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金属的硬和软

来源:未知作者:单莹 点击:所属专题: 金属通性
我们在日常生活中所见到的金属,主要是做成锅、剪、电线、冰箱、汽车、铁桥等等各种各样的生产或生活用具,并且知道这些东西都是钢筋铁骨的“硬家伙”,一般是不会发生变形的,因此在我们的观念中,“金属都是硬的”这样的观念就形成了。然而,我们学过了化学,这样的认识就

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我们在日常生活中所见到的金属,主要是做成锅、剪、电线、冰箱、汽车、铁桥等等各种各样的生产或生活用具,并且知道这些东西都是钢筋铁骨的“硬家伙”,一般是不会发生变形的,因此在我们的观念中,“金属都是硬的”这样的观念就形成了。然而,我们学过了化学,这样的认识就不应该了。

其实,那些供我们使用的金属中,大多数都是不纯的,它们不但含有其它的杂质,而且还都是和其它金属化合而成的金属的硬和软合金。我们知道,像一些纯金属钠、铝等都是软金属。铜、铁的本来面目也根本不是硬的,纯铁(即熟铁)是很容易变形的。这些纯的金属,只有当它们和杂质或其它金属相混合,或者在适当的温度下进行热处理或加工使之转变成难以变形的状态后,才能加以广泛利用。

和上面的情况相反,由于金的价格昂贵,所以不允许大量使用,使用最多的也不过是做成金条或装饰品。而这些人们常见的金制品,都是近乎于纯金状态。所以在和其它金属相比时,常常认为纯金是特别软的。其实,只要纯度一高,铝和铜也能和纯金一样的软。我们平常熟知的碳钢,是由铁和碳混合在一起所形成的钢,是一种曲型的坚硬而且不易被变形的金属,广泛地被运用来制造机械零件和建筑结构材料。但是,只要组成这种钢的铁具有较高的纯度时,它比金也不会硬多少。此外,纯镉和纯锌比纯金还要软。总之,只要纯度高,并不限于金是软的,而是所有的金属都是软的,只不过在程度上多少有些差异而已。因此,当我们问“纯金为什么软”时,实际上应该问“纯金属为什么这么软”,这样更准确一些。下面我们就来回答这个问题。

实际上金属的软和硬和金属变形的易和难在意义上是相同的。因此我们下面先来说明一下金属的变形情况。

我们深入到金属形成的分子、原子阵列中去看,金属中的原子通过在三维空间内呈规则排列形成金属的晶体。但是这种晶体可以沿着特殊的晶面位于晶面两侧晶体互相滑移,如果滑移是沿着较多平行的晶面进行的,那晶体就作为一个整体发生变形。发生滑移的特定晶面称为“滑移面”,这种面决定于金属的种类。假如金属是由“理想晶体”,即完全晶体所构成,由于挟持滑移面两侧的原子之间具有很强的结合力,所以要使晶面两侧的晶体全部、同时地在整个滑移面上互相滑移时,所要的力量是极大的(见表中所列出的理论值)。从这种力的大小来看,不得不说所有的金属都是硬的。

临界剪切应力的理论值与计算值

金属名

临界剪切应力(千克/毫米2

理论值与实没值之比

理论值G

实测值

 

AI

Au

Ag

Cu

Ni

Fe

Mo

Cd

Zn

450

470

490

770

1310

1410

2030

410

630

0.08

0.092

0.038

0.05

0.05

1.7

7.3

0.013

0.018

5600

5100

12900

15400

26200

800

280

1500

35000

然而,正如我们在表中看到的,使金属进行滑移而产生变形的实际所要的力,还不到理论推测力的几千分之一(见表中的实测值)。这是因为金属在凝固和结晶化时,并不能形成理想的完全晶体,只能形成含有叫做“位错”的这样一种有晶格缺陷的不完全晶体。所谓位锗,是指在晶格中形成的一种线性缺陷,据人们研究发现,目前还不可能制出没有这种缺陷的金属晶体(只有半导体是可能的)。由于位错的存在,使得金属在外力不大的情况下就能发生变形。

晶体内部的位错在外力作用下,可以在滑移面发生移动,产生了部分滑移。而这时所带来的表面缺陷,又使得位于滑移面两侧的晶体互相滑移。使位错移动的力很小,只要有整个范围内同时滑移力的几千分之一就够了(如果是一块较大的金属,那几千分之一的力也是很大的)。然而开始移动的位错,当它一直移动到晶体表面有缺陷的时候,它才会停止,但如果在它移到晶体表面缺陷之前遇到障碍物时,它将会阻止位错发生移动,使变形发生困难。

假如想要使所利用的金属不容易变形,那么就要有意识地向金属中加入上述障碍物。用作这种障碍物的可以是杂质,也可以是原子半径不同的其它金属或其它滑移面上的位错等。所以,如果金属中杂质的含量非常少,并且在同一滑移面上又存在着适当数量的位错时,这种纯金属就一定是软的。不过,即使是这种柔软的纯金属,如果使它的晶体发生大量形变,引入许多位错,则位错与位错之间就会相互妨碍,所以也能变硬(称为“加工硬化”)。

当然,我们所说的“纯金属是软的”,但是并不是说使金属中的位错发生移动是不需要力的。这种力又会因为金属的晶体结构、凝聚力等的差别,从而使不同金属之间存在着某些微小的差别。

    看来,金属的软与硬是由金属自身的“浓度”引起的,今天人们认识了这个道理,在工业中正在积极地利用它为人们服务。

 

(责任编辑:化学自习室)
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