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超硬金属
超硬金属的制成品
超硬金属的制成品
超强金属是如何炼成的？
为什么金属难以切割？超硬金属的弱点是什么？在原子水平上，这些问题更容易理解。
金属的使用促进了人类社会的发展，根据使用的金属，人类的历史分为青铜时代、铁器时代等。人们不断改进金属加工的技术，以便获得更强的金属。如今，人们可以在原子水平上对金属进行操作，制造出具有各种不同功能的金属，以适用于不同场合的应用。那么，如何才能改变金属的性能呢？让我们一起来探索改变金属强度的原理吧。
世界上最硬的物质是钻石（金刚石）。那么，是否就可以说"钻石是最强的物质"呢？当然不能。钻石虽然是最硬的物质，但从"正确"的角度对其进行冲击的话，它就会瞬间裂开。因此，只要找到弱点，钻石也可以轻易被击碎。
最近出现了一种由钨合成的"超硬合金"，号称是"最强金属"，引起人们的广泛注意。那么，这种用钻石钻头也无法钻出孔洞的合金究竟是什么呢？
这种超硬合金在"硬度"方面十分厉害，可以切割其他任何金属。但是，与其他的金属相比，其弱点是难以承受冲击，比较容易被击碎。因此，超硬合金的用途主要是"利用其磨耗和变形较小的特点来制造模具"，以及"用于对其他金属进行加工的工具"等，比较有局限性。由此可见，硬的物质并不是在所有方面都是最强的。
那么，究竟有没有"最强金属"这种物质呢？当然有。其实，适用于特殊环境的金属就是最强金属。例如，喷气式发动机的涡轮叶片所使用的金属，首先要满足耐受超过1000℃的高温条件，才能成为最强金属。此外，用于化学设备中的金属需要耐腐蚀，高速列车的车体所使用的金属还需要兼具轻便的特性等等，环境对金属的要求各不相同，因此最强金属其实就等同于最合适的金属。
研究者们通过在原子水平上对金属进行操作，从而制作出具有各种性能优良的金属。为什么同一种金属，既可以像眼镜的镜框一样柔软，又可以像菜刀一样硬呢？这就要从基础的结构说起。
金属兼具硬度和柔度
让我们尝试将身边的物体分为柔软的物体和刚硬的物体两类。例如，橡胶易变形，伸缩自如。而玻璃和陶器等就很硬，几乎不变形。如果用来造桥的话，该使用哪一种材料呢？柔软的橡胶肯定不行，但玻璃也是无法使用的。因为一般情况下，较硬的物质一旦具有了裂纹，就可能会在瞬间破碎。即使用钻石造出一座桥来，人们大概也不会想行走在这座可能在毫无征兆的情况下突然坍塌的桥上吧。
此时就需要金属出场了。金属在被施加外力时会发生变形，但又不会像橡胶那样过于柔软，能经受住一定的外力的冲击。即使偶尔出现裂纹，也不会立刻破碎。对其进行检查就能发现可能会断裂的部位。金属是兼具了橡胶的易伸缩性和玻璃的刚硬度的优良材料。
自由电子改变原子的连接方式
为什么在受到外力时金属会发生变形并经受住外力，而坚硬的陶器则只能破碎呢？这是因为两种物质中原子之间的结合方式不同造成的。
原子中心是带有正电荷的"原子核"，周围有高速运转的带有负电荷的"电子"。原子通过外围的电子与邻近的原子结合，从而构成了包括我们身体在内的所有物质。其中，通过"金属键"形成的物质一般被叫做金属。
在金属中，连接原子（带正电荷的离子）的电子遍布整个金属，形成了金属键。带正电荷的离子之间充满了带负电荷的电子，它们通过电磁力连接在一起。换言之，可以说金属原子完全浸在"电子海"中。这也就解释了为什么"金属中一部分电子可以自由移动"。因此，构成金属键的电子被称为"自由电子"。
正是因为有了这种金属键，金属才容易发生变形。如果对金属施加外力，被挤压部位的一部分金属原子就会脱离与之结合的原子（上图中的A原子脱离了a原子），由此产生了空白区域，这就是"位错"。继续挤压的话，这个原子就会与其他的原子（同一图中的b）逐渐接近，进而结合。然后这种位错会继续移动到邻近的B原子处。就这样，随着位错的移动，原子依次重新配对，从而发生变形。由于"电子海"覆盖"广阔"，这个过程就会流畅地持续进行下去。
在陶器中情况就完全不一样了，陶器的原子之间，是通过"共价键"连接在一起的。共价键中，每个原子都与其他原子共用电子，互相连接成网格状。这种结合方式比金属键要强，即使施加外力一般也难以移动，因此，陶器质地非常坚硬。然而，当受到较大的外力时，一旦一部分键断裂，周围的键也会依次断裂。由于陶器的原子无法像金属那样重新配对连接，因此一旦出现裂纹就容易破碎。
为什么铜有"硬铜"和"软铜"之分
原子规则排列在一起所构成的物质被称为"晶体"。我们前面提到的金属都是原子规则排列的"理想晶体"，但是现实中这样的金属是不存在的，在其内部肯定存在有不纯的物质或者孔隙（晶格缺陷）。
即使存在这种情况，只要金属原子总体上是规则排列的就被称为"单晶体"。绝大部分金属都不是单晶体，而是由细小的单晶体（晶粒）集合而成的"多晶体"。晶粒之间被"晶界"隔开。每个单独的晶粒中往往都混杂有其他元素等异物。实际上，研究者们就是利用这样的晶粒和异物，有目的地改变金属的性质，制造出各式各样的合金。
例如，铜是良导体，所以常被做成导线用于电力设备。铜质电缆柔软易变形，而连接电源的插头，同样是由铜制成的，质地却非常坚硬。
这是因为，用作插头的铜被进行了特殊处理，其中的晶界和异物元素（固溶元素）等起到了阻止变形的作用。
正如前文中已经提及的那样，金属在受到强大的外力时，会因位错的移动而发生变形。但是，如果位错移动的方向上存在有异物元素或者晶界等障碍物，位错就无法继续移动，变形也会随之停止（参照上一页的插图）。也就是说，金属中只要加入微量固溶元素，形成的合金就会变成难以变形的坚硬金属。正是利用了这种性质，将插头的铜中混入少量铍，插头拔出插入时才不会变形。
但是电缆使用的是高纯度的铜，因为电缆需要的是柔软而不是坚硬，并且铜纯度越高导电性越好。
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