不知道你有没有这样的经验:把耳朵贴在钢轨上,能听到远方火车的滚滚车轮声。声音在钢中的以5000米/秒高速度传到你的耳中,它比声波在20℃空气中344米/秒的传播速度快得多。钢内部组织的连续性带来了较强传递振动的能力,当然也是较差减振性。而铸铁中存在石墨,情况就不同了。石墨作为一种非金属夹杂物,破坏了合金组织的连续性,石墨的强度比起金属来差得多,可以近似地把它看成为“微小的裂缝或空洞”,所以振动在传递时碰到石墨只能“绕道而行”,再加上石墨本身非常松软,在振动时会反复变形,从而把振动能变成热能而散发掉。石墨的数量愈多,吸收的振动能愈多,这样就起到了减振的作用。
含有较软石墨的铸铁,属于复合型防振合金,常用来制造要求减振性好的机床床身、机架、箱座、壳体等。例如,在精密磨床上用砂轮可以磨削出平滑如镜的工件,它的尺寸误差只有头发丝粗细的几百分之一,在磨削时要求磨床非常平稳,不允许较大的振动。这时就请铸铁来“帮忙”,它能非常称职地充当精密磨床床身材料的“角色”,任你砂轮飞速转动,火花四溅,铸铁床身巍然屹立,稳稳地托住工件,即使有什么“风吹草动”,也能吸振、消振,起到缓冲作用。作为减振能手的铸铁,到处受到机床工人的欢迎。
锰铜合金和铸铁都是把原来“发声”的金属变成“哑巴”金属,令噪声无法产生或使其减弱,但这有时不一定能完全达到降低噪声的指标。有一种“三明治”式的减振钢板可以用吸声材料和隔声材料把噪声源封闭起来,不让噪声传出去,这种做法同样可达到降低噪声的目的。
这种减振钢板的外形结构与“三明治”差不多,它是在两块钢板间夹有或涂有一层薄薄的树脂而组成的复合钢板。树脂能吸收振动能并将其转化为热能,同时多层界面本身也具有减振吸能的作用。这种减振钢板把树脂优异的减振性能和钢板的高强度巧妙地结合在一起,取长补短,相得益彰。为了减少汽车振动和降低噪声,这种减振钢板在汽车工业中获得了广泛的应用。它的厚度为0.2~1.2毫米,中间的树脂层厚度为0.04毫米。用这种减振钢板制成的零件和用普通钢板制成的零件相比,振动噪声一般可降低3~5分贝。
也有人把这种“三明治”式或简易的减振钢板,再与吸声效果好的纤维材料、泡沫材料等组合,制成隔声镶板。这些减振钢板或隔声镶板广泛应用于需要消声、隔声、减振的场合,如用于制造机器板材或构件、发动机转动部件或家用电器等,也可用于建造电子计算机机房、打字机室、电话交换台室、体育馆、宾馆卧室、会议厅,以及居住区附近的高架公路或高速公路的防噪装置等。
超塑性合金
你读过尼古拉·奥斯特洛夫斯基的著作《钢铁是怎样炼成的》吗?它并非为我们介绍炼化钢铁的过程,而是怎样成为钢铁一样的人。那为什么用钢铁来形容英雄一般的人呢?因为它坚硬刚强。这也是一般金属的性格。可是世界上还有一种和面团一样柔软的金属——超塑性合金。
我们之所以使用金属,是因为它们具有较高的强度和刚度,能在外力的作用下不变形、不断裂,经久耐用。看看东方明珠电视塔巍然屹立在黄浦江边,瞧瞧大吊车把成吨的钢铁轻轻抓起来,想想万吨远洋巨轮经受了台风的考验胜利归航……。从使用角度来说,人们要求金属强而硬,这样可以减轻构件的自重,节省材料,延长寿命。
在制作这些金属制品时,有一种常用的制造方法叫作“压力加工”,即在外力作用下使金属产生塑性变形,以获得具有一定形状和尺寸的毛坯或零件。像起重机的吊钩、机器的主轴、轿车的外壳等都是用这种方法生产的。为了适合于压力加工,就要求金属塑性好,容易变形,这样可以做成复杂的形状,变形时较省力,消耗的能量也较少。
人们头脑中出现了一种理想的金属:在制造过程中要能像面团一样柔软,制成后使用时又要求坚固耐用。去哪里寻找这种软硬结合的金属呢?这种金属到底存不存在呢?答案是肯定的,它就是超塑性合金。
要想了解什么是超塑性合金,须先介绍一下“塑性”的含义。所谓塑性是指材料在外力作用下产生永久变形而不致引起破坏的性能。塑性常用伸长率(单位长度的伸长量)来衡量。例如,原来长度为100毫米的金属材料,拉断后再接起来的长度为120毫米,则该材料的伸长率为20%。对普通的金属材料来说,黑色金属的伸长率不超过40%,有色金属不超过60%,即使在高温时也达不到100%。而超塑性合金的伸长率可达1000%~2000%,个别的可高达6000%。迄今为止,对超塑性合金尚没有严格确切的定义,目前一般是指在一定温度和变形速度的条件下,在断裂前具有异常大伸长率(对黑色金属来说大于100%,对有色金属来说大于200%)的合金。1920年,德国科学家罗森汉在研究锌铝铜合金时,在温度为250℃的条件下,以非常缓慢的变形速度对其进行拉伸,发现了这种材料具有超塑性的奇异现象,伸长率竟可达1000%。1945年苏联科学家包奇瓦尔等提出了“超塑性”的概念。到目前为止,人们至少已发现了170多种超塑性合金,如锌合金、铝合金、钛合金、镍基耐热合金、铁基合金等。
金属的超塑性只是在一定的条件下才可以实现的,在通常情况下体现不出来,否则我们也无法得到我们理想中的金属。根据金属材料的结构和变形条件(温度、应力),可将超塑性合金大致划分为两大类:微晶超塑性合金和相变超塑性合金。微晶超塑性合金产生超塑性的条件是:变形温度要高,变形速度要低,材料的晶体结构应为微细晶粒;相变超塑性合金虽不具有微细晶粒,但它在加热到一定的温度时,其内部结构会发生变化。纯铁、碳钢、铸铁及合金钢等都属于相变超塑性合金。例如,含碳量1.3%的碳钢,在650℃~900℃变形,便获得了500%的伸长率。铸铁一向被认为属于脆性材料,是无法锻造的,但当它变成超塑性铸铁后,在600℃~800℃变形后,也可获得很大的伸长率。
接下来,我们去看看超塑性合金在现实生活中,为我们带来的便利:
1、超塑性合金适合于各种形状复杂的零件及薄壁零件的成形。例如钛合金,它具有强度高、密度小、耐蚀性好等优点,是目前航天器、飞机、导弹等设备的重要结构材料,但它属于难加工的材料,用普通的压力加工方法难以生产出形状复杂的零件。人造卫星的球形燃料箱,厚度只有0.7~1.5毫米,只有采用超塑性加工法才能成形。又如,用钛合金制造飞机隔架,若采用普通锻造法,对每个隔架来说,需要先锻成158.8千克的毛坯,再进行机械加工,而用超塑性模锻,只需227千克材料即可锻出,每个隔架能节省材料136.1千克材料。B-1喷气式飞机的舱门、尾舱、骨架,原用100个零件组装而成,现用超塑性加工,可一次成形,这使尾舱架的重量减轻了33%,成本降低了55%。
2、由于超塑性合金表现出优异的塑性,故一次变形就可达到极大的变形量。以前要用几次“深冲”工序加工才能形成的中空杯状零件,现在只要一次就能完成。以前进行拉拔加工时都要将坯料通过拉拔模孔成形,现在可采用无模拉拔方法。将受拉的线材一部分置于加热用的感应线圈中,在超塑性温度下,一边移动感应线圈加热,一边拉拔,被拉长的部分随即喷气冷却,这样将感应线圈从线材的一端移动到另一端,就完成了全部的拉拔过程。依靠调节拉拔速度和线圈移动速度,就可以获得各种截面尺寸。
3、超塑性合金的变形抗力非常小,通常只有一般金属的几分之一,甚至几十分之一,因此大大减小了成形压力。同时,它还减少了工序,精简了设备,节约了能源。例如,锌铝合金(含铝22%)采用通常的冲压成形方法需要40~50兆帕的压力,而利用超塑性加工只需要0.1~0.2兆帕的压力,它可以用1~2个大气压(1个大气压合101.325千帕)的压缩气体进行吹塑成形。
神奇的超导体
原始人类学会利用火,成为了人类进化使上的里程碑;人类学会利用电,现代工农业生产、国防建设、科学研究和日常生活水平,都取得了长足的进展。电可以说是人类征服自然、改造自然的重要工具。但是电从发电厂发出来,向各个地方传输的过程中,却受到了来自导线电阻的阻碍作用。电流克服电阻需要消耗能量,这部分能量以发热的形式,白白地损失掉了,有时热还会影响到电气设备中的元件以及周围的精密器械。给人们带来很大的不便,那能不能制作出没有电阻的导线呢?