金属材料在我们生活中很重要。盖房子的钢筋是金属材料。汽车的发动机是金属材料。手机的芯片也需要金属材料。金属材料有很多种类。铁和钢是最常见的金属材料。铝和铜也是常用的金属材料。每种金属材料都有自己的特点。有的金属很硬。有的金属很轻。有的金属不生锈。我们需要研究这些金属材料。

研究金属材料需要做实验。我们先要选择研究的金属。比如选择一种钢材。这种钢材可能用于制造汽车零件。汽车零件要求钢材强度高。汽车零件要求钢材韧性好。强度高就是不容易断。韧性好就是能弯一点不断。我们需要测试钢材的强度和韧性。

测试之前要准备样品。样品是从大块金属上切下来的。样品的大小有规定。样品的形状有规定。通常做成一个小长条。小长条两头粗中间细。测试的时候用机器拉这个小长条。机器慢慢用力拉。小长条会被拉长。小长条会慢慢变细。最后小长条会断开。机器记录了用力的大小。机器记录了拉长的长度。

我们得到一组数据。这组数据可以画成图。图的横坐标是拉长的长度。图的纵坐标是用力的大小。图线开始是斜向上的直线。这个阶段材料是弹性变形。弹性变形就像拉弹簧。松开力材料会恢复原样。图线后来变成曲线。这个阶段材料是塑性变形。塑性变形就像捏橡皮泥。松开力材料不会恢复原样。材料发生了永久变形。

图线的最高点很重要。这个点对应的力是最大力。最大力除以样品的截面积得到抗拉强度。抗拉强度表示材料最大能承受的拉力。图线结束的点材料断裂。断裂时的力除以截面积得到断裂强度。

我们还需要知道材料的延展性。延展性是材料拉断后变长的能力。测量样品原来的长度。测量样品断后的长度。用断后长度减去原来长度。得到的差除以原来长度。这个比值就是延伸率。延伸率越大材料延展性越好。延展性好的材料能弯折不容易脆断。

金属材料内部有结构。金属不是完全均匀的。金属由许多小晶体组成。小晶体像一粒一粒的小米。这些小米叫做晶粒。晶粒非常小肉眼看不见。需要用显微镜看。显微镜放大几百倍能看到晶粒。晶粒的形状不一样。晶粒的大小不一样。晶粒的大小影响材料性能。晶粒小的材料强度高。晶粒小的材料韧性好。我们希望得到细小的晶粒。

控制晶粒大小需要热处理。热处理是加热和冷却的过程。我们把钢材加热到很高温度。高温下钢材变红。高温下原子活动能力增强。晶粒会在这个时候长大。保温一段时间后快速冷却。快速冷却叫做淬火。淬火后钢材变得很硬。淬火后钢材也会变脆。变脆的材料容易断。这不是我们想要的结果。

我们需要再次加热淬火后的钢材。这次加热温度低一些。保温一段时间后慢慢冷却。这个过程叫做回火。回火可以降低一点硬度。回火可以提高很多韧性。经过淬火和回火钢材性能变好。钢材既有高强度又有高韧性。这种钢适合做汽车的轴。

金属材料也会疲劳。疲劳是多次受力后的破坏。比如一根铁丝我们反复弯折。弯折一次铁丝不会断。弯折十次铁丝可能也不会断。弯折一百次铁丝可能就断了。这就是疲劳破坏。疲劳破坏时的力很小。这个力远小于一次拉断的力。

研究疲劳需要做疲劳实验。样品同样是小长条。机器反复拉压样品。机器设定一个力的大小。这个力比抗拉强度小很多。机器反复加载这个力。第一次加载样品没事。第一万次加载样品可能也没事。第一百万次加载样品可能出问题了。样品内部开始出现小裂纹。小裂纹慢慢变大。最后样品突然断裂。我们记录断裂时的次数。这个次数叫做疲劳寿命。

我们改变力的大小做实验。力大一些疲劳寿命就短。力小一些疲劳寿命就长。我们把数据和力画在图上。横坐标是力的幅值。纵坐标是疲劳寿命。每个力对应一个寿命。这些点连起来是一条下降的曲线。这条曲线叫做S-N曲线。工程师根据S-N曲线设计零件。他们保证零件受的力足够小。这样零件的寿命足够长。

金属材料还会腐蚀。铁放在空气中会生锈。生锈就是腐蚀。腐蚀会减少材料的截面。腐蚀会降低材料的强度。我们需要防止腐蚀。一种方法是在表面刷漆。漆把金属和空气隔开。空气里的氧气接触不到金属。金属就不会生锈。另一种方法是电镀。电镀是在表面镀一层别的金属。比如在铁表面镀一层锌。锌比铁更容易腐蚀。锌先腐蚀保护了铁。镀锌的铁叫白铁皮。白铁皮用作屋顶很长时间不坏。

我们研究一种防腐蚀的涂层。这种涂层是一种新涂料。涂料里加入细小的陶瓷颗粒。陶瓷颗粒很硬。陶瓷颗粒化学性质稳定。我们把涂料涂在钢板上。涂料干了形成一层膜。这层膜很硬耐磨。这层膜很致密隔绝空气。我们做腐蚀实验。

腐蚀实验用盐水。盐水加速腐蚀。我们把涂了涂料的钢板泡在盐水里。同时泡一块没涂涂料的普通钢板。泡一天后拿出来看。普通钢板表面有锈点。涂了涂料的钢板表面光亮。泡一周后再看。普通钢板锈迹斑斑。涂了涂料的钢板仍然完好。这说明涂层有效。涂层能保护钢材很长时间。

金属材料可以复合。复合是把两种材料结合在一起。比如铝和塑料复合。铝在外面强度高。塑料在里面减震好。复合材料得到两种材料的优点。我们研究铝和碳纤维的复合。碳纤维很轻很强。碳纤维很贵。铝比较便宜。我们用铝做基体。在铝里加入碳纤维丝。碳纤维丝像面条一样细。很多碳纤维丝按一个方向排列。然后和铝一起加热加压。铝融化包裹住碳纤维。冷却后得到复合材料。

测试复合材料的性能。沿着碳纤维方向拉样品。样品强度很高。样品重量很轻。垂直于碳纤维方向拉样品。样品强度不高。这说明复合材料有方向性。设计零件时要考虑力的方向。让力沿着碳纤维方向。这样材料性能最好。

金属材料的研究没有尽头。新的需求不断出现。汽车要更省油需要更轻的材料。飞机要飞得更快需要更耐热的材料。火箭要飞向太空需要更坚固的材料。我们不断尝试新合金。在铁里加入镍和铬。得到的不锈钢耐腐蚀。在钛里加入铝和钒。得到的合金轻而强。我们改变热处理的工艺。我们探索新的复合方法。每一次实验都有数据记录。每一次分析都有新的认识。

金属材料构成了我们的世界。从脚下的桥梁到头顶的卫星。金属材料在不断进步。我们的研究是进步的一部分。我们测试我们分析我们改进。我们知道还有很多问题要解决。我们知道还有很多知识要学习。研究金属材料是一件实在的事。它让我们的生活更安全更方便。它让我们的国家更强大。我们继续努力下去。