现代工业的钢筋铁骨

现代工业的钢筋铁骨——金属

在我们日常生活中，经常谈到金属或金属材料。众所周知，铁、铜、铝、金和银是金属，钢是一种金属材料，而且，金属和金属材料的种类繁多，历史悠久。金属由于反射率高，因而有光泽，几乎可以说只有金属才有光泽。金属的重要特征是具有晶体结构。除水银之外，在室温下所有金属均为固体结晶状态。一提到金属，人们就会想到，它具有高强度而且又具有良好变形能力。众所周知，金属具有良好的导电性和导热性。腐蚀现象是金属和金属材料发生化学反应的一种标志。换句话说，这是其不利因素。

比重是划分金属和金属材料的一个重要标准。轻金属和轻金属合金，比重一般低于4．4克每立方厘米；重金属和重金属合金，比重高于4．4克每立方厘米，工业中最重要的轻金属是铝、镁及其合金；最重要的重金属包括铜、铅、锌和锡以及以这些金属为基础所组成的合金。在二者之间，还有钛，一般把钛划归轻金属。

虽然在古代已经使用金、银、汞和铅，到中世纪又发现了许多元素，但只是到18世纪中叶以后才开始对金属进行科学研究。在这一时期，又发现了许多具有金属性质的元素。例如，铂、镍、锰、钨和铬。在1800至1850年间，才首次制取了镁、镉及大部分碱土和碱金属，如铝、铍。到19世纪末，发现了钛、铯、铷和镭。在原子衰变过程中也产生新的元素。当前，我们已经知道了105种元素。

20世纪的工业高涨促进了冶金和制造技术的迅速发展，金属与金属材料产量越来越多，而且可加工成可以利用的器件。这时，虽然已能利用最现代化的科学知识和仪器仪表，但这种发展还不能认为是已进入真正科学研究的阶段。只是在最近，材料科学才迅速发展，在金属和金属材料中有许多重要发现。当前，在高度工业化的国家，大约已生产和加工了500种用量较大的金属材料，此时，金属已成为国民经济中头等重要的材料和工业材料的“主力”。

现代工业生产中，钢铁占有很重要的地位。钢铁产量往往是衡量一个国家工业水平和生产力水平的主要标志。目前，在整个结构材料中，钢铁占70%左右。由于它具有良好的物理和机械性能、资源丰富、价格低廉，并且工艺性能也很好，因此应用非常广泛。

钢铁虽然都是铁和碳组成的合金，但是含碳量不同，它们的“性格”有很大的差别。工业上以含碳量多少为标准，把钢铁分为生铁、纯铁和钢三种。

钢铁按照组成元素分为碳素钢和合金钢；按用途可分为结构钢、工具钢和特种钢。结构钢具有一定的强度和韧性，用途最广，一般用作结构零件，如用来制造汽车、轮船、钢轨、机械、油田井架、电视塔等等；工具钢的强度高、耐磨性好，大量用于机械制造，用工具钢做的刀具，可像切豆腐那样切削一般金属材料。特种钢按用途不同可分为磁性钢、耐磨钢、高温合金钢、低温钢、精密合金钢、电工钢等等。

发展现代化工业技术不仅离不开钢铁，而且还对钢铁材料提出了更苛刻的要求。例如，海洋工程用的钢材，需要很高的强度、韧性和耐海水腐蚀的能力；大跨度桥梁需要采用强度和韧性都很好的钢铁材料建造；发展航空航天技术则要求材料重量轻、强度高。对于这些特殊要求，一般碳素钢无能为力，只有合金钢才能担负起这方面的重任。所谓合金钢就是在钢中另外加入铬、镍、钨、钛和钒等化学元素，它们可以使钢材增加某一特殊性能。常用的合金钢有合金结构钢、弹簧钢、高速工具钢、滚珠轴承钢、不锈钢等。例如，高压容器要用合金结构钢制造；不锈钢韧性好、耐腐蚀，主要用于化工设备。

预计将来，工业材料虽然仍以钢铁为主，但是有一部分会被高分子合成材料所代替。同时，钢材在性能上也会有很大提高，除了钢材合金以外，将通过精炼技术、控制结晶技术、控制轧制技术、表面处理技术和热处理技术的综合应用来提高钢材性能，强度一般可望比现在提高1～2倍。各种复合钢材、预硬化钢材、异型断面钢材、彩色不锈钢将被大量采用；成百上千种性能近似的钢材由几种甚至几千种钢号所代替；钢材品种将更规范化、系列化，各国通用的钢材牌号也将取得一致；钢材的利用率将由现在的50%左右提高到80%，使用会更加合理。

自然界共有83种金属元素，通常按外观颜色分为黑色和有色金属两大类。黑色金属包括铁、锰、铬和它们的合金，其余80种金属都可统称为有色金属。有色金属也是重要的金属材料，它是现代化工业的生力军。常用的有色金属有铝、铜、钛、镁、镍、钴、钼、铅、锡、锌、金、银和铂等，它们的消耗量虽只占金属材料消耗量的5%，但具有许多特殊的优良性能，是别的材料难以代替的。例如，它们的导电、导热性好，比重小，化学性质稳定，耐热、耐腐蚀、工艺性好等等，是电气、机械、化工、电子、轻工、仪表、航天工业不可缺少的材料。

许多人以为铁是地壳中最多的金属，其实地壳中最多的金属是铝，其次才是铁。铝占地壳总重量的7．45%，比铁多将近1倍。现在，世界铝的产量已经超过铜，仅次于钢铁。

电线、电缆材料以铝代铜为发展方向。虽然铝的导电性能比铜稍差，但是铝的比重几乎只有铜的三分之一，可以把铝线做得粗一些，以增强它的导电性能，同时，铝的价格要比铜低得多。因此，在电力工业上，铝成了铜的有力竞争者。例如，我国第一条电气化铁路——宝成铁路线上，输电线便由铝来充当。

今后随着节能和产品轻型化问题的突出，高强度铝作为机械产品结构材料的比重会增长较大。

值得一提的还有钛。钛在地壳元素的大家庭里排行第九，比铜、镍、铅、锌的总和还要多16倍。那么为什么长期以来给它戴上了“稀有金属”的帽子呢？这是由于笨拙的冶炼方法所造成的。钛在高温下总是和氧、碳等许多元素紧紧结合在一起，很难分离，目前，工业上还没有一种好办法直接把钛和氧分开而得到金属钛。因此，钛还被埋没着，不能大量生产。

钛的外观很像钢铁，也呈银灰色。和钢铁相比，两者的硬度差不多，而钛的重量却只有同体积钢铁的一半，熔点也比钢铁高，要到1668℃才熔化，比号称不怕火的黄金的熔点还要高600℃。和铝比较，钛只比铝稍重一点，但比铝的硬度大2倍。钛在常温下性质很稳定，就是在强酸、强碱的溶液里，也不会被腐蚀。钛合金不仅强度高，而且耐高温和低温的性能也很好。由于钛具有以上许多优异的性能，已成为有色金属中备受青睐的“后起之秀”。随着科技的发展，在提高冶炼技术和降低成本的前提下，用不了多久钛将成为继铜、铁、铅以后，被广泛使用的金属。

除了常用的铁、铜、铅、铝、锌、锡、镁、金、银等金属以外，其他金属都可以算作稀有金属，其实，“稀有”与“普通”之间也没有什么严格的界限，不要把“稀有”和自然界含量很少的概念混为一谈。100多年前，铝还被视为“稀有金属”，现在也把钛认为“稀有”。实际上，它们在地壳里的含量都不少。那么究竟什么是稀有金属呢？可以这样来理解：所谓稀有金属，是指那些发现得比较晚、形成的独立矿物少，并常与多种元素伴生、很分散、又不易提纯的一些金属。

稀有金属共有50多种，可分为以下五大“族”：轻稀有金属、难熔稀有金属、放射性稀有金属、稀散金属和稀土金属。

轻稀有金属包括锂、铍、铷和铯等。它们的共性是轻，其中锂最轻，比重只有水的一半，放到油里也会飘浮起来。锂用来制造氢弹，是热核反应的原料，1公斤锂释放出来的热量相当于燃烧2万吨煤；铍是“原子锅炉”的结构材料，铍和青铜的合金还能制成弹性极好的仪表零件；铷和铯用于电子技术和自动化方面，例如把铷和铯喷镀在银片上，可制成光电管中的敏感元件。

难熔稀有金属有钨、钼、钽、铪、铌、铼等，它们都具有优异的电子特性和比其他纯金属高得多的熔化温度，是电子工业材料中的“主力”，可制造合金钢及耐高温构件材料。

放射性稀有金属主要有铀和钍，它们是原子弹的“炸药”和“原子锅炉”的燃料。1吨铀—235燃料，相当于250万吨优质煤，可供北京市一年照明之用。

稀散金属主要是锗、镓、铟、铊。它们不但稀有，而且分散。以锗为例，它并不集中在锗矿石中，而是分散在煤炭、铅锌矿和某些铁矿里，含量少到十万分之一。为了提炼像黄豆那样大一点点的稀散金属，要消耗成吨矿石。稀散金属用处很大，特别是在电子工业上用途非凡。锗是一种良好的半导体材料；砷化镓是一种新型半导体；锑化铟是一种对红外敏感的半导体，为遥感技术不可缺少的材料。

提起“稀土”，不少人感到生疏。但是在日常生活中，大家却经常碰到它。例如，彩色电视机图像中的彩色，就是加入稀土荧光粉产生的；打火机的火石也是由稀土制成的；陶瓷和玻璃品上漂亮而柔和的色彩，有些也是稀土的作用。

稀土当然不是“土”。就其资源来说，也并不稀少。它之所以叫稀土，是从18世纪沿袭下来的。局限于当时的科学技术水平，人们以为能提取这类元素的矿物是一种稀少的、类似泥土的氧化物，故名稀土金属。其实，它是一大类金属，共有17种元素：镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇。它们好比孪生兄弟，性质都十分相似，因此，在自然界中总是共生在一起。它们在地壳中的含量比常见的金属如铜、锌、锡都多，现在已发现含稀土的矿物达250多种。

稀土金属具有典型的金属性质，一般呈灰色，有的还有很高的导电性，适于锻造、热轧、冷轧和压力加工；化学性质也很活泼，能与许多元素发生化学反应生成化合物。

稀土金属应用在冶金、电气、玻璃工业等部门，多用来制造易燃合金、电弧碳棒和玻璃颜料等，也常用来改善合金性能，因此有“冶金工业维生素”之称。例如，在钢铁或有色金属里，只要加进千、万分之几的稀土金属，就可使零件“添劲强身、益寿延年”；生铁里加进铈，能得到球墨铸铁，使生铁变韧耐磨，可以铁代钢，以铸代锻。目前中国架设的从葛洲坝到武汉的高压线路，就是用稀土铝镁制的导线，它比一般导线强度高40%，每架设100公里，可节约投资5万～7万元。

现代工业技术方面，稀土还在光电材料、磁性材料、化工催化剂及核能等方面得到应用。作为光电材料，稀土还适用于产生激光，目前已用稀土制造彩色荧光材料；稀土活化物是很好的永磁材料；在核反应堆里，稀土可制作控制棒和结构材料。

金属材料在国民经济中具有重要意义，倘若没有金属制品，当前人类的发展状况和整个科技进步是不堪设想的。无论冶金工业、还是金属加工工业、机器制造和电力工业，在发展过程中所获成就都是在材料科学和制造技术基础上取得的，这些成就同时也为未来新的重要任务奠定了基础。根据金属材料在国民经济中的重要意义，可以断言，将来随着国民收入的不断增长以及工业产品生产的持续增多，对金属材料的需求也将增多。首先，除了提高冶金和金属加工工业的劳动生产率之外，还要发展、应用和广泛利用省料、节能、节约劳动时间的方法和工艺，还要充分发挥材料的经济效益。