书城科普读物科学探究丛书-新材料
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第6章 新型金属放异彩(2)

金属玻璃具有优良的磁学性能,如磁感应强度和磁导率高,热稳定性好,同时还具有较高的耐磨性和耐腐蚀性,再加上目前主要生产的是带状和丝状金属玻璃制品,故适宜用作磁性材料,如铁芯、磁头、电极、磁盘等。如果用金属玻璃制成收录机的磁头,可以避免磁头尖部的脱落现象,能降低磁头与磁带摩擦发出的噪声,虽然称不上是永不磨损的磁头,但肯定能延长使用寿命,并带来优美、清晰的音质和理想的音响效果。用金属玻璃制作的电磁传感器,已成功地应用在城市交通信号自动控制装置的探头上,同用其他材料制作的探头相比,电路电压降低一半,输出信号强度增加2倍,作用距离延长1倍,成本仅为后者的1/10左右。此外,金属玻璃还可以代替石英制作雷达、计算机的导声材料、敏感元件等。

电动机、变压器的铁芯都不是整块金属,是由许多薄硅钢片重叠组合而成的。这是因为交流电通过导线时,电磁感应会在铁芯中产生涡电流,块状铁芯中电阻很小,涡电流很强,使铁芯发热,消耗大量电能;而采用由涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压制成的铁芯,由于硅钢的电阻率比普通钢大,再加上涡电流被限制在狭窄的薄片之间,回路中电阻进一步增大,消耗的电能只有普通钢的1/5~1/4。要是用金属玻璃来代替硅钢片,变压器的空载损耗可减小2/3。如果全国铁芯的原材料都采用金属玻璃,每年可节约100亿度电,以每度电0.5元计,不光节约了50亿元人民币,而且更重要的是缓解了能源紧张的问题。金属玻璃具有高饱和磁感、低铁损、低密度和成本低等优点,是制作航空变压器铁芯的理想材料,采用它可以使变压器做得轻巧、紧凑,适合于航空事业发展的需要。钢铁在空气中容易生锈,遇到酸、碱、盐物质也会被严重腐蚀。全世界每年因腐蚀而损失的钢铁,约占全年钢铁产量的1/3,腐蚀对于金属来说就像癌症对于人类一样可怕,它使我们遭受多么巨大的损失!人们设想了许多防止金属腐蚀的方法,其中一个行之有效的措施是在钢中添加铬、镍、硅、铝等元素,改善钢的耐腐蚀性能,做成鼎鼎有名的不锈钢。有过这样的试验,把两块质量都是20克的不锈钢和普通碳素钢,在煮沸的稀硝酸中放置24小时,结果普通碳素钢腐蚀掉6.4克,而不锈钢也腐蚀掉0.2克。绝对的事情是不存在的,不锈钢只是在通常情况下不生锈,在抑制生锈方面金属玻璃要比它好的多。不锈钢在温度为40℃、浓度为10%的三氯化铁溶液中,每年表层被腐蚀掉18毫米,而含铬的金属玻璃在同样情况下,几乎没有被腐蚀。金属玻璃内部原子呈无序排列,不存在晶体的交界面,也不存在晶体缺陷,腐蚀液体无法入侵;再加上含铬氧化物在金属玻璃表面形成了一层致密而均匀的保护膜,将金属玻璃保护的密不透风,这就是金属玻璃高抗腐蚀的原因。

此外,金属玻璃还具有其他优良的性质:强度极高,目前铁系金属玻璃的屈服强度约为4000兆帕,镍系和钴系金属玻璃的屈服强度约为3000兆帕,远远超过了同类的晶态合金的强度;塑性良好,可经受180°弯曲而不断裂;抗裂纹扩展能力强,断裂韧性值约为钢的5倍,铝合金的10倍,硅酸盐玻璃的1万倍。金属玻璃定会在未来的材料界中大放异彩。

目前缺乏金属玻璃大型块状材料和金属玻璃的热稳定性差是阻碍金属玻璃材料蓬勃发展的主要障碍,我们必须通过我们的努力去解决这些问题,使金属玻璃在未来的世界中得到广泛的认可。

记忆合金

记性力对我们的学习和生活十分重要,没有它人类文明也不可能有今天如此辉煌的发展。倘若金属也有记忆,结果如何呢?

相传上世纪六十年代初的一天,美国海军军械实验室的研究人员领来一批镍钛合金丝,也许是在制造过程中处理不当,合金丝被弄弯了,他们只能一根一根地将合金丝校直。有人顺手把校直的合金丝堆放在炉子的旁边。这时,意外的事情发生了,一些校直的合金丝在炉温的烘烤下,不一会儿都恢复到原来弯曲的形状。前功尽弃,令人懊丧,于是不得不重新校直合金丝。起初,他们没有领悟到其中的原因,还是把校直的合金丝堆放在炉旁,结果合金丝又变弯了,这种现象重复出现了多次:校直,弯曲,再校直,再弯曲……直到人们把校直的合金丝换了一个地方堆放,不再受到炉温的烘烤以后,合金丝才继续保持挺直的形状。

这到底是怎么回事呢?金属丝也能记住它们原先的形状吗?可是后来校直的合金丝为什么不再弯曲了?难道问题解决了?科学的发现需要我们做有心人,处处留意这些貌似偶然的意外事情,勤于思索,善于思索,透过现象看本质,进行深入细致的研究。美国海军军械实验室的研究人员正是紧紧地抓住了上述的意外事情,开展反复的试验研究,终于发现了50%镍和50%钛的合金在温度升高到40℃以上时,能“记住”自己原来的形状。科学家把这种现象叫做“形状记忆效应”。1963年,在一次美国海军科学会议上,他们宣布了自己的研究成果,并向会议代表演示了“形状记忆效应”实验。后来,经过许多科学家的辛勤劳动,人们又发现铜锌铝合金、铜镍铝合金、铁铂合金等也具有“形状记忆效应”。科学家把这类合金叫做“形状记忆合金”。

这种形状记忆合金和我们经常见到的弹簧的形变是不一样的。当我们用不大的力去拉弹簧时,弹簧的伸长和受到的拉力成正比,撤除对弹簧的作用力,弹簧又恢复到原来的长度。人们把这种外力去除后能恢复的变形叫做弹性变形。如果我们的拉力过大,超过了材料的弹性范围,放手后弹簧不能恢复到原来的长度,弹簧就损坏了。这种外力去除后不能恢复的变形叫做塑性变形。然而,形状记忆合金具有与一般金属不同的新特性:它们虽然产生了塑性变形,但只要稍微加热,便仿佛有记性似地恢复到原来的形状。这种特性对于传统的塑性变形概念来说,简直是不可思议的。

形状记忆合金为什么可以记住自己原来的形状,科学工作者们正在孜孜不倦的研究中。但从根本上来说,形状记忆合金的特性是由它的内部晶体结构所决定的。

这类合金在一定的温度范围内具有一定的外形,而且,合金内部的原子排列具有同外形相适应的可逆转变结构。形状记忆合金都有一定的转变温度,在转变温度以上,加工成欲记忆的形状,合金内部原子则排列成一种稳定的结晶构造。把它冷却到转变温度以下,施加外力改变它的外形,此时,它的原子结合方式并未发生变化,只是原子离开自己原来的位置,在邻近的位置上暂时地停留着。如果把这种变形后的记忆合金加热到转变温度以上,由于原子获得了向稳定结晶构造转变所需的能量,就又重新回复到原来的位置,从而又恢复了以前的形状。

虽然我们还不知道它们为什么会有如此神奇的功能,但聪明的人类却将它们的神奇功能发挥的淋漓尽致。

1969年7月21日,人类首次太空之旅成功,阿姆斯特朗、科林斯、奥乐德林乘坐“阿波罗11号”宇宙飞船登上月球,在月球上度过了难忘的21小时。此后,人类又先后数次成功地实现了载人的登月飞行,给地球传送了许多珍贵的天体资料和科技信息。鼎鼎大名的镍钛合金利用它的“形状记忆效应”,为宇航事业立下了汗马功劳。

为了将在月球上收集到的各种信息发回地球,必须在月球上架设直径为好几米的半球形月面天线。然而,要把这种庞然大物直接放进宇宙飞船的船舱中,几乎是不可能的。美国航宇局先用镍钛合金在40℃以上制成半球形的月面天线(这种合金非常强硬,刚度很好),再让天线冷却到28℃以下。这时,合金内部发生了结晶构造转变,变得非常柔软,所以很容易把天线折叠成小球似的一团,放进宇宙飞船的船舱里。到达月球后,宇航员把变软的天线放在月面上,借助于阳光照射或其他热源的烘烤使环境温度超过40℃,这时天线犹如一把折叠伞一样自动张开,迅速投入正常的工作。

形状记忆合金在连接零件和管道的方面,也是名副其实的专家。例如赫赫有名的美国F-14战斗机上的液压系统管道,由于结构紧凑而无法焊接,用形状记忆合金制造连接套管,解决了这个困难。只要先在室温下将套管内径加工成比管道外径稍小一些的尺寸,再将套管在低温下扩大内径,套在欲连接的管道外面,当温度升高到室温时,就紧紧收起,将管道封接得非常严密。迄今为止,人们已使用了10多万个形状记忆合金接头,无一损坏,十分安全。

形状记忆合金在医疗器械方面也有着广泛的应用。例如,TiNi合金的生物相容性很好,利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、避孕器、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等。形状记忆合金还能在各种自动调节和控制装置中大显身手,是制造机械手和机器人的理想材料。用它来制造火灾自动报警器,只要周围出现火灾的苗子,它就毫不犹疑地回复到原来的形状,发出报警的信号喷水救火。

记忆合金目前已发展到几十种,在航空、军事、工业、农业、医疗等领域有着用途,而且发展趋势十分可观,它将大展宏图、造福于人类。

“哑巴”金属

在我们生活中,声音无处不在,无时不在。离开了声音,人类就会进入因寂静而无法生存的世界。然而,声音也有对人类不利的一面——噪音。随着社会的发展,城市在不断扩大、工农业和交通事业也在不断发展,人类安静的生活环境受到破坏,人们时时受到噪声的骚扰。人们用金属材料制造各种机器和设备,它们在给人们带来便利的同时,也使得噪声污染更为严重。声音是由于物体的振动发出来的,噪音也不例外。所以,要减少噪声的污染,首先得尽量防止振动和减少振动。为此,目前材料科学家们正在致力于寻找一种“哑巴”金属——防振合金。

为了消除躁声,先要了解躁声。噪声,从物理性质上看,是由声源作无规则的非周期性振动而产生的,听起来有嘈杂、刺耳的感觉。从环境保护的角度看,人们把一切对生活和工作有妨碍的声音都算作噪声,绝大部分用金属制造的机器和设备,在加工和使用过程中却产生出对人类有害的噪声。

消除噪声,是消除它多方面的危害。首先,噪声会影响身体健康,产生头痛、脑胀、耳鸣、眼花等症状,引起心律不齐、高血压、冠心病、消化不良、胃溃疡等疾病,严重时还会导致鼓膜破裂、双耳变聋、脑震荡、休克和死亡。其次,噪声对正常生活和工作产生干扰,噪声使人心烦意乱、注意力不集中,妨碍休息和睡眠。第三,特强噪声会损坏仪器设备和建筑结构,带来灾难性的破坏。当超音速飞机在低空掠过时,引起的“隆隆声”相当于炸弹爆炸,会使门窗损坏、墙面开裂、屋顶掀翻、烟囱倒塌。据统计,在机械制造业中,近80%的事故和设备损伤与噪声有关。噪声可通过空气振动和固体振动两种途径传播,而对付噪声,则有吸收和反射两种方法。对于空气中传播的噪声,可采用隔声和吸声材料加以隔离;对于固体振动引起的噪声,就要看今天我们的主角——防振合金了。

金属材料与高分子材料(如塑料、橡胶等)相比,金属材料的强度高,适合于作为工程结构和机械零件的材料,但它的振动衰减性差,容易产生振动和噪声。像塑料等高分子材料减振性好,但无法用在强度要求高的场合。要是有一种材料是金属一样坚硬,同时它还具有塑料的防振性该多好。为此,科学家们夜夜日日在孜孜不倦的工作,终于找到了一种防振性好而且强度高的材料——防振合金。这种防振合金可利用金属本身所具有的高减振性能,来达到减振、消声的目的。目前生产中应用的防振合金有数十种,例如有减振和强度兼优的锰铜合金、镍钛合金,有常作为机床床身、机器底座的灰口铸铁,有用于制造立体声放大器底板的铝锌合金,也有作为蒸汽涡轮机叶片材料的铬钢,更有用作火箭、卫星上精密仪器防振台架的镁锆系合金等。

接下来我们介绍几种防振合金:

目前被认为性能较好的防振合金是锰铜合金。据说,当初有一块含锰量为80%的合金掉在地上,并未发出多大的声音,因而引起了人们的兴趣。从此,美国矿山局开始研究它,英国有关方面也研究它。结果,英国研制成功了含54.25%锰、37%铜、3%铁、1.5%镍的合金,这种合金被称为“索诺斯同”(Sonoston);美国研制成功了含40%锰、58%铜、2%铝的合金,该合金被称为“因克拉谬特”(Incramute);而上海交通大学则研制成功了我国自己的锰铜合金。

锰铜合金的结晶构造进行了重新排列造就了它优越的减振性。锰铜合金依靠容易移动的晶体界面及在运动过程中产生的能量损耗,对振动起到阻尼作用,从而能有效地吸收噪声。生产中常用振动波传递过程中振幅的衰减程度来计算材料的减振系数。减振系数愈大,则材料的减振性愈好。锰铜合金的减振系数为40%,低碳钢的减振系数仅为4%,锰铜合金的减振性要比低碳钢好的多。

锰铜合金简直就是传说中的“哑巴”金属。用锤敲打锰铜合金,如同敲打橡胶那样沉闷,即使使劲把它摔在水泥地上,也只发出轻微的“噗噗”声。用锰铜合金镶嵌在燃气轮机或凿岩机钻杆的轴承套上,机器开动时,它“不动声色”,可降低噪声几十分贝,为延长机器寿命和改善劳动条件“默默无闻”地作出了贡献。圆盘锯、链式输送机、高速纸带穿孔机等许多机器,都是锰铜合金大显身手的用武之地。用锰铜合金制成防音车轮,为降低城市噪声,维护宁静的生活环境立下了汗马功劳。

另一种经常使用的防振合金是铸铁。从化学成分讲,钢和铸铁都是铁碳合金,但是铸铁的含碳量要比钢高,铸铁组织相当于在钢的基体上分布着碳。而这些碳又主要以石墨形式存在。铸铁中的石墨具有吸收振动能量的本领,因而铸铁的防振性要比钢强。