金屬材料相關(guān)知識(shí)

11三月2024金屬材料相關(guān)知識(shí)2在鋼鐵冶煉史上，我們中華民族有兩點(diǎn)是值得驕傲的。其一是早在2600年前的春秋時(shí)代中后期，我們的祖先就發(fā)明了生鐵冶煉技術(shù)，比歐洲國家要早1000多年。

據(jù)分析，我國能早早地發(fā)明生鐵冶煉術(shù)，得益于高超的煉銅技術(shù)，尤其是先進(jìn)的煉銅豎爐。1975年，湖北省黃石市在大冶銅綠山古代礦冶遺址發(fā)現(xiàn)了三座保存完整的春秋時(shí)期的煉銅豎爐。爐高大約有1.5米，爐缸架在通溝上，還有專門的鼓風(fēng)口，完全是現(xiàn)代鼓風(fēng)爐的雛型。從爐缸內(nèi)壁的燒蝕情況分析，當(dāng)時(shí)煉銅的溫度已經(jīng)接近了冶煉生鐵所需要的溫度。古代中國在煉鐵方面的成就3其二是我國很早就發(fā)明了煉鋼技術(shù)。中國最早的鋼是以在大約在1200℃的較低溫度下，用木炭還原出鐵礦石里的混雜鐵，成為含鐵、礦渣和沒燒盡的木炭混雜在一起的塊煉鐵為原料，在炭火中反復(fù)鍛打，反復(fù)滲碳而逐步形成的。這種鋼的制取方法，還為后人留下了“千錘百煉”的成語。古代中國在煉鐵方面的成就4在漢朝以后，我國又發(fā)明了“炒鋼”、“團(tuán)鋼”等當(dāng)時(shí)獨(dú)步世界的煉鋼方法。

“炒鋼”是把生鐵放在熔池里加熱到熔化或基本熔化以后，不斷地?cái)嚢璺?，利用空氣里的氧氣除去生鐵里的碳以后煉成的。這種方法直到19世紀(jì)中葉，還是歐洲各國煉鋼的主要方法。

“團(tuán)鋼”是把含碳多的生鐵和含碳很少的純鐵夾雜盤成團(tuán)，再加熱鍛煉而成的。北宋有名的科學(xué)家沈括在《夢(mèng)溪筆談》這本著作中對(duì)這種煉鋼方法作了簡(jiǎn)明扼要的說明。他說：“世上有把鐵打成鋼的，是在柔軟的鐵條中夾進(jìn)生鐵塊，盤起來，用泥土封起來后放在爐火中鍛燒，再反復(fù)錘打，使熟鐵和生鐵互相滲透，就成為鋼了。這叫團(tuán)鋼，也叫做“灌鋼”。古代中國在煉鐵方面的成就5雖說在上千年前，勞動(dòng)人民就發(fā)明了百煉鋼、炒鋼、團(tuán)鋼等鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)，但這些煉鋼方法都比較復(fù)雜，質(zhì)量很難保證，更是無法達(dá)到大規(guī)模生產(chǎn)的水平。所以，直到19世紀(jì)前半葉，人類還是在已經(jīng)經(jīng)歷了2000多年的鐵器時(shí)代里徘徊。古代煉鐵方面的局限6貝塞麥從當(dāng)時(shí)的煉鋼方法——坩堝法的缺點(diǎn)，并加以改造，發(fā)明了轉(zhuǎn)爐煉鋼法（通氣方式由從上發(fā)展到從下面通氣）。1856年，貝塞麥在英國皇家科學(xué)協(xié)會(huì)發(fā)表了演講，題目是《不使用燃料，只吹入空氣就可以變鐵水為鋼水》。現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)的開端（2）7英國冶金專家托馬斯改進(jìn)了轉(zhuǎn)爐，采用了堿性材料，并加入堿性材料生石灰，使煉鋼反應(yīng)始終在堿性條件下進(jìn)行。使被氧化的磷、硫與生石灰結(jié)合起來，一舉解決了鋼水脫磷和脫硫的難題。1864年，法國工程師馬丁利發(fā)明了一種特大型煉鋼坩堝——平爐。他在容積達(dá)上百噸的爐子里加上廢鋼和生鐵，用經(jīng)蓄熱室加熱到1100℃的煤氣和空氣去燃燒熔化，使廢鋼、生鐵熔化并精煉成鋼水。煉鋼爐的改進(jìn)過程（1）8煉鋼爐的改進(jìn)過程（2）20世紀(jì)初，法國冶金專家埃魯針對(duì)平爐和轉(zhuǎn)爐難以煉出高級(jí)合金鋼的缺點(diǎn)，將電弧爐用于煉鋼，發(fā)明了電爐煉鋼法。它避免了空氣燒毀合金元素的缺點(diǎn)，被專門用來冶煉高級(jí)合金鋼。1952年，奧地利科學(xué)家利用純氧氣代替一般空氣，發(fā)明了純氧頂吹轉(zhuǎn)爐。純氧頂吹轉(zhuǎn)爐用夾層里通過冷卻水的夾套吹管吹入氧氣，避免了貝塞麥遇到過的鐵管熔化的問題，煉鋼的速度大大加快，一爐300噸的鋼，只需要半小時(shí)就可以熔煉完畢。9在煉鋼時(shí)加進(jìn)金屬錳，就能煉出錳鋼。錳鋼最大的特點(diǎn)是強(qiáng)硬堅(jiān)韌，是工業(yè)建設(shè)的棟梁之材，是國防建設(shè)的“鐵甲衛(wèi)士”。

錳鋼的問世，是一位年輕的冶金學(xué)家（英國的哈德菲爾德）藐視權(quán)威，以他那錳鋼般的意志頑強(qiáng)攻關(guān)的結(jié)果。權(quán)威們告誡人們，鋼鐵中錳的含量絕不能超過1.5％，否則它就會(huì)越來越脆。在經(jīng)過了幾百次的失敗以后，他終于發(fā)現(xiàn)當(dāng)錳的含量達(dá)到13％時(shí)，錳鋼一改它昔日脆弱的形象，變得既有很好的硬度，又富有韌性了。錳鋼的誕生(1)101883年，25歲的哈德菲爾德拿到了他夢(mèng)寐以求的錳鋼生產(chǎn)工藝專利證書，把錳鋼大批推向了市場(chǎng)。如今，錳鋼在許多地方大顯神威。人們用它制成鐵路鋼軌、橋粱桁架、碎石機(jī)齒板、掘土機(jī)鏟斗等，經(jīng)受萬千次沖擊，“咬碎”堅(jiān)硬的石塊。用它制成坦克履帶、裝甲板等，讓它經(jīng)受槍彈和炮彈。

錳鋼的誕生(2)11不銹鋼，是以鐵為主體元素，加上一定比例的鉻、鎳、鉬、錳等金屬煉成的耐腐蝕合金材料。不銹鋼以其锃亮的外表、良好的機(jī)械性能和對(duì)酸性腐蝕物質(zhì)的強(qiáng)大抗御能力贏得了人們的歡迎，是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中常用的金屬材料。冶金專家布里爾利在一次偶然發(fā)現(xiàn)，由電爐煉成的含鉻8％，含碳0.24％的合金鋼經(jīng)過熱處理后，具有極好的耐腐蝕性能，特別是不怕酸性物質(zhì)的腐蝕。布里爾利把它起名為“不銹鋼”。

不銹鋼與超級(jí)不銹鋼的誕生(1)注：布里爾利的初衷是研究一種新型合金鋼，以制造更堅(jiān)固耐用的槍膛。12在這以后不久，冶金專家毛爾和施特勞斯倆人攜手合作，發(fā)明了含鉻18％，含鎳8％的18—8型不銹鋼，比布里爾利發(fā)明的不銹鋼抗腐蝕能力更勝一籌?，F(xiàn)在，18—8型不銹鋼（304）是世界上應(yīng)用最廣泛，產(chǎn)量最大的不銹鋼。在70年代，我國的科技工作者利用我國特有的豐富稀土金屬資源，發(fā)明了稀土低合金不銹鋼，為不銹鋼事業(yè)的發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。

不銹鋼與超級(jí)不銹鋼的誕生(2)13

18世紀(jì)中期開始，大機(jī)器生產(chǎn)開始在歐洲出現(xiàn)。機(jī)器生產(chǎn)少不了切削金屬的刀具，可那時(shí)在歐洲，人們使用的刀具，是英國人亨曼在1740年發(fā)明的，用坩堝冶煉的低碳鋼刀具。效率很低，嚴(yán)重影響了工業(yè)的飛速發(fā)展。

1820年，英國皇家學(xué)會(huì)受一把印度寶劍的啟發(fā)，決定請(qǐng)有名的物理學(xué)家法拉第出馬，研制優(yōu)質(zhì)工具鋼。但是，法拉第對(duì)冶金并不精通，他只好采取逐個(gè)試驗(yàn)的辦法進(jìn)行研究。他在鋼鐵中加過銅，加過鋅，甚至加過金、銀，還有金剛石，但都沒有獲得成功。用瞎子摸象的辦法研究了整整三年，法拉第還是沒有看到成功的曙光。切削工具材料的發(fā)展(1)14

俄國青年工程師安諾索夫也在尋找能使普通碳鋼變硬變韌的物質(zhì)，但不知什么原因沒有成功。安諾索夫決定改變主攻方向，通過金屬熱處理的方法來改善碳鋼的性能。他利用顯微鏡研究鋼鐵硬度與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)系，研究在不同條件下熱處理后鋼鐵內(nèi)部的變化。經(jīng)過5年的努力，安諾索夫終于掌握了制造優(yōu)質(zhì)碳素鋼的方法。

切削工具材料的發(fā)展(2)15安諾索夫發(fā)明的碳鋼確實(shí)很硬，但有一個(gè)怕熱的大毛病。機(jī)床上用的車刀，在切削時(shí)難免會(huì)發(fā)熱，車速一快，時(shí)間一長(zhǎng)，碳鋼刀就從“硬漢子”變成了“軟骨頭”，再也不能啃鋼咬鐵了。所以那時(shí)的機(jī)床還不能轉(zhuǎn)得飛快。1882年，英國冶金專家哈德菲爾德發(fā)明錳鋼以后，就想用它來制作車床用刀，但發(fā)現(xiàn)它還不太能耐高溫。安諾索夫想起了金屬大家族里的耐熱冠軍鎢，就設(shè)法冶煉含鎢的錳鋼。鎢錳鋼煉出來了，做成車床用刀到工廠里一試，果然是身手不凡，一下子將切削速度提高了60％，達(dá)到每分鐘切削8米鐵刨花。

切削工具材料的發(fā)展(3)16到1898年，美國工人技師泰勒創(chuàng)造了一個(gè)奇跡。他想研制一種耐高溫的高速刀具鋼。他分析了鎢錳鋼的成分，認(rèn)為鎢是好的，熔點(diǎn)高達(dá)3380℃，受熱肯定不會(huì)變軟，問題一定是出在熔點(diǎn)和硬度都不夠高的錳身上。泰勒思考了很久，決定采用鉻取代錳。泰勒趕緊安排試驗(yàn)冶煉含鉻鎢鋼。經(jīng)過一段時(shí)間的試驗(yàn)，合乎要求的含鉻鎢鋼煉出來了。新材料做的車刀的切削速度比過去提高了5倍!在這之后，泰勒又對(duì)鎢鉻鋼刀做了不少改進(jìn)，使它能在五六百攝氏度下也不變軟，切削速度達(dá)到每秒10米(600米／分鐘)，可與奧運(yùn)會(huì)100米跑的冠軍比一比速度。

切削工具材料的發(fā)展(4)17進(jìn)入20世紀(jì)以后，刀具材料又有了一次飛躍，那就是誕生了硬質(zhì)合金。1907年，德國冶金專家施特勒爾用碳化鎢的硬質(zhì)顆粒，加上鐵和鈷的粉末，先壓制成型，再以高溫?zé)Y(jié)，讓鐵和鈷熔化而成為粘結(jié)材料，使碳化鎢緊緊地“團(tuán)結(jié)”起來，制成了硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金一經(jīng)問世，便受到了熱烈歡迎。人們發(fā)現(xiàn)用它制作的刀具，在1000℃的高溫下也不會(huì)變軟，切削速度可達(dá)到每分鐘2000米以上，比普通碳素鋼刀高出100多倍。

切削工具材料的發(fā)展(5)18切削工具材料的發(fā)展(6)到20世紀(jì)80年代，材料科學(xué)家采用氣相沉積的方法，在鎢鋼等普通刀具的表面鍍上一層號(hào)稱“硬度之王”的金剛石，不僅提高了刀具的硬度和切削速度，而且降低了生產(chǎn)成本，為刀具材料的發(fā)展作出了新貢獻(xiàn)?！跋麒F如泥’自然不在話下，就是說“切鐵如切豆腐”。也不算什么過分。19金屬材料發(fā)展史（二）———其他金屬材料的發(fā)展20金色的“銅”話——銅及銅合金從貴族到平民——鋁的發(fā)展歷程航空時(shí)代的驕子——鈦及鈦合金活的金屬——形狀記憶合金能源儲(chǔ)藏罐——儲(chǔ)氫合金軟硬都行——超塑性合金零電阻的超導(dǎo)材料主要內(nèi)容金屬大家族中，除了銅、鐵等古老金屬外，還有許多如鋁、鈦等新金屬及它們的合金。21銅和金、銀一樣，是人類最先接觸到的金屬材料之一。距今7000年前，早先的人類在尋找石器的過程中發(fā)現(xiàn)：有一種石頭可以砸扁、拉長(zhǎng)，而且還有華麗的光澤。后來進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，如果把其熔化，可以澆注成各種形狀的制品，而且還可以反復(fù)使用。這就是天然的銅塊。金色的“銅”話——銅及銅合金22人們找到礦藏之后，依靠石錘、石斧等將礦石開采出來，砸碎后筑爐冶煉，不但煉出了銅，還煉出了錫和鉛等其它金屬。當(dāng)把錫和鉛等加入銅后，得到了青色的銅合金。青銅比純銅要硬很多。錫含量為1/6的青銅可以用來鑄鐘和鼎，錫含量為1/3的青銅可以用來作刀劍等，青銅是人類得到的第一種合金。從此，在距今5000年前左右，人類告別了石器時(shí)代，進(jìn)入了青銅器時(shí)代。金色的“銅”話——銅及銅合金23銅雖然可以冶煉出來了，但是產(chǎn)量畢竟有限，青銅器大多為宮廷貴族所擁有，那時(shí)候的銅被稱為金。據(jù)古書記載，中國從夏朝開始就有“貢金九枚，鑄鼎象物”的傳統(tǒng)。古人把銅片仔細(xì)磨光后，可以當(dāng)鏡子用，這是玻璃出現(xiàn)前，婦女化妝的主要用具。除了青銅外，古人還發(fā)現(xiàn)了黃銅和白銅合金。但是，銅合金真正大規(guī)模開始使用，還是工業(yè)革命以后，隨著電技術(shù)的發(fā)展，利用銅優(yōu)越的導(dǎo)電性能，開創(chuàng)了銅開發(fā)應(yīng)用的新時(shí)代。金色的“銅”話——銅及銅合金24制鋁先驅(qū)知多少?1820年，丹麥物理學(xué)家奧斯特，突然對(duì)研究化學(xué)產(chǎn)生了興趣?！般~、鐵都可以用木炭從礦石中冶煉出來，鋁能不能也用木炭從釩土里解放出來呢?”在這個(gè)思路指導(dǎo)下，奧斯特把木炭研成粉，再礬土混合起來，用火猛燒。結(jié)果，礬土絲毫不為所動(dòng)。為了杜絕空氣，奧斯特又把炭粉和釩土密封在坩堝里，外面燃火猛燒。一時(shí)間，連坩堝都燒得發(fā)紅了，幾小時(shí)后打開容器一看，礬土和炭粉都沒有什么變化，實(shí)驗(yàn)又失敗了。

1)奧斯特—從電磁感應(yīng)到制鋁從貴族到平民——鋁的發(fā)展歷程25說明：炭沒有從鋁手里奪取氧的能力，那就換一種思路，讓氯氣從氧那里把鋁奪過來。他向燒得發(fā)紅的礬土里通入氯氣，發(fā)現(xiàn)有一些液體流出來，得到了應(yīng)該是氯化鋁。他仔細(xì)地把這些液體收集好，再加熱并加入還原能力強(qiáng)大的鉀汞劑(合金)，讓它代替炭去把鋁還原出來。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果告訴他，有氯化鉀生成。鉀汞劑已經(jīng)變成了鋁汞劑，加熱以后汞蒸發(fā)掉了，可鋁也再一次變成了白色的礬土。從貴族到平民——鋁的發(fā)展歷程26懊喪之余，奧斯特只好再覓良策。他經(jīng)過再三思考，認(rèn)定是空氣里的氧氣在作怪。于是他吸取教訓(xùn)，在隔絕空氣的情況下蒸餾鋁汞合金，終于得到一些與錫相似的，具有銀白色光澤的金屬屑。也許是空氣在搗鬼從貴族到平民——鋁的發(fā)展歷程271827年，維勒參照奧斯特的方法，維勒制成了氯化鋁。他認(rèn)為鉀汞劑與它反應(yīng)的方法不好，因?yàn)樵趯?duì)鋁汞劑蒸餾除汞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生毒性強(qiáng)烈的汞蒸汽，不可能用在工業(yè)制鋁生產(chǎn)中。他決定另辟蹊徑。維勒試用了各種常用的還原劑，像氫氣、木炭、金屬鋅等，但都以失敗告終。最后，維勒想起了鉀汞齊里的鉀，他把鉀和氯化鋁混合起來，密封在白金坩堝里加熱。等坩堝發(fā)紅后停止加熱，讓它自然冷卻，最后把它投入水中打開，果然在水里有一些銀白色的金屬粉末。它就是很不純凈的金屬鋁。

2）維勒——榮譽(yù)的獲得者從貴族到平民——鋁的發(fā)展歷程28維勒并沒有解決鋁的工業(yè)化生產(chǎn)難題，戴維發(fā)明了用比較廉價(jià)的金屬鈉和無水氯化鋁反應(yīng)，制取銀光閃閃的美麗鋁球的方法。1855年，戴維制成的鋁塊和鋁板轟動(dòng)了巴黎世界博覽會(huì)。漢弗萊·戴維為批量生產(chǎn)鋁作出了重要貢獻(xiàn)，但用鈉制取鋁終究成本太高，鋁的價(jià)格一直居高不下，只能用來打造價(jià)格不菲的首飾。3）漢弗萊·戴維——解決鋁的工業(yè)化生產(chǎn)問題者從貴族到平民——鋁的發(fā)展歷程294）豪爾和埃羅

——使鋁“由貴族到平民”豪爾是美國俄亥俄州奧伯林學(xué)院化學(xué)系的學(xué)生，只有23歲。從資料中，豪爾發(fā)現(xiàn)了一份戴維的實(shí)驗(yàn)記錄上的一段話：“格陵蘭半島伊維圖特生產(chǎn)一種礦物，外觀與冰相似，叫做冰晶石。冰晶石中含鋁，熔點(diǎn)較低，可能可用來煉鋁?！焙罓栺R上找來了冰晶石，把它與釩土混在一起放進(jìn)坩堝，進(jìn)行加熱。果然，混合物熔點(diǎn)降低到1000℃左右，比純礬土容易熔化多了。他在其中插進(jìn)電極通電，不久。電極上產(chǎn)生了一顆顆銀白色的液滴狀鋁；而且它在上層熔液保護(hù)下沒有和空氣反應(yīng)掉。從貴族到平民——鋁的發(fā)展歷程30也許是一種巧合，也許是科學(xué)技術(shù)發(fā)展到某個(gè)階段的一種必然。同樣在1886年，大西洋彼岸的法國桑特—巴比學(xué)院里，同樣是23歲的青年化學(xué)家埃羅在電解冰晶石時(shí)發(fā)現(xiàn)，鐵陰極突然熔化了。經(jīng)過仔細(xì)分析，他終于弄清是由于生成了鋁，鋁在高溫之下與鐵形成了容易熔化的合金。抓住這個(gè)現(xiàn)象，埃羅深入研究，與豪爾異曲同工地發(fā)明了電解法煉鋁的新工藝。豪爾和埃羅的成功，加上當(dāng)時(shí)電力工業(yè)的迅速崛起，終于使金屬鋁從“貴族”變成“平民”，逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾锇椤?/p>

從貴族到平民——鋁的發(fā)展歷程31豪爾和埃羅研究鋁成功后，豪爾就到紐約和波士頓的金屬公司出賣專利技術(shù)，但是兩公司都沒有成功。后來匹茲堡金屬公司利用豪爾的技術(shù)在1888年成功開始了金屬鋁的規(guī)模生產(chǎn)，所以該公司成了世界上第一家正式的商業(yè)制鋁公司，并建在尼亞加拉瀑布水電站旁，從而使匹茲堡成為有名的鋁產(chǎn)地。埃羅的技術(shù)被德國的基利亞公司買斷，并成功工業(yè)化。豪爾和埃羅的發(fā)明使鋁由貴族成為平民，兩人故事的結(jié)尾也頗有意思，他們同年發(fā)明鋁制備法，也于1914年同年去世，都是51歲。從貴族到平民——鋁的發(fā)展歷程32在鋁的發(fā)展歷史上，還有一位重要人物——奧地利化學(xué)家拜爾。由于鋁的需求量越來越大，原料礬土的供應(yīng)也變得緊張。自然界純礬土礦很有限，大部分的礦石含有一半的鐵硅和其它雜質(zhì)，不能直接用來煉鋁。有必要尋求一種廉價(jià)的方法將氧化鋁提取出來。奧地利化學(xué)家拜爾采用煅燒礦石，然后粉碎，再加入氫氧化鈉，使其與氧化鋁反應(yīng)，生成氫氧化鋁。然后分離出氫氧化鋁，最后加熱使氫氧化鋁分解，就可以得到純凈的礬土了。從貴族到平民——鋁的發(fā)展歷程33鈦比重小，強(qiáng)度大，既能經(jīng)受高溫又能耐受低溫的考驗(yàn)，不怕酸，不怕堿，甚至不怕王水，抗腐蝕能力特別強(qiáng)，是建造超音速飛機(jī)、宇宙飛船、火箭、核潛艇、化學(xué)反應(yīng)容器等不可缺少的優(yōu)質(zhì)金屬材料。性能優(yōu)良的鈦及鈦合金已經(jīng)走入千家萬戶航空時(shí)代的驕子——鈦及鈦合金1964年8月蘇聯(lián)火箭紀(jì)念碑在莫斯科普羅斯克持米拉廣場(chǎng)34鈦在今天己逐漸走進(jìn)人們的日常生活中，“永不磨損”的錄像機(jī)鈦磁鼓、與人體組織“相親相愛”的人造鈦關(guān)節(jié)或鈦骨、“永保青春”的鈦制眼鏡架…·越來越多的鈦制品正在為人們所熟悉?？茖W(xué)家還希望鈦能在21世紀(jì)像鋼鐵和鋁一樣，成為人們?nèi)粘Ｊ褂玫慕饘?，所以稱它為21世紀(jì)的“第三金屬”。鈦在地殼中的含量高達(dá)0.6％，比鉛、錫、銅、鋅等常見的有色金屬加在一起還要多10多倍。應(yīng)該并不稀罕。但是，鈦長(zhǎng)期以來被誤認(rèn)為是“稀有金屬”，為什么？航空時(shí)代的驕子——鈦及鈦合金35高純鈦的優(yōu)良品質(zhì)高純度的鈦銀光閃亮，具有良好的可塑性和延展性，可以軋成板、壓成棒、抽成絲，甚至可以加工成薄如蟬翼的鈦箔。他們還發(fā)現(xiàn)，鈦雖說體重只有同體積鋼鐵的6成，但強(qiáng)度卻比鋼鐵還要高一倍；它的硬度與鋼相似、比鋁高1倍。若制成鈦合金還可以提高2-4倍。它不怕冷也不怕熱，在四五百攝氏度的高溫下或零下100多攝氏度的低溫下都能保持高強(qiáng)度；它抗腐蝕本領(lǐng)特別大，冷水、熱水、鹽酸、硫酸、硝酸，甚至是王水都奈何它不得。在海水里浸上5年照樣光采照人……航空時(shí)代的驕子——鈦及鈦合金36鈦的廣泛應(yīng)用到20世紀(jì)40年代，終于發(fā)明了在稀有氣體（如氬）保護(hù)下，用液態(tài)鎂與四氯化鈦反應(yīng)，制取金屬鈦的新方法，從而使提煉鐵的工藝逐漸成熟了。1947年，鈦首次實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。盡管當(dāng)年全世界一年只煉了2噸鈦，但到1955年，鈦的產(chǎn)量已猛增到2萬噸，到1972年產(chǎn)量又提高到20萬噸以上，80年代則已超百萬噸。現(xiàn)在，世界上鈦的產(chǎn)量還在以每年30％～40％的速度增加。航空時(shí)代的驕子——鈦及鈦合金37鈦的廣泛應(yīng)用在海底考察時(shí)，發(fā)現(xiàn)占70％地球表面積的海洋地步，蘊(yùn)涵這大量的礦藏。但是，如何實(shí)現(xiàn)海底考察，一直是困擾材料學(xué)家的難題。海水每加深10m，就會(huì)增加一個(gè)大氣壓的壓力，太平洋海底的平均深度達(dá)3957米，人如果到達(dá)這個(gè)深度，就要承受近400個(gè)大氣壓力，別說是人，就是鋼瓶，也早壓扁了。何況還有更深的地方，如位于馬里亞納海溝的海底深度達(dá)11034米，下到海底要承受1100多個(gè)大氣壓的巨大上壓力。航空時(shí)代的驕子——鈦及鈦合金38鈦的廣泛應(yīng)用科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，如果把人事先裝在一個(gè)耐高壓的容器里，再放進(jìn)深海，就可以不必承受那么大的壓力，從容器上開的小窗口就可以觀察海底的奧秘。1960年，美國曾造一艘載人的深海調(diào)查船，潛到10912米的深度，但這艘凋查船是鋼鐵制的，重達(dá)90噸，難以操縱，不得不廢棄。從80年代開始，日本海洋科學(xué)技術(shù)中心決定另辟蹊徑，尋找能潛入深海底，不怕海水的巨大壓力而質(zhì)地又輕的新材料去制作深海潛水器。于是，剛被發(fā)現(xiàn)不久的鈦合金以它的許多優(yōu)越性能被選上。航空時(shí)代的驕子——鈦及鈦合金39鈦的廣泛應(yīng)用他們采用輕而堅(jiān)硬又非常耐腐蝕的鈦合金，制造成深海調(diào)查船的耐壓容器。容器擘厚有3厘米，，壓制成圓球形狀，里面恰好可容納一名船員，容器前上方開有小窗口，從窗口射出的強(qiáng)烈探照燈光可以照亮海底。因?yàn)殁伜辖鹬亓勘蠕撦p得多（鈦的密度是4.5克／厘米3，鋼鐵密度為7.85～8克／厘米3），而強(qiáng)度卻是高強(qiáng)度鋼的兩倍，所以這種深?？疾齑{駛起來就靈便得多。航空時(shí)代的驕子——鈦及鈦合金40鈦的廣泛應(yīng)用1987年，新日本制鐵公司和三井造船公司共同制造了一個(gè)鈦合金容器，既輕又結(jié)實(shí)，經(jīng)受了l000個(gè)大氣壓力的試驗(yàn)，一點(diǎn)也沒有被壓癟。于是，日本海洋科學(xué)技術(shù)中心陸續(xù)用這種鈦合金容器制造出“深海一2000”號(hào)和“深海一6500”號(hào)海底考察船。航空時(shí)代的驕子——鈦及鈦合金41活的金屬——形狀記憶合金1962年，在美國海軍研究所。軍械研究室奉命研究一種新型裝備時(shí)無意中發(fā)現(xiàn)鈦鎳合金絲在溫度變化時(shí)具有形狀記憶的功能。研究組從材料的組成及其在不同溫度下的表現(xiàn)以及金相學(xué)角度等方面研究了多種合金材料的性質(zhì)。42他們研究發(fā)現(xiàn)：具有形狀記憶能力的合金并不只是鎳鈦合金一種，還有銅鋁合金、銅鋅合金、銅鎳臺(tái)金、鎳鋁合金等；不同的組成，甚至是組成雖然相同，但熱處理方法不同的合金，被“喚醒記憶”恢復(fù)原有形狀的溫度就有所不風(fēng)這些合金變形能力是無疲勞的，即使反復(fù)變形上百萬次也不會(huì)斷裂。研究的結(jié)果：活的金屬——形狀記憶合金什么是疲勞？怎么理解？43研究所主任冶金師布勒把金屬鎳和鈦的元素符號(hào)(Ni和Ti)加上海軍軍械研究室的縮寫符號(hào)NOL合并在一起，為有“記憶力”的鎳鈦合金起名為Nitinol，但人們更喜歡使用一個(gè)形象化的名字——形狀記憶合金(shapememoryalloys)形狀記憶活的金屬——形狀記憶合金44當(dāng)時(shí)的設(shè)想對(duì)形狀記憶合金的變形原理，布勒在研究中也提出了合理的假設(shè)：在這些合金中。金屬原子都是按照一定的順序排列起來的，當(dāng)受到外力作用時(shí)，它們會(huì)被迫“遷居”到鄰近的某個(gè)地方去“暫住”就此發(fā)生變形，當(dāng)我們給變形了的合金加熱到一定溫度時(shí)，這些被迫“遷居”的原子就會(huì)獲得必要的能量，“打回老家去”，恢復(fù)合金原有的形狀。這個(gè)特定的溫度被布勒稱之為“轉(zhuǎn)變溫度”，各種形狀記億合金的轉(zhuǎn)變溫度是不同的。活的金屬——形狀記憶合金45班克斯熱機(jī)轟動(dòng)科技界美國加利福尼亞州勞倫斯實(shí)驗(yàn)室的班克斯先生是個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)專家，他從資料中得知，形狀記憶合金有兩大類：一類叫單相記憶合金。它只能記憶轉(zhuǎn)變溫度以上的形狀；另一類叫雙相記憶合金，它能記憶高、低兩個(gè)溫度時(shí)的形狀，即在高溫時(shí)一個(gè)形狀，在低溫時(shí)又是一個(gè)形狀、可以反復(fù)變化。有一種經(jīng)持殊處理過的鎳鈦合金就具有雙相記憶功能。注：人們發(fā)現(xiàn)了形狀記憶的第三種形式，高溫時(shí)可以變到原來相反的方向？怎樣應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)的工作上？活的金屬——形狀記憶合金46用記憶合金制成的“班克斯熱機(jī)”，是一種有序動(dòng)力機(jī)，是從有序→有序的新式準(zhǔn)或近永動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，效率有趨向100%的趨勢(shì)。用微觀有序向宏觀有序進(jìn)行并做功的“預(yù)言”，已被“班克斯熱機(jī)”提早實(shí)現(xiàn)。而氣功的強(qiáng)勁，奇妙的神力和運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上觀眾跺腳頻率與建筑物的振動(dòng)頻率一致后，造成建筑物坍塌的結(jié)果，都是系統(tǒng)從微觀無序向宏觀有序，由分散在的無規(guī)，無序，相互抵消，耗損的低效無序能量向集中，加強(qiáng)的高效有序能量的轉(zhuǎn)化結(jié)果的體現(xiàn)?；畹慕饘佟螤钣洃浐辖?7是一臺(tái)外觀奇待的發(fā)動(dòng)機(jī)。它由一個(gè)可以作水平旋轉(zhuǎn)的輪子和兩個(gè)半圓形的水槽組成。輪子上的輻條是偏心結(jié)構(gòu)的，每根輻條上都掛著一個(gè)用鎳鈦合金做成的U形環(huán)。U形環(huán)一端固定在輻條上，另一端可以在傳動(dòng)桿上滑動(dòng)。兩個(gè)水槽里分別盛放著熱水和冷水。班克斯熱機(jī)的結(jié)構(gòu)活的金屬——形狀記憶合金48工作時(shí)，輪子先在外力下轉(zhuǎn)動(dòng)起來，U形合金絲環(huán)從冷水槽進(jìn)入熱水槽后，憑著記憶伸展、彈力沿著偏心的輻條滑動(dòng)過去給輪子一個(gè)切線方向的力，推動(dòng)了輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)合金絲環(huán)回到冷水槽中后，又自動(dòng)恢復(fù)為彎曲的U形。如此周而復(fù)始，輪子就在一個(gè)個(gè)合金絲環(huán)的作用下轉(zhuǎn)個(gè)不停，還帶動(dòng)了一臺(tái)小小的發(fā)電機(jī)發(fā)出了電。班克斯熱機(jī)的工作原理活的金屬——形狀記憶合金49班克斯熱機(jī)的意義班克斯的發(fā)動(dòng)機(jī)只能算是一個(gè)模型，對(duì)外輸出的功率也只有區(qū)區(qū)0.23瓦，但它讓人們看到了一個(gè)希望：一個(gè)不需要燃燒煤、石油或任何其他種燃料、一個(gè)絕不會(huì)產(chǎn)生廢液、廢氣或廢渣等環(huán)境污染物的“綠色發(fā)動(dòng)機(jī)”的希望。新發(fā)動(dòng)機(jī)的能源是溫度不同的水。而這在浩渤的海洋中有的是：表面和下面的水的溫度就是不同的。新發(fā)動(dòng)機(jī)雛形在國際科技界引起了極大的轟動(dòng)，被命名為“班克斯熱機(jī)”。活的金屬——形狀記憶合金50班克斯熱機(jī)的發(fā)展班克斯1973年首次表演時(shí)，他的新發(fā)動(dòng)機(jī)需要的熱水和冷水溫度分別為50℃和20℃，輪子每分鐘只轉(zhuǎn)60轉(zhuǎn)左右、輸送功率僅0.23瓦。到1983年，他已制成冷熱水溫差只要9℃，輸出功率有20瓦的班克斯熱機(jī)。據(jù)了解，今天在世界上至少有幾十個(gè)實(shí)驗(yàn)室，上百位專家在悉心研究班克斯熱機(jī)，千瓦級(jí)甚至萬瓦級(jí)的新型發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)已接近完成。這為大規(guī)模利用海水溫差發(fā)電提供了可喜的前景。

也許，世界能源結(jié)構(gòu)將被班克斯熱機(jī)徹底改變?；畹慕饘佟螤钣洃浐辖?1除了月球天線、班克斯熱機(jī)以外，數(shù)百種形狀記憶合金有關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)獲得發(fā)明專利。記憶合金探測(cè)裝置會(huì)在火神光臨時(shí)，因溫度升高而“記起”自己的職責(zé)，自動(dòng)報(bào)警，甚至自動(dòng)打開消防水龍頭。有記憶的煙灰缸：大家知道，吸煙不僅有害健康，而且常因忘了熄滅煙頭釀成火災(zāi)。為了防止這種不幸事故的發(fā)生，科學(xué)家用形狀記憶合金制成煙灰缸，當(dāng)煙頭燃至靠近缸邊，使溫度升高時(shí)，它就會(huì)“記起”自己以前的形狀，向內(nèi)變折，將煙頭滑人缸內(nèi)，避免不該發(fā)生的事故。形狀記憶合金前景燦爛（1）活的金屬——形狀記憶合金52記憶合金套管接頭在轉(zhuǎn)變溫度以下被稍稍擴(kuò)大，把要對(duì)接的對(duì)準(zhǔn)套在一起一經(jīng)加熱，便恢復(fù)原來的口徑。把兩根管子萬無一失地連接起來（1970年已用于美國F－14飛機(jī)空中加油管道的連接件）。記憶合金鉚釘使用時(shí)不要用鉚釘槍。不需要大榔頭，只要穿插在孔中，再加熱一烘，就自動(dòng)將該連接的地方緊緊地鉚接起來。汽車車身材料：用來制造這種汽車車體的記憶合金，具有單向記憶功能，它能記住自己在較高溫度下被制成的車體形狀。這樣，不管平時(shí)把它撞成什么樣的形狀，只要提供熱量（如陽光、熱水等），就會(huì)立即恢復(fù)到原來的形狀。形狀記憶合金前景燦爛（2）活的金屬——形狀記憶合金53采用形狀記憶合金制作弓形牙齒矯正絲，由于它的彈性大，彈力柔和，能在較大范圍內(nèi)產(chǎn)生拉力，使病患者感覺舒適，并可減少復(fù)診次數(shù)，縮短療程。美國現(xiàn)有75％以上的牙科醫(yī)生使用鎳鈦合金制的拱形絲矯正牙齒。記憶合金人造骨可以扭曲后便于安裝，再在體溫作用下蘇醒過來，使因折、裂而彎曲的骨路自動(dòng)復(fù)原。記憶合金與紡織產(chǎn)品結(jié)緣：如記憶內(nèi)衣，是一種既細(xì)又軟的形狀記憶合金線織成，集輕巧、柔軟于一身。其最大特點(diǎn)，是洗滌后，即便合金變型也不要緊，靠人的體溫就能很快地使其恢復(fù)到原來的形狀還有如今很多免燙面料，都是利用這種原理?！螤钣洃浐辖鹎熬盃N爛（3）活的金屬——形狀記憶合金54能源儲(chǔ)藏罐——儲(chǔ)氫合金目前，能源問題已受到世界各國的高度重視。因?yàn)榘雮€(gè)世紀(jì)以來，能源的消耗量急劇增加，石油、天然氣和煤等在地球上的儲(chǔ)量正面臨耗盡的危險(xiǎn)。據(jù)估計(jì)，石油和天然氣尚夠使用50—100年，煤的儲(chǔ)量較豐富也只能再用幾百年。因此，開發(fā)和利用新能源已提到了人類的議事日程上。人們自然想到了取之不盡、用之不竭的氫能，由于氫密度低，易爆炸，怎樣解決氫能的儲(chǔ)存是氫能得到實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。氫是一種高效的燃料，它的比熱是航空煤油的三倍，也就是說1公斤的氫可以代替3公斤煤油，目前任何化學(xué)燃料都無法和它相比。更重要的是它是一種潔凈的、無污染的燃料。因?yàn)闅淙紵龝r(shí)與氧結(jié)合，剩下的只是水，避免了產(chǎn)生有害的廢棄物。55能源儲(chǔ)藏罐——儲(chǔ)氫合金氫氣的儲(chǔ)存（1）普通工業(yè)中使用的氫是氣態(tài)的，氣態(tài)氫很輕，這是因?yàn)樗拿芏鹊?、單位體積內(nèi)所含的原子數(shù)少（5.4×1019原子/厘米3）。一般是將氫氣壓縮貯存在高壓鋼瓶中，以增加密度。然而使人感到驚訝的是，在常溫下即使鋼瓶?jī)?nèi)的氫氣加壓到150個(gè)大氣壓，所裝氫氣的重量還不到鋼瓶重量的百分之一?？梢姲醽戆崛サ匿撈浚瑢?shí)際差不多是空空如也。鋼瓶中貯藏氫氣還是一種危險(xiǎn)品，有著火爆炸的危險(xiǎn)，所以氣態(tài)儲(chǔ)氫既不經(jīng)濟(jì)，也不方便。采用低溫和高壓技術(shù)，在接近絕對(duì)溫度的低溫（－253℃）就可以使氣態(tài)氫轉(zhuǎn)化為液態(tài)和固態(tài)氫，這時(shí)的密度也提高了1000倍左右（4.2×1022～5.3×1022原子／厘米3）。56能源儲(chǔ)藏罐——儲(chǔ)氫合金氫氣的儲(chǔ)存（2）液氫在航空航天技術(shù)上作為燃料已使用了許多年，大型運(yùn)載火箭使用液氫作為燃料，液氧作為氧化劑，其液氫和液氧貯箱往往占去整個(gè)火箭一半以上的空間。一架航天飛機(jī)的起飛重量約2000噸，外貯箱中的液氫和液氧就占去約700噸。液氫的貯存和使用條件是很苛刻的。例如，美國肯尼迪航天中心的巨型球罐貯液氫90萬加侖，相當(dāng)于一艘巨型油輪。液態(tài)氫比氣態(tài)氫的密度高許多倍，固然少占容器的空間，但是，氫氣必須降溫到一253℃低溫才能壓縮成液體。液氫貯箱要有很厚的絕熱保護(hù)層來隔熱，才能防止液氫不沸騰氣化。這樣一來，絕熱層的體積和重量常常和貯箱不相上下。57能源儲(chǔ)藏罐——儲(chǔ)氫合金氫氣的儲(chǔ)存（3）1988年4月，第一架液氫飛機(jī)在原蘇聯(lián)試飛成功，這架由旅客機(jī)改進(jìn)的液氫飛機(jī)利用了客艙的二分之一作為貯氫罐放置地點(diǎn)，可供1.5小時(shí)飛行用。液氫的比熱比噴氣式飛機(jī)所用的航空煤油高三倍，也就是說所需燃料的重量只有普通煤油的三分之一，照理不難攜帶?？墒遣灰耍簹涞谋戎厝耘f較低，所以貯箱的體積就相當(dāng)龐大，何況還有一整套維持高壓（稍高于大氣壓）和低溫絕熱（－253℃）的裝置。58能源儲(chǔ)藏罐——儲(chǔ)氫合金儲(chǔ)氫合金（2）通常，人們只是把易與氫氣結(jié)合成金屬氫化物的合金才稱為“儲(chǔ)氫合金”。金屬為什么具有儲(chǔ)氫的本領(lǐng)呢?因?yàn)闅涫且环N很活潑的元素，能與許多金屬起化學(xué)反應(yīng)。一個(gè)金屬原子能與兩個(gè)、三個(gè)或更多的氫原子結(jié)合，生成穩(wěn)定的金屬氫化物，同時(shí)放出熱量。當(dāng)稍微加熱，金屬氫化物吸收熱量后，就會(huì)分解出高純度的氫氣。研究表明，能滿足儲(chǔ)氫材料基本條件的合金，其成分中的主要元素有鎂、鈦、鈮、釩、鋯和稀土類金屬，添加元素有鉻、鐵、錳、鈷、鎳、銅等。59能源儲(chǔ)藏罐——儲(chǔ)氫合金儲(chǔ)氫合金（3）現(xiàn)在研究開發(fā)的合金，有鑭鎳、鈦鐵、鎂鎳、混合稀土、非晶態(tài)類儲(chǔ)氫合金。儲(chǔ)氫合金有很好的吸附性能，不需要高壓高溫就能貯存氫和