第五章 材料与技术（1）-中国青少年科学探索百科全书（中卷）

北 京 出 版 社 ENCYCLOPEDIA OF SCIENCE FOR YOUTH 中国青少年科学探索百科全书 中 卷 中国青少年科学探索百科全书 118 119 材 料 与 技 术Encyclopedia of Science for Youth 随着时代的日新月异，人们在提高科技的同时，更加注重深入了解各种材料 的性能，并及时予以应用。各式各样的材料 为我们提供了方便快捷、健康舒适的生活。几 千年来，人类文明的发展史实际上就是科技 应用的展现史。旧石器时代为新石器时代所 取代，铁器的流行替代了青铜器，土木的亭 台楼阁淹没在钢筋的高楼大厦之中，互联网 的使用让地球变成了村落……我们生活的空 间早已被各种实用材料和先进科技所包围， 正是由于有了这种环境氛围，才造就了众多 在大千世界里纵横驰骋、深入探索领域的科 学家，也才有了我们虽不能飞檐走壁，却可 以上天入地的神奇旅行，实现了人类亘古不 变的梦想。这就是科技带给我们的巨大变化。 中国青少年科学探索百科全书 120 121 材 料 与 技 术Encyclopedia of Science for Youth 富有中国传统特色的铜制铺首，既是 美观的装饰物，又极具应用性。 对中国而言，精美的青铜艺术品早在 公元前一千多年的商代就已出现。 金属 金属大都具有光泽，除水银以外，在常温下都是固体。目前人们所知的大约有80种金属，且大部分都可以在 地壳中发现。除了少数金属以纯物质的状态存在外，大部分 金属都是与其他元素相结合，以矿物和矿石的形态存在的， 因此人们必须利用采矿或其他方法取得矿 物，然后才能将所需金属从矿石中分离出 来。金属的用途很广，与人们的日常生活息 息相关。 金属的特性 大多数金属具有可塑 性，是可以延展的。一般说 来，受热后金属容易塑型。大部分 金属在超高温下都可熔化，然后将 熔化的金属注进模具。金属一旦冷 却，它就会在模具中变硬并形成与 模具形状一样的固体。金属既导电 又导热，是良导体。这是因为金属里的电子比非金属里 的电子移动得更自由。 由于金属是电的良导体，所以传输电力的电线都是金属制成的。 金属导热性很强，因此 烧开水的壶大都是金 属制成的。 研究金属的冶金学 冶金学是研究从矿石中提 取金属或金属化合物，用各种 加工方法制成具有一定性能的 金属材料，以及如何混合不同 的金属制成合金的学科，这其 中也包括研究增加金属和合金 的强度的学科。冶金学中一个 重要的研究对象，就是研究金 属的疲劳度，即金属逐渐老化 的程度。金属的疲劳由作用于金属件上的重复拉扯力(推、拉和扭)造成的。 如果金属受到过多的拉扯力，就会出现细微的表面裂缝。这些裂缝再承受 拉力的话，就会出现更多的裂缝甚至断裂。因此工程师们在设计飞机、汽 车、桥梁和机械时都要将金属的疲劳度考虑在内。这类物体都要经常检查 以便及早发现金属疲劳的征兆。 随着历史的发展，冶金学也在不断的进步。现代冶金 工业已达到了一个相当高的水平。 锻造 锻造是一种金属压力加工工艺。从简单的 金属块到复杂的雕像等各种形状，都可由锻造 制出。锻造就是用锤击或者压制的方法使金属坯 料产生塑性变形并形成具有一定机械性能、一定形状 和尺寸的锻件。通常是把坯料加热后再锻造，但也有在室温 下进行的冷锻和加热不超过再结晶温度的温锻。锻造有多种成型方法。例如自 由锻、模锻，另外还有连续锻造，就是让熔融的金属通过冷却之后，再经轧辊 压制成连续的金属带。锻造也应用在玻璃和塑胶的加工成型上。 淬火与回火 淬火与回火都是金属热处理工艺，但作用 却不同。将钢工件加热到较高的温度，保持 一定时间，然后把钢工件投入凉水中，或 者油中，或空气中，使其迅速地冷却， 使钢工件获得更高硬度和强度。这 种热处理工艺叫淬火。 把淬火处理后的钢工件，再加热 到一个较低的温度，保持一定时间， 然后停火，随炉温自然冷却，可以适当 降低钢工件的硬度和强度，却大大提高了钢 工件的韧性和塑性。这种热处理工艺叫回火。 通过冶金方法提取金属，需除去矿物中的杂质。 提取金属 地壳里有大量的金属。它们通常以化合物形式存在于岩石中，是不纯净 的，被称为矿石。矿石需经过提纯和化学处理后，才能得到纯金属。这个过程 被称为提取工艺，因为这种工艺可以将含杂质的化合物里的纯金属提出。在大 部分提取工艺中，首先要处理刚开采的矿石，将矿石与不含所需金属的岩石分 开。一般通过粉碎和清洗来完成。然后，再通过冶金的方法来提取金属。 铜 铜自公元前3000年以来，就一直被广泛使用。到了近代，更因其优良的导电性而被电力、电子 工业应用。铜呈淡紫红色，具有优良的延展性及导 电、导热性，是工业上的重要金属原料。人们生活的 周围到处都有铜制品，像电器插头、插座、电线，还 有公园、博物馆中展示的铜塑雕像。铜存在于地下的