rm≥600MPa，抗高温软化温度大于或等于800K，电导率80%IACS。这样高的电导率只有铜合金才能实现。而对于铜合金，则要设法提高其强度。为此，美国开发了氧化铝弥散强化铜合金，达到了上述指标。这种新合金的制备工艺是：将含有微量铝（质量分数为0.1%～0.6%）的铜合金熔液，借助高压惰性气体，雾化为超细合金颗粒，再经原位择优氧化，使其中绝大部分的铝形成Al2O3颗粒，对这样的粉末经压结、烧结制得板坯，再经多道次冷轧与退火工序，最终加工成精密带材。
像这种兼有高强度和高导电性的铜合金除用于制作引线框架外，还可以制作需要兼有高强度、高导电性和耐高温工作环境的元器件，如微波管、继电器开关簧片及各类电极材料。
4.航空与医用钛合金
钛存在同素异构转变。在883℃以上，钛为体心立方结构，称为β相；在883℃以下，钛为密排六方结构，称为α相。钛在地球中的储量仅次于铝、铁、镁居第四位。我国是钛资源丰富的国家。但其由于冶炼技术复杂，直至第二次世界大战后才开始应用，近年来发展很快。钛的密度为4.5×103kg/m3，比强度（Rm/ρ）是各种金属中最高的，特别适合作飞行器的材料。另外，钛合金的耐蚀性可与不锈钢相媲美。它对人体生物组织液稳定，与人体细胞相容性好，可作为生物医学材料，制成钛接骨板、接骨螺钉、人造关节及医疗器械等。
一般来讲，密排立方结构的材料塑性较差，但纯钛却属例外。它的伸长率可高达50%以上，这是由于α-Ti的c/a值小，并且孪生变形占相当大的比例。钛合金按照在平衡状态和亚稳定状态下的相组成，可粗略分为三大类：α型钛合金、（α+β）型钛合金和β型钛合金。
在现有的航空航天用钛合金中，应用最广泛的是综合性能好的TC4。它可以用来制造工作温度不超过400℃的各种飞机结构件和发动机零部件。TC4钛合金的用量占各种钛合金总用量的1/2以上。但未来航空航天飞行器及其推力系统要求发展比TC4钛合金的强度、工作温度、弹性模量更高，密度更小和价格更低的各种类型钛合金。其中，β型高强度钛合金和以钛铝化合物为基的高温钛合金是很有发展前途的。下面分别对这三种钛合金做简单介绍。
（1）TC4钛合金 这种钛合金是（α+β）型钛合金，其合金成分为：wAl=5%～6%，wv。钒是使β相稳定的元素，所以钒的加入可以使β相保持到室温，但由于钒的原子半径与钛接近，所以对β相的强化作用不大。铝是α相稳定元素，铝的加入使α相得到强化。
该金属易于焊接、锻造和切削加工，通过热处理可使抗拉强度高达1173MPa，并在482℃还有很好的热稳定性，在飞机上主要用作发动机壳体、压缩机叶片、结构锻件和紧固件等。
（2）β型钛合金 β型钛合金是发展高强度（Rm≥1500MPa）钛合金潜力最大的合金。由于加入了大量的β相稳定元素，因此通过空冷或水冷在室温能得到全β相的组织，再通过时效处理析出α相弥散质点，可大幅度提高强度。
β-21S是美国20世纪90年代开发出的一种β型钛合金，其成分为Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si。合金元素中的Mo、Nb都是β相稳定元素。可以看出，该合金中β相稳定元素的含量远大于（α+β）型合金。另外，在β型钛合金中也加入α相稳定元素铝，目的还是为了强化α相，因为时效后有α相存在。
这种β型钛合金除具有高强度、高淬透性和冷成形加工性能外，其突出的优点在于高耐蚀性及良好的耐热性，可用于制作有工作温度要求的飞机结构件或发动机结构件、蜂窝、紧固件和液压管件，还可用作金属基复合材料的基体等。
（3）以钛铝化合物为基的钛合金 不断提高钛合金的工作温度，以便代替航空发动机所用的较重的镍基高温合金，增大航空发动机的推重比，始终是新型钛合金研究的目的之一。这需要解决两个问题：一是材料的抗氧化能力要强，二是高温力学性能要符合要求。20世纪80年代对以钛铝化合物为基的高温合金的研究取得了重大突破。通过对以钛铝化合物为基的高温钛合金与普通钛合金及镍基高温合金进行比较，可以看出以钛铝化合物为基的钛合金高温性能明显优于普通钛合金，已与镍基高温合金相近。
美国已有两个以Ti3Al为基的高温合金开始批量生产，它们的成分分别是Ti-21Nb-14Al和Ti-21Nb-14Al-3.5V-2Mo。一般金属间化合物塑性很差，但Ti-21Nb-14Al可以加工成飞机蒙皮用板材，还能制成厚度大于6μm的箔材，我国也已有试制品。
相比之下，以TiAl为基的高温钛合金具有更好的高温性能，但这种材料在室温和中温的塑性较低，影响它的实际应用。北京科技大学研制出了一种含有少量稀土元素Y的TiAl基合金D68，其高温强度极好，1100℃时的压缩屈服强度可达350MPa，同时其室温压缩塑性也很好，伸长率可达25%。
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