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東莞市億隆模具鋼材有限公司
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你了解鋼嗎,什么冶金,鋼鐵,熱處理,鑄造-1

  • 作者:億隆模具鋼
  • 發布時間:15-11-14 14:16
  • 點擊數:81
  • 文章來源:億隆模具鋼材有限公司

------東莞市億隆材有限公司

晚熟的科技
        在石器時代,金屬非常罕見,因此備受珍惜。銅和金是當時僅有的金屬來源,因為地殼上只有這兩種金屬是自然存在的(其他都必須從礦石提煉),只是數量不算多。地殼上也有鐵,但絕大部分來自天上的隕石。

        關于從天而降的金屬,沒有人比家住波斯尼亞北部的拉伊奇(Radivoke Lajic)體會更深了。

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        2007 年到2008 年,他家就至少5次遭隕石擊中。在統計學上來說, 發生這種事的概率實在微乎其微,拉伊奇說外星人鎖定了他家,聽起來還滿有道理的。他在2008 年發表這個看法,結果他家又遭隕石擊中一次。科學家調查后證實是隕石沒錯,并開始研究他家附近的磁場,希望找出這非比尋常的高頻率背后的原因。

        拉伊奇展示2007 年以來擊中他家的五塊隕石
        少了金、銅和隕石鐵,我們石器時代的老祖先就只能用燧石、木頭和獸骨制作工具。使用過這些材料的人都曉得,用它們做成的工具用途相當有限。木頭一敲不是碎了、裂了,就是斷成兩截,石頭和獸骨也不例外。金屬跟這些材料根本上就不相同,金屬可以鍛造——加熱后會流動且有可塑性。不僅如此,金屬還愈敲愈強韌,光靠打鐵就能使刀刃更硬,而且只要把金屬放入火中加熱,就能反轉整個過程,讓金屬變軟。

        一萬年前最先發現這一點的人類,終于找到一種硬如巖石又像塑料般可以隨意塑形,還能無限重復使用的材質。換句話說,他們找到了最適合制作工具的材料,尤其適合制作斧頭、鑿子和刀鋒之類的切割用器具。

        我們的老祖先一定覺得金屬這種軟硬自如的能力非常神奇。我很快發現,布萊恩也有同樣的感受。他說他沒有什么物理和化學知識,全憑反復嘗試錯誤設計出他的發明,但終究成功了。他希望我能幫他測量經他的機器操作后,刀刃銳利度的前后差異,因為拿得出這種證據,他才有本錢跟剃須刀公司好好談生意。

       金屬晶體示意圖,剃須刀內的晶體便類似如此,其中的成排小點代表原子
       金屬由晶體組成,這個想法可能很怪。因為提到晶體,我們通常會想到透明的多面體礦石,例如鉆石或翡翠等。金屬的晶體特質從表面看不到, 因為金屬不透明,而且晶體構造通常小到必須用顯微鏡才看得見。使用電子顯微鏡觀察金屬晶體,感覺就像看到鋪得毫無章法的地磚,晶體內則是駁雜的線條,稱為“位錯”。位錯是金屬晶體內部的瑕疵,表示原子偏離了原本完美的構造,是不該存在的原子斷裂。位錯聽起來很糟,其實大有用處。金屬之所以能成為制作工具、切割器和刀刃的好材料,就是因為位錯, 因為它能讓金屬改變形狀。
 
        在這張簡圖中我只畫了幾個位錯,方便讀者想象。一般金屬內的位錯數量驚人, 而且會重疊交錯
        你不必用到錘子就能感受位錯的力量。當你拗回形針時,就是把金屬晶體弄彎,要是晶體不彎,回形針就會像木棍一樣碎裂折斷。金屬的可塑性來自位錯在晶體內的移動。位錯移動會帶著微量的這種物質,以超音速從晶體的一側移向另一側。換句話說,當你拗彎回形針時,里面有將近100,000,000,000,000 個位錯以每秒數千米的速度移動。雖然每個位錯只移動一小塊晶體(相當于一個原子面),但已經足以讓晶體成為超級可塑性的物質,而非易碎的巖石了。

        金屬的熔點代表晶體內金屬鍵的強度,也代表位錯容不容易移動。鉛的熔點不高,因此位錯移動容易,使得鉛非常柔軟。銅的熔點較高,因此也較堅硬。加熱會讓位錯移動,重新排列組合,結果之一就是讓金屬變軟。

        對史前人類來說,發現金屬是劃時代的一刻,但金屬數量不多的基本問題仍沒有解決。其中一個解決方法,是等天上掉下更多隕石來,但這么做需要很有耐心。每年約有幾公斤的隕石掉落地球,但大多數都落入了海中。后來有人發現了一件事,這個發現不僅終結了石器時代,更開啟一扇大門,讓人類獲得了一樣似乎永不匱竭的物質:他們發現有一種綠色石頭, 只要放進熱焰里再覆以火紅的灰燼,就會變成發亮的金屬。我們現在知道這種綠色石頭是孔雀石,而發亮的金屬當然就是銅。對我們的老祖先來說, 這肯定是最神奇的發現,遍布四周的不再是毫無生氣的巖石,而是擁有內在生命的神秘物質。

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         我們的老祖先只能對孔雀石等少數幾種巖石施展這種魔法,因為要有效地把石頭轉變成金屬,不僅得先認出正確的巖石,還要仔細控制它的化學狀態。但就算某些石頭無論加熱到多高溫度都還是頑石,絲毫沒有轉變, 我們的老祖先肯定還是覺得這些石頭藏有神奇的奧秘。他們猜得沒錯。加熱法適用于提煉許多礦物,只是那是幾千年后的事了,在人類了解其中的化學原理,知道如何控制巖石和氣體在火焰中進行的化學反應之后,熔融法才真正有了新的突破。

         沒有金屬銅,就沒有金字塔
         大約從公元前5000 年起,我們的老祖先便不斷嘗試錯誤,精進煉銅技術。銅制器具不僅促成了人類科技的突飛猛進,還催生了其他技術,以及城市和第一波人類文明的出現。埃及金字塔就是銅制器具大量應用的結果。建造金字塔用的巖石都是從礦場挖出來,再用銅鑿子一塊塊削成固定大小。據估計,古埃及人挖掘了大約一萬噸銅礦,制造出三十萬把銅鑿子。這是空前的成就。

         少了金屬工具,就算召集再多奴隸也蓋不出金字塔。尤其銅鑿子因為硬度不夠,并不適合鑿切巖石,拿來敲打石灰石很快就會變鈍,這使得這項成就更顯得了不起。專家估計,銅鑿子每敲幾下就得重新磨利才能繼續使用。銅不適合做剃須刀也是同樣的道理。

         金也是硬度較低的金屬,因此戒指很少用純金制作,否則很快就會刮壞。但只要加入百分之幾的其他金屬(例如銀或銅)來形成合金,就會改變金的顏色:銀會讓金變白,銅會讓金變紅,不僅如此,形成的合金還會比純金硬,而且硬上許多。金屬只要摻入少量其他物質就會改變性質,這是研究金屬的樂趣所在。

         以金銀合金為例,你可能好奇銀原子到哪里去了。答案是,銀原子就嵌在金塊的晶格里,占去一個金原子的位置。正是因為銀原子的取而代之, 金子才會變硬。

         金銀合金的原子結構圖,銀原子取代了晶體內的部分金原子

         合金通常比純金屬堅硬,原因很簡單:外來原子的大小和化學性質,都跟原本的金屬原子不同。因此嵌入后會擾動原本金屬晶體的物理和電子結構, 產生一個關鍵后果——讓位錯更難移動。位錯更難移動,晶體形狀就更難改變,金屬也就更堅硬。因此,制造合金就成為防止位錯移動的一門技藝。

         在自然界中,其他晶體里也會發生原子取代。純氧化鋁晶體是透明的, 但只要其中含有鐵原子就會變成藍色,也就成為俗稱的藍寶石。同理,純氧化鋁晶體包含了鉻原子也會變色,成為紅寶石。

         從黃銅時代、青銅時代到鐵器時代,在文明不斷發展中,合金也愈來愈堅硬。黃銅很軟,屬于天然礦產,而且容易熔冶。青銅比黃銅堅硬許多,是銅的合金,含有少量的錫,偶爾還包括砷。因此,如果手上有黃銅又知道方法,只需要一點功夫就能做出強度和硬度都比黃銅高十倍的武器和剃刀。唯一的麻煩是錫和砷非常稀有。青銅時代的人開發了許多精心找出的貿易路線, 從康瓦爾和阿富汗等地運送錫礦到中東各文明的中心,就是為了這個目的。

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