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你了解钢吗,什么冶金,钢铁,热处理,铸造-1

  • 作者:亿隆模具钢
  • 发布时间:15-11-14 14:16
  • 点击数:81
  • 文章来源:亿隆模具钢材有限公司

------东莞市亿隆材有限公司

晚熟的科技
        在石器时代,金属非常罕见,因此备受珍惜。铜和金是当时仅有的金属来源,因为地壳上只有这两种金属是自然存在的(其他都必须从矿石提炼),只是数量不算多。地壳上也有铁,但绝大部分来自天上的陨石。

        关于从天而降的金属,没有人比家住波斯尼亚北部的拉伊奇(Radivoke Lajic)体会更深了。

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        2007 年到2008 年,他家就至少5次遭陨石击中。在统计学上来说, 发生这种事的概率实在微乎其微,拉伊奇说外星人锁定了他家,听起来还满有道理的。他在2008 年发表这个看法,结果他家又遭陨石击中一次。科学家调查后证实是陨石没错,并开始研究他家附近的磁场,希望找出这非比寻常的高频率背后的原因。

        拉伊奇展示2007 年以来击中他家的五块陨石
        少了金、铜和陨石铁,我们石器时代的老祖先就只能用燧石、木头和兽骨制作工具。使用过这些材料的人都晓得,用它们做成的工具用途相当有限。木头一敲不是碎了、裂了,就是断成两截,石头和兽骨也不例外。金属跟这些材料根本上就不相同,金属可以锻造——加热后会流动且有可塑性。不仅如此,金属还愈敲愈强韧,光靠打铁就能使刀刃更硬,而且只要把金属放入火中加热,就能反转整个过程,让金属变软。

        一万年前最先发现这一点的人类,终于找到一种硬如岩石又像塑料般可以随意塑形,还能无限重复使用的材质。换句话说,他们找到了最适合制作工具的材料,尤其适合制作斧头、凿子和刀锋之类的切割用器具。

        我们的老祖先一定觉得金属这种软硬自如的能力非常神奇。我很快发现,布莱恩也有同样的感受。他说他没有什么物理和化学知识,全凭反复尝试错误设计出他的发明,但终究成功了。他希望我能帮他测量经他的机器操作后,刀刃锐利度的前后差异,因为拿得出这种证据,他才有本钱跟剃须刀公司好好谈生意。

       金属晶体示意图,剃须刀内的晶体便类似如此,其中的成排小点代表原子
       金属由晶体组成,这个想法可能很怪。因为提到晶体,我们通常会想到透明的多面体矿石,例如钻石或翡翠等。金属的晶体特质从表面看不到, 因为金属不透明,而且晶体构造通常小到必须用显微镜才看得见。使用电子显微镜观察金属晶体,感觉就像看到铺得毫无章法的地砖,晶体内则是驳杂的线条,称为“位错”。位错是金属晶体内部的瑕疵,表示原子偏离了原本完美的构造,是不该存在的原子断裂。位错听起来很糟,其实大有用处。金属之所以能成为制作工具、切割器和刀刃的好材料,就是因为位错, 因为它能让金属改变形状。
 
        在这张简图中我只画了几个位错,方便读者想象。一般金属内的位错数量惊人, 而且会重叠交错
        你不必用到锤子就能感受位错的力量。当你拗回形针时,就是把金属晶体弄弯,要是晶体不弯,回形针就会像木棍一样碎裂折断。金属的可塑性来自位错在晶体内的移动。位错移动会带着微量的这种物质,以超音速从晶体的一侧移向另一侧。换句话说,当你拗弯回形针时,里面有将近100,000,000,000,000 个位错以每秒数千米的速度移动。虽然每个位错只移动一小块晶体(相当于一个原子面),但已经足以让晶体成为超级可塑性的物质,而非易碎的岩石了。

        金属的熔点代表晶体内金属键的强度,也代表位错容不容易移动。铅的熔点不高,因此位错移动容易,使得铅非常柔软。铜的熔点较高,因此也较坚硬。加热会让位错移动,重新排列组合,结果之一就是让金属变软。

        对史前人类来说,发现金属是划时代的一刻,但金属数量不多的基本问题仍没有解决。其中一个解决方法,是等天上掉下更多陨石来,但这么做需要很有耐心。每年约有几公斤的陨石掉落地球,但大多数都落入了海中。后来有人发现了一件事,这个发现不仅终结了石器时代,更开启一扇大门,让人类获得了一样似乎永不匮竭的物质:他们发现有一种绿色石头, 只要放进热焰里再覆以火红的灰烬,就会变成发亮的金属。我们现在知道这种绿色石头是孔雀石,而发亮的金属当然就是铜。对我们的老祖先来说, 这肯定是最神奇的发现,遍布四周的不再是毫无生气的岩石,而是拥有内在生命的神秘物质。

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         我们的老祖先只能对孔雀石等少数几种岩石施展这种魔法,因为要有效地把石头转变成金属,不仅得先认出正确的岩石,还要仔细控制它的化学状态。但就算某些石头无论加热到多高温度都还是顽石,丝毫没有转变, 我们的老祖先肯定还是觉得这些石头藏有神奇的奥秘。他们猜得没错。加热法适用于提炼许多矿物,只是那是几千年后的事了,在人类了解其中的化学原理,知道如何控制岩石和气体在火焰中进行的化学反应之后,熔融法才真正有了新的突破。

         没有金属铜,就没有金字塔
         大约从公元前5000 年起,我们的老祖先便不断尝试错误,精进炼铜技术。铜制器具不仅促成了人类科技的突飞猛进,还催生了其他技术,以及城市和第一波人类文明的出现。埃及金字塔就是铜制器具大量应用的结果。建造金字塔用的岩石都是从矿场挖出来,再用铜凿子一块块削成固定大小。据估计,古埃及人挖掘了大约一万吨铜矿,制造出三十万把铜凿子。这是空前的成就。

         少了金属工具,就算召集再多奴隶也盖不出金字塔。尤其铜凿子因为硬度不够,并不适合凿切岩石,拿来敲打石灰石很快就会变钝,这使得这项成就更显得了不起。专家估计,铜凿子每敲几下就得重新磨利才能继续使用。铜不适合做剃须刀也是同样的道理。

         金也是硬度较低的金属,因此戒指很少用纯金制作,否则很快就会刮坏。但只要加入百分之几的其他金属(例如银或铜)来形成合金,就会改变金的颜色:银会让金变白,铜会让金变红,不仅如此,形成的合金还会比纯金硬,而且硬上许多。金属只要掺入少量其他物质就会改变性质,这是研究金属的乐趣所在。

         以金银合金为例,你可能好奇银原子到哪里去了。答案是,银原子就嵌在金块的晶格里,占去一个金原子的位置。正是因为银原子的取而代之, 金子才会变硬。

         金银合金的原子结构图,银原子取代了晶体内的部分金原子

         合金通常比纯金属坚硬,原因很简单:外来原子的大小和化学性质,都跟原本的金属原子不同。因此嵌入后会扰动原本金属晶体的物理和电子结构, 产生一个关键后果——让位错更难移动。位错更难移动,晶体形状就更难改变,金属也就更坚硬。因此,制造合金就成为防止位错移动的一门技艺。

         在自然界中,其他晶体里也会发生原子取代。纯氧化铝晶体是透明的, 但只要其中含有铁原子就会变成蓝色,也就成为俗称的蓝宝石。同理,纯氧化铝晶体包含了铬原子也会变色,成为红宝石。

         从黄铜时代、青铜时代到铁器时代,在文明不断发展中,合金也愈来愈坚硬。黄铜很软,属于天然矿产,而且容易熔冶。青铜比黄铜坚硬许多,是铜的合金,含有少量的锡,偶尔还包括砷。因此,如果手上有黄铜又知道方法,只需要一点功夫就能做出强度和硬度都比黄铜高十倍的武器和剃刀。唯一的麻烦是锡和砷非常稀有。青铜时代的人开发了许多精心找出的贸易路线, 从康瓦尔和阿富汗等地运送锡矿到中东各文明的中心,就是为了这个目的。

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