化学常识：超塑性金属

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一、化学常识：超塑性金属

拉面，很多人都吃过。一小块面团，随着厨师们双手的甩动，由一根到两根，由十根变成二十根，由小指粗到头发丝细，一气合成，中间不断，真是技术高超。而细心的科学家们却想，如果有一种金属也能像拉面一样由粗到细，却中间不断裂，那么金属的应用又将会有一个新的空间。

塑性是金属自身具有的一种物理属性。所谓塑性，是指当材料或物体受到外力作用时，所发生显著的变形而不立即断裂的性质。塑性的大小，标志着材料变形能力的好坏。对于同种材料来说，塑性愈高表示材料的杂质愈少，纯度愈高，使用起来也就愈安全。同时，塑性好的材料，在加工过程中容易成形，可以制造出形状复杂的零件。

这种具有象拉面般柔软的金属叫做超塑性合金。这种合金在一定的温度下，以适当的速度拉伸，其拉伸长度可以是原来长度的几倍，甚至十几倍，目前已有近百种金属具有这种超塑性能。

那么超塑性合金为什么会比一般的金属或合金的塑性好呢这让我们先看一看它在结构上与普通金属到底有何不同。

普通金属在电子显微镜下的结构图，图中块状的物质我们称之为晶粒，它是在金属形成过程中，由金属原子组成的。我们注意到这些晶粒体积庞大，形状千差万别，而且排列极不规则。

同倍数放大镜下超塑性合金的结构图，超塑性合金的晶粒形状规则精细，晶粒与晶粒之间的排列整齐有序。这好比小孩子玩滑沙的游戏，当地面上沙层的沙粒越细，磨擦就越小，我们也就越容易在上面滑动；如果沙粒越大，磨擦力越大，滑动起来自然就非常困难了。因此金属的晶粒越细，越整齐，它的塑性也就越好，同时也就越容易被拉伸。

我们再做一个试验，看看金属是如何被拉断的。首先我们将铝棒固定在拉伸试验机上，然后施加拉力，一分钟后，铝棒中的某一部位迅速变细，我们看到此处的拉伸速度明显比其他位置的拉伸速度快，结果铝棒在变细的部位被拉断。这个由粗变细，拉断的部位像脖颈一样的过程，科学上把它称为颈缩。通过这个试验，我们了解到，一般金属变形能力很差的原因是宏观均匀变形能力差，容易早期出现颈缩，并由于颈缩导致了早期的断裂。而超塑性合金恰恰宏观变形能力极好，它在拉伸过程中能够抑制颈缩的发生。

那么超塑性合金又是怎样有效地抑制颈缩的发生呢

众所周知，我们用力拉动弹簧时，手给弹簧一个拉力，同时弹簧为了保持原有的状态，会给手一个反作用力。这个反作用力就是变形抗力。当超塑性合金受到外界拉力时，同样会在合金内部产生一个变形抗力。变形抗力的不均匀，导致了颈缩的发生。为了找到影响变形抗力的因素，捕捉它们之间的规律，科学家们对所有超塑性合金做实验。在实践中他们发现超塑性合金的变形抗力随着拉伸速度的增加而增加。也就是说，速度越快，抗力越大，速度越慢，抗力越小。我们在做拉伸试验时，当超塑性合金在拉伸过程中出现颈缩时，颈缩处拉伸的速度迅速加快，所以它产生的变形抗力比其他没有发生颈缩的位置抗力大。这时的拉力就象电流一样，哪里电阻小，电流就会流向哪里。因此拉力首先拉动那些变形抗力小的部分，从而有效地抑制了颈缩的发生。

超塑性合金正是由于具有大延伸、无颈缩、易成形等性质，因此它对那些结构复杂，难用金属压力加工的零件，显示出它在制备上独特的优势。

纺纱机纱筒表面有许多深深的凹槽。在以往的生产中，由于采用传统的普通金属材料，其性质单一，往往在加工这些凹槽时，需要多道工序，费工，费时，而且很难加工成形。现在采用了超塑性合金作为原材料，只要将合金放入模具中，通过气吹，便可一次成形。

超塑性合金在我们的日常生产生活中越来越被人们所关注。如今超塑性的研究领域已由原来塑性较好的金属、合金发展到了几乎没有塑性的陶瓷上。我们相信，今后超塑性合金将会被更广泛地应用到机械、航天、医疗、交通等诸多领域中去。

二、高考化学必备知识点：超塑性金属

高强度材料可以满足一些耐受性要求较高的部件制造，但加工难度相应也增大了。长期以来，人们一直希望能够很容易地对高强度材料进行塑性加工成型，成型以后，又能像钢铁一样坚固耐用。随着超塑性合金的出现，这种想象成为了现实。编辑本段超塑性合金的发现最初发现的超塑性合金是锌与２２％铝的合金。１９２０年，德国人罗森汉在锌－铝－铜三元共晶合金的研究中，发现这种合金经冷轧后具有暂时的高塑性。超塑性锌合金的形成条件为，温度２５０℃～２７０℃，压力０.３９兆帕～１.３７兆帕。超塑性锌合金具有成型加工温度低，成型性和耐腐蚀性好等优点。所以除了制作各种复杂形状的容器外，还广泛用作建筑材料。编辑本段超塑性现象的定义１９２８年英国物理学家森金斯下了一个定义：凡金属在适当的温度下变得像软糖一样柔软，而且其应变速度为每秒１０毫米时产生３００％以上的延伸率，均属超塑性现象。１９４５年苏联包奇瓦尔等针对这一现象提出了“超塑性”这一术语，并在许许多多有色金属共晶体及共析体合金中，发现了不少的延展性特别显著的特异现象。７０年代的初期，全世界都在追寻金属的超塑性，并已发现１７０多种合金材料具有超塑性。在通常情况下，金属的延伸率不超过９０％，而超塑性材料的最大延伸率可高达１０００％～２０００％，个别的达到６０００％。金属只有在特定条件下才显示出超塑性。在一定的变形温度范围内进行低速加工时可能出现超塑性。产生超塑性的合金，晶粒一般为微细晶粒，这种超塑性叫作微晶超塑性。有些金属受热达到某个温度区域时，会出现一些异常的变化，若使这种金属在内部结构发生变化的温度范围上下波动，同时又对金属施力，就会使金属呈现相变超塑性。

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