1 有“记忆”的合金
从青铜器时代开始,金属和兵器就结下不解之缘。手中的钢枪,天上的飞机,海里的战舰,陆地的坦克装甲车,都离不开金属。提起金属,人们的传统观念是坚硬、沉重、造形难以改变。可是,日新月异的新材料技术却神奇地改变着金属的“脾气”和“性格”,一大批前所未有、性能各异的新型金属材料相继涌现出来,阔步走进高技术武器装备的行列。
金属,硬梆梆,冷冰冰,会有“记忆”吗?请看这样一个故事:
1963年,美国海军军械实验室奉命研制一种新式装备。在一次试验中实验人员需要一些镍钛合金丝。他们领到的镍钛合金丝是弯曲的,使用起来很不方便。他们就将合金丝拉直。试验中,当温度升高时,这些已经被拉直的镍钛合金丝突然全部恢复到原来弯曲的形状,并且和原来一模一样。实验人员百思不得其解,反复作了多次试验,结果完全一样。
科学家们经过深入研究和试验,发现很多合金都有这种本领。他们把这种现象叫作“形状记忆效应”。在记忆合金里,原子按一定的方式排列。当受到外力作用时,这些原子离开自己原来的位置,合金材料就发生形变。而将这些合金材料加温,由于获得了能量,合金的原子又回到原来的位置。这就是记忆合金加热到一定温度恢复原状的原因。
迄今发现的具有形状记忆效应的合金已有好几十种,但已经实用化的主要是镍钛基合金和铜基合金两大类。
形状记忆合金最早被美国海军应用在F-14舰载战斗机油路连接系统中。如今,记忆合金在军事、航天、医学等领域得到广泛应用,其中最著名的例子是“阿波罗”11号带到月球上的天线。它是用极薄的记忆合金先在正常情况下按预定要求做成天线,然后降低温度把它压成一团,装进登月舱带到月球上。在阳光的照射下,天线又“记”起了自己本来的面貌,变成巨大的半球形,将阿姆斯特朗那句名言“对一个人来说,这仅仅是一小步;但对整个人类来说,这是跨了一大步
……”送回地面,令全世界数以亿计的人们激动不已。
2 像软糖一样的超塑性合金
目前,最新的航空器、航天器、导弹都是用钛合金制造的。钛合金强度大,比重轻,抗腐蚀性能好。有人戏曰:钛字拆开来就是太空金属。但是,钛合金材料加工起来十分困难。有没有可能使这种“比铁还硬、比钢还强”的材料在加工时像软糖一样柔软可塑呢?
科学家们发现,在某种特定的条件下,一些合金可以产生300%以上的延伸率。这种现象叫“超塑性现象”。超塑性合金的晶粒一般为微细晶粒。只要在这些合金受热达到某个温度区域时,使温度在此区域内上下波动并对合金施加一定的作用力,就能使它呈现超塑性。
目前人们已在170多种合金中发现了超塑性现象,使加工工序大为简化,并可采用吹塑成形、真空模压成形、气压成形等加工方法,从而在轧制、挤压加工中,使设备吨位大大减少,使许多形状复杂、难以成形的材料以及低塑性甚至脆性材料的变形成为可能。这方面最典型的例子是钛合金加工。例如人造卫星上钛合金球形燃料箱,壁厚仅710微米~1.5毫米,只有采用超塑性成形的吹塑成形法才能实现。B-1战略轰炸机的舱门、尾舱、骨架,原工艺需100个零件,经各种方法连接组装而成。而用超塑性钛合金,可一次成形,使尾舱架的重量减轻33%,成本降低55%。
3 能降低噪音的减震合金
金属机械转动、撞击、磨擦有震动、有噪音本是难免的,但是高科技却研制出了可以减震降噪的合金。请看下面这个故事:
1968年的一天,英国某军港,一艘新型核潜艇正在下水。岸上的人群和潜艇上的官兵个个兴高采烈。而前苏联海底声纳网的监控人员却急得满头大汗。前苏联一直依靠强大的声纳网通过监听美国、英国战略导弹核潜艇水下运行的噪音来监视它们的行动。可这次眼看着这艘英国核潜艇下水,却怎么也搜寻不到它的信号。原来英国科学家们使用减震合金来制作这艘核潜艇的螺旋桨,使其水下运行的噪音大为降低,从而大大提高了核潜艇的隐形生存能力。
震动和噪音不仅破坏环境、损害人体健康,而且影响机械的质量、缩短设备的寿命、降低仪表的精度和可靠性。过去一直采用消极的方法减小震动和消除噪音,如把机器做得非常笨重或用多孔的吸音材料把震源包起来。但这些方法都不理想。
人们发现,积极的减震措施应该是采用具有高减震性能的材料来制作震动源和噪音源部件,从根本上减震消音。塑料具有很好的减震性能,但其强度和耐高温耐腐蚀性能还无法满足一些特殊需求。
50年代初,英国一家实验室在作一项试验时,不小心把一块含80%锰的锰铜合金铸块掉到地上,只发出微弱的声音。敏感的实验人员立即意识到,这就是人们梦寐以求的减震金属材料。从此科学家们开展了一系列的研究工作,经过40多年不懈的努力,发现了数十种减震合金,如钴镍合金、镁锆合金、镍钛合金和铁锆铝合金。
目前减震合金已在各个领域大显身手。在航空航天方面,用作卫星、导弹、火箭、喷气式飞机的控制盘和陀螺仪等精密仪器的防震台架;在汽车方面,用作车体、制动器、发动机转动部分、变速器、滤气器等;在船舶方面,用作发动机转动部分、螺旋桨等。
点议:善于从偶然中发现必然
记忆合金的发现是一种偶然。实验人员发现被拉直的镍钛合金丝在温度升高到一定程度时,又恢复了原状,经研究发现,原来该合金有“形状记忆效应”。
减震合金的发现,也是一种偶然。实验人员发现一块锰铜合金铸块掉到地上,只发出微弱的声音,于是,他们抓住这一现象深入研究,发现了数十种减震合金。
偶然中有必然,事物中许多固有特性是通过偶然现象表现出来被发现、被认识的。许多新型金属材料的发现和发明的经历说明,机会只属于那些敏感而又勤于思考、善于攻关的有心人。
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