1,第二章 金属材料,2,在钢铁冶炼史上，我们中华民族有两点是值得骄傲的 其一是早在2600年前的春秋时代中后期，我们的祖先就发明了生铁冶炼技术，比欧洲国家要早1000多年 据分析，我国能早早地发明生铁冶炼术，得益于高超的炼铜技术，尤其是先进的炼铜竖炉1975年，湖北省黄石市在大冶铜绿山古代矿冶遗址发现了三座保存完整的春秋时期的炼铜竖炉炉高大约有1.5米，炉缸架在通沟上，还有专门的鼓风口，完全是现代鼓风炉的雏型从炉缸内壁的烧蚀情况分析，当时炼铜的温度已经接近了冶炼生铁所需要的温度古代中国在炼铁方面的成就,3,其二是我国很早就发明了炼钢技术 中国最早的钢是以在大约在1200℃的较低温度下，用木炭还原出铁矿石里的混杂铁，成为含铁、矿渣和没烧尽的木炭混杂在一起的块炼铁为原料，在炭火中反复锻打，反复渗碳而逐步形成的这种钢的制取方法，还为后人留下了“千锤百炼”的成语古代中国在炼铁方面的成就,4,在汉朝以后，我国又发明了“炒钢”、“团钢”等当时独步世界的炼钢方法 “炒钢”是把生铁放在熔池里加热到熔化或基本熔化以后，不断地搅拌翻炒，利用空气里的氧气除去生铁里的碳以后炼成的这种方法直到19世纪中叶，还是欧洲各国炼钢的主要方法。
“团钢” 是把含碳多的生铁和含碳很少的纯铁夹杂盘成团，再加热锻炼而成的北宋有名的科学家沈括在《梦溪笔谈》这本著作中对这种炼钢方法作了简明扼要的说明他说：“世上有把铁打成钢的，是在柔软的铁条中夹进生铁块，盘起来，用泥土封起来后放在炉火中锻烧，再反复锤打，使熟铁和生铁互相渗透，就成为钢了这叫团钢，也叫做“灌钢”古代中国在炼铁方面的成就,5,虽说在上千年前，劳动人民就发明了百炼钢、炒钢、团钢等钢铁生产技术，但这些炼钢方法都比较复杂，质量很难保证，更是无法达到大规模生产的水平所以，直到19世纪前半叶，人类还是在已经经历了2000多年的铁器时代里徘徊古代炼铁方面的局限,6,贝塞麦从当时的炼钢方法——坩埚法的缺点，并加以改造，发明了转炉炼钢法（通气方式由从上发展到从下面通气） 1856年，贝塞麦在英国皇家科学协会发表了演讲，题目是《不使用燃料，只吹入空气就可以变铁水为钢水》现代钢铁工业的开端（2）,7,英国冶金专家托马斯改进了转炉，采用了碱性材料，并加入碱性材料生石灰，使炼钢反应始终在碱性条件下进行使被氧化的磷、硫与生石灰结合起来，一举解决了钢水脱磷和脱硫的难题 1864年，法国工程师马丁利发明了一种特大型炼钢坩埚——平炉。
他在容积达上百吨的炉子里加上废钢和生铁，用经蓄热室加热到1100℃的煤气和空气去燃烧熔化，使废钢、生铁熔化并精炼成钢水炼钢炉的改进过程（1）,8,炼钢炉的改进过程（2）,20世纪初，法国冶金专家埃鲁针对平炉和转炉难以炼出高级合金钢的缺点，将电弧炉用于炼钢，发明了电炉炼钢法它避免了空气烧毁合金元素的缺点，被专门用来冶炼高级合金钢 1952年，奥地利科学家利用纯氧气代替一般空气，发明了纯氧顶吹转炉纯氧顶吹转炉用夹层里通过冷却水的夹套吹管吹入氧气，避免了贝塞麦遇到过的铁管熔化的问题，炼钢的速度大大加快，一炉300吨的钢，只需要半小时就可以熔炼完毕9,在炼钢时加进金属锰，就能炼出锰钢锰钢最大的特点是强硬坚韧，是工业建设的栋梁之材，是国防建设的“铁甲卫士” 锰钢的问世，是一位年轻的冶金学家（英国的哈德菲尔德）藐视权威，以他那锰钢般的意志顽强攻关的结果 权威们告诫人们，钢铁中锰的含量绝不能超过1.5％，否则它就会越来越脆在经过了几百次的失败以后，他终于发现当锰的含量达到13％时，锰钢一改它昔日脆弱的形象，变得既有很好的硬度，又富有韧性了锰钢的诞生(1),10,1883年，25岁的哈德菲尔德拿到了他梦寐以求的锰钢生产工艺专利证书，把锰钢大批推向了市场。
如今，锰钢在许多地方大显神威人们用它制成铁路钢轨、桥粱桁架、碎石机齿板、掘土机铲斗等，经受万千次冲击，“咬碎”坚硬的石块用它制成坦克履带、装甲板等，让它经受枪弹和炮弹锰钢的诞生(2),11,不锈钢，是以铁为主体元素，加上一定比例的铬、镍、钼、锰等金属炼成的耐腐蚀合金材料不锈钢以其锃亮的外表、良好的机械性能和对酸性腐蚀物质的强大抗御能力赢得了人们的欢迎，是现代工业生产和日常生活中常用的金属材料冶金专家布里尔利在一次偶然发现，由电炉炼成的含铬8％，含碳0.24％的合金钢经过热处理后，具有极好的耐腐蚀性能，特别是不怕酸性物质的腐蚀布里尔利把它起名为“不锈钢”不锈钢与超级不锈钢的诞生(1),注：布里尔利的初衷是研究一种新型合金钢，以制造更坚固耐用的枪膛12,在这以后不久，冶金专家毛尔和施特劳斯俩人携手合作，发明了含铬18％，含镍8％的18—8型不锈钢，比布里尔利发明的不锈钢抗腐蚀能力更胜一筹现在，18—8型不锈钢（304）是世界上应用最广泛，产量最大的不锈钢 在70年代，我国的科技工作者利用我国特有的丰富稀土金属资源，发明了稀土低合金不锈钢，为不锈钢事业的发展作出了贡献不锈钢与超级不锈钢的诞生(2),13,18世纪中期开始，大机器生产开始在欧洲出现。
机器生产少不了切削金属的刀具，可那时在欧洲，人们使用的刀具，是英国人亨曼在1740年发明的，用坩埚冶炼的低碳钢刀具效率很低，严重影响了工业的飞速发展 1820年，英国皇家学会受一把印度宝剑的启发，决定请有名的物理学家法拉第出马，研制优质工具钢但是，法拉第对冶金并不精通，他只好采取逐个试验的办法进行研究他在钢铁中加过铜，加过锌，甚至加过金、银，还有金刚石，但都没有获得成功用瞎子摸象的办法研究了整整三年，法拉第还是没有看到成功的曙光切削工具材料的发展(1),14,俄国青年工程师安诺索夫也在寻找能使普通碳钢变硬变韧的物质，但不知什么原因没有成功安诺索夫决定改变主攻方向，通过金属热处理的方法来改善碳钢的性能他利用显微镜研究钢铁硬度与内部结构的关系，研究在不同条件下热处理后钢铁内部的变化经过5年的努力，安诺索夫终于掌握了制造优质碳素钢的方法切削工具材料的发展(2),15,安诺索夫发明的碳钢确实很硬，但有一个怕热的大毛病机床上用的车刀，在切削时难免会发热，车速一快，时间一长，碳钢刀就从“硬汉子”变成了“软骨头”，再也不能啃钢咬铁了所以那时的机床还不能转得飞快 1882年，英国冶金专家哈德菲尔德发明锰钢以后，就想用它来制作车床用刀，但发现它还不太能耐高温。
安诺索夫想起了金属大家族里的耐热冠军钨，就设法冶炼含钨的锰钢钨锰钢炼出来了，做成车床用刀到工厂里一试，果然是身手不凡，一下子将切削速度提高了60％，达到每分钟切削8米铁刨花切削工具材料的发展(3),16,到1898年，美国工人技师泰勒创造了一个奇迹他想研制一种耐高温的高速刀具钢他分析了钨锰钢的成分，认为钨是好的，熔点高达3380℃，受热肯定不会变软，问题一定是出在熔点和硬度都不够高的锰身上泰勒思考了很久，决定采用铬取代锰泰勒赶紧安排试验冶炼含铬钨钢经过一段时间的试验，合乎要求的含铬钨钢炼出来了新材料做的车刀的切削速度比过去提高了5倍! 在这之后，泰勒又对钨铬钢刀做了不少改进，使它能在五六百摄氏度下也不变软，切削速度达到每秒10米(600米／分钟)，可与奥运会100米跑的冠军比一比速度切削工具材料的发展(4),17,进入20世纪以后，刀具材料又有了一次飞跃，那就是诞生了硬质合金1907年，德国冶金专家施特勒尔用碳化钨的硬质颗粒，加上铁和钴的粉末，先压制成型，再以高温烧结，让铁和钴熔化而成为粘结材料，使碳化钨紧紧地“团结”起来，制成了硬质合金硬质合金一经问世，便受到了热烈欢迎人们发现用它制作的刀具，在1000℃的高温下也不会变软，切削速度可达到每分钟2000米以上，比普通碳素钢刀高出100多倍。
切削工具材料的发展(5),18,切削工具材料的发展(6),到20世纪80年代，材料科学家采用气相沉积的方法，在钨钢等普通刀具的表面镀上一层号称“硬度之王”的金刚石，不仅提高了刀具的硬度和切削速度，而且降低了生产成本，为刀具材料的发展作出了新贡献削铁如泥’自然不在话下，就是说“切铁如切豆腐”也不算什么过分19,金属材料发展史（二） ———其他金属材料的发展,20,金色的“铜”话——铜及铜合金 从贵族到平民——铝的发展历程 航空时代的骄子——钛及钛合金 活的金属——形状记忆合金 能源储藏罐——储氢合金 软硬都行——超塑性合金 零电阻的超导材料,主要内容,金属大家族中，除了铜、铁等古老金属外，还有许多如铝、钛等新金属及它们的合金21,铜和金、银一样，是人类最先接触到的金属材料之一 距今7000年前，早先的人类在寻找石器的过程中发现：有一种石头可以砸扁、拉长，而且还有华丽的光泽后来进一步发现，如果把其熔化，可以浇注成各种形状的制品，而且还可以反复使用 这就是天然的铜块金色的“铜”话——铜及铜合金,22,人们找到矿藏之后，依靠石锤、石斧等将矿石开采出来，砸碎后筑炉冶炼，不但炼出了铜，还炼出了锡和铅等其它金属。
当把锡和铅等加入铜后，得到了青色的铜合金青铜比纯铜要硬很多 锡含量为1/6的青铜可以用来铸钟和鼎，锡含量为1/3的青铜可以用来作刀剑等，青铜是人类得到的第一种合金 从此，在距今5000年前左右，人类告别了石器时代，进入了青铜器时代金色的“铜”话——铜及铜合金,23,铜虽然可以冶炼出来了，但是产量毕竟有限，青铜器大多为宫廷贵族所拥有，那时候的铜被称为金据古书记载，中国从夏朝开始就有“贡金九枚，铸鼎象物”的传统 古人把铜片仔细磨光后，可以当镜子用，这是玻璃出现前，妇女化妆的主要用具 除了青铜外，古人还发现了黄铜和白铜合金 但是，铜合金真正大规模开始使用，还是工业革命以后，随着电技术的发展，利用铜优越的导电性能，开创了铜开发应用的新时代金色的“铜”话——铜及铜合金,24,制铝先驱知多少?,1820年，丹麦物理学家奥斯特，突然对研究化学产生了兴趣铜、铁都可以用木炭从矿石中冶炼出来，铝能不能也用木炭从钒土里解放出来呢?”在这个思路指导下，奥斯特把木炭研成粉，再矾土混合起来，用火猛烧结果，矾土丝毫不为所动为了杜绝空气，奥斯特又把炭粉和钒土密封在坩埚里，外面燃火猛烧一时间，连坩埚都烧得发红了，几小时后打开容器一看，矾土和炭粉都没有什么变化，实验又失败了。
1)奥斯特—从电磁感应到制铝,从贵族到平民——铝的发展历程,25,说明：炭没有从铝手里夺取氧的能力，那就换一种思路，让氯气从氧那里把铝夺过来 他向烧得发红的矾土里通入氯气，发现有一些液体流出来，得到了应该是氯化铝他仔细地把这些液体收集好，再加热并加入还原能力强大的钾汞剂(合金)，让它代替炭去把铝还原出来实验分析结果告诉他，有氯化钾生成钾汞剂已经变成了铝汞剂，加热以后汞蒸发掉了，可铝也再一次变成了白色的矾土从贵族到平民——铝的发展历程,26,懊丧之余，奥斯特只好再觅良策他经过再三思考，认定是空气里的氧气在作怪于是他吸取教训，在隔绝空气的情况下蒸馏铝汞合金，终于得到一些与锡相似的，具有银白色光泽的金属屑也许是空气在捣鬼,从贵族到平民——铝的发展历程,27,1827年，维勒参照奥斯特的方法，维勒制成了氯化铝他认为钾汞剂与它反应的方法不好，因为在对铝汞剂蒸馏除汞时，会产生毒性强烈的汞蒸汽，不可能用在工业制铝生产中他决定另辟蹊径维勒试用了各种常用的还原剂，像氢气、木炭、金属锌等，但都以失败告终最后，维勒想起了钾汞齐里的钾，他把钾和氯化铝混合起来，密封在白金坩埚里加热等坩埚发红后停止加热，让它自然冷却，最后把它投入水中打开，果然在水里有一些银白色的金属粉末。
它就是很不纯净的金属铝2）维勒——荣誉的获得者,从贵族到平民——铝的发展历程,28,维勒并没有解决铝的工业化生产难题，戴维发明了用比较廉价的金属钠和无水氯化铝反应，制取银光闪闪的美丽铝球的方法1855年，戴维制成的铝块和铝板轰动了巴黎世界博览会 汉弗莱·戴维为批量生。