钢铁是人类生产的最多、使用最广泛的的金属材料。本章将要讨论这种人们最常见的金属。我们将从价和电子的运转、从结构元之间联系的出发，对钢进行再认识。本章的后部分将讲述一些金属材料中的试验和钢的热处理问题，这部分涉及到一些专业知识，一般读者可能了解不多，然而它的实践性很强，读者可以通过其中很多事实来加深物质的运动与构成之间的联系，有助于综合说明物质的运动、结构及其关联着的物质的各种性质。
　　在本文的开头，就例举了一颗铁钉所具有的多种特性，这多种性质都与铁的价和电子的数目、运转相关；都与铁的结构元形成、结合及解体存着在全面系统的内在联系。 铁 铁的原子序数是26 ，核外电子呈2、8、14、2 排列，次外层的14个电子在原子周围的排布不是十分均衡的，这就影响到它最外层的二个价电子的运转。铁的价电子速率有较大的可塑性，加之二个价电子速率不完全同步，因而铁有不同的化合价，而且化学性质较为活泼。
　　铁原子排列整齐有序，是典型的晶体。随着温度的不同，铁原子的价和电子的运动发生变化，导致了结构元排列形式有所改变，构成的晶体形式有所不同，铁也是同素异晶物质。
在常温下，铁原子的二个价电子都参入价和运转，并且价和轨道在二个相互垂直的稳定平面上，价和力和电磁力构成了内聚仑力，此时晶格呈体心立方结构。
　　当温度升至950℃ 以上时，核心的库仑力增大，由于次外层电子运转是不均衡的，核心此时把一个价电子吸引到次外层，这样,此时铁原子仅一个电子参入价和运转，象铜一样两个原子之间只有一个结构元，其晶体结构也象铜一样呈面心立方体。这就形成了铁的同素异晶现象。

　　 铁的生锈 因为铁的价电子速率可塑性较大，化学性质较活泼，所以铁较易与氧起反应。自然界的铁一般都呈氧化状态，炼铁实际上是把氧化铁还原成铁。铁能与纯氧剧烈反应，铁还能与潮湿空气中的氧缓慢地进行氧化反应--铁生锈。
铁在干燥的空气中不易生锈，浸在与大气隔绝的水中也不易生锈，而在潮湿的环境中很易生锈。为什么？
　　在潮湿的空气中，空气中的氧价和运转的速率较高，时常与水汽中的氧互换位置，刚从水汽中置换出来的氧速率不稳，瞬时还有单原子氧出现，有较强的氧化性能，其时，正好与铁的价和速率一致，所以很容易与铁化合，形成三氧化二铁。三氧化二铁质地疏松吸潮，形成了铁生锈的恶性循环。还有空气中的二氧化碳有少量能溶入水中，形成局部碳酸，与铁反应，这也是铁生锈的原因之一。
铁的成分不纯，或是受到外力而内应力较大或变形较大的地方更易生锈。这是因为这些外因都能使铁的价和运转速率不稳，价和电子在运转变化或等待之时，外来物质的价和运转乘虚而入，与铁结合形成了铁的氧化物。
　　不锈钢实际上是在铁中添加了少量的铬或镍，是铁铬（铁镍）合金。铬和镍与铁一样，都有二个价电子，而且价和电子速率十分稳定，掺和在铁当中，这些稳定的价和运转及稳定的电磁力，使周围的铁的价和运转的速率也随之同步稳定，铁的二个价和电子运转稳定了，不易与氧起反应，也就不易生锈了。

　　合金　 把一种金属与其它金属或非金属元素互熔，就形成了合金。虽然合金也是几种元素的原子的结合，由于金属物质是靠电磁力而结合的，所以这些金属物质之间可以按任意比例互熔。而不是象化合物那样必须按一定的比例、遵循定组成的规律。
　　人们钟爱合金，是因为合金材料的强度、硬度等机械性能比纯金属有显著的提高。合金比单一金属具备更多种优良性能，原因何在？这是因为：一、在合金中不同元素的原子间距很近，从溶液到结晶全过程中，各原子都加强对自己电子的控制，以免被其它元素的原子吸引去，于是库仑增加，电子速率加快。二、合金中掺入的一般是价电子速率较高的原子，在与基本元素的结合成结构元的过程中，较强的电磁力激活了基本元素的价电子，使其价和电子速率增加。三、若掺入元素的价电子数多，将使合金中结构元增多，如：铁中渗碳。以上三条导致了合金的熔点升高，强度、硬度增加，电子空位少（时间短），导电率下降。
磷、硫等元素因其价电子速率很低，只能在铁中起降低价和电子速率，降低金属强度的作用，磷、硫中较多的价电子，使得金属中的结构元增多，而导致脆性增加。于是人们把它们叫做杂质。

　　记忆合金 谈到合金，当然要讲最有趣的合金--记忆合金。金属具有记忆，是一个偶然的发现：60年代初，美国海军的一个研究小组从仓库领来一些镍钛合金丝做实验，他们发现这些合金丝弯弯曲曲，使用起来很不方便，于是就把这些合金丝一根根拉直。在试验过程中，奇怪的现象发生了，他们发现，当温度升到一定的数值时，这些已经拉直的镍钛合金丝突然又恢复到原来的弯曲状态，他们是善于观察的有心人，又反复做了多次试验，结果证实了这些细丝确实具?"记忆"。
　　美国海军研究所的这一发现，引起了科学界的极大兴趣，大量科学家对此进行了深入的研究。发现铜锌合金、铜铝镍合金、铜钼镍合金、铜金锌合金等也都具有这种奇特的本领。人们可以在一定的范围内，根据需要改变这些合金的形状，到了某一特定的温度，它们就自动恢复到自己原来的形状，而且这“改变--恢复”可以多次重复进行，不管怎么改变，它们总是能记忆自己当时的形状，到了这一温度，就丝毫不差地原形再现。人们把这种现象叫作形状记忆效应，把具有这种形状记忆效应的金属叫作形状记忆合金，简称记忆合金。
　　为什么这些合金能具有这种形状记忆效应？它们是怎样记住自己的原形？用一般金属键理论、自由电子理论是难以解释合金的这种记忆效应的。记忆合金在一定的温度条件下能回复到原形，为核外电子的运动--随温度变化的运动，提供了绝佳的例证。
　　正是由于合金的形成是在高温条件下液态金属的互熔，由于液态金属的结构元排异，导致了这种元素的结构元与另一种金属的结构元相互均布，凝固后，其微观结构是不同种类的结构元成比例的有序排列，电磁力是构成合金物体的主要内聚力。
　　电磁力是由价和电子的运转所形成，而电子的运转速率随温度条件而变化的，所以，物体内的电磁力（大小、方向、作用点）也是随温度条件而变化。由此导致了金属物体的内力随温度条件而变化，只是这些变化在小温差范围内不明显，只有在较大温度变化（几百摄氏度）时才有表现。
　　一般金属在受力后，能产生塑性变形，如一根铁丝被折弯了，在折弯部位，电磁力受到外力的干扰，导致产生电磁力的价和电子的运转平面作出微量调整，一次塑性变形就完成了。
　　记忆合金由于是不同种类的结构元相互掺和均布，尽管结构元的个子、电磁力的大小不同，但各自都加快了自身的价和运转，在一定的温度条件下相邻相安。在受到外力后，电磁力受到外力的干扰，价和电子的运转平面作出微量角度调整，物体产生塑性变形，在此塑性变形中，部分调整后的价和电子的运转是不舒展的。当温度条件变化时价和电子的速率随之变化，当温度回复到相安舒展的（转变温度）条件时，不舒展的价和电子的运转立即回复到当时的速率，电磁力随之发生变化，使相邻结构元的价和运转也都作出相应的调整，全部回复到原来的舒展状态，于是整个物体也都回复到了原来的状态。这就是记忆合金的记忆过程。
其实，金属的记忆早就被发现：把一根直铁丝弯成直角（90° ），一松开，它就要回复一点，形成大于90° 的角度。把一根弯铁丝调直，必须把它折到超过180°后再松开，这样它就能正好回复到直线状态，这就是中国成语中所讲的矫枉过正。还有记忆力更好的合金就是弹簧，（这里所说的是钢制弹簧，钢是铁碳合金）弹簧牢牢地记住了自己的形状，外力一撤除，马上回复到自己的原来的样子，只是弹簧的记忆温度很宽，不像记忆合金这样有一个特定的转变温度，从而有了一些特别的功用。
　　利用记忆合金在特定温度下的形变功能，可以制作多种温控器件，可以制作温控电路、温控阀门，温控的管道连接。人们已经利用记忆合金制作了自动的消防龙头--失火温度升高，记忆合金变形，使阀门开启，喷水救火。制作了机械零件的连接、管道的连接，飞机的空中加油的接口处就是利用了记忆合金--两机油管套结后，利用电加热改变温度，接口处记忆合金变形，使接口紧密滴水（油）不漏。制作了宇宙空间站的面积几百平米的自展天线--先在地面上制成大面积的抛物线形或平面天线，折叠成一团，用飞船带到太空，温度转变，自展成原来的大面积和形状。
　　记忆合金目前已发展到几十种，在航空、军事、工业、农业、医疗等领域有着用途，而且发展趋势十分可观，它将大展宏图、造福于人类。

　　钢　　钢是铁和碳的合金，随着铁中含碳量的增减，其机械性能亦发生明显的变化。这是因碳原子直径较小，电子速率很高，高速价和运转时，伴生着较大的电磁力，激活了铁中的价电子，使其速率增加；又因碳原子有４个价电子，淬火时价和运转时形成许多铁--碳结构元，导致钢中的结构元增加；从而使得钢的硬度随之增加。
当钢的含碳量超过2.117%后，因碳的浓度增加，容易形成碳原子的小集合，因压力温度不够，不能形成金刚石结构，而是形成石墨结构，这种小石墨团嵌合在钢中，反而使得材料脆性增大，强度下降。　　 　　钢的机械性能不仅与其含碳量有关，而且与其热处理工艺的关系极大，以下我们就用物质结构原理讨论几个钢的热处理问题：

　　淬火　　淬火是把钢加热到临界温度以上，（800℃）保温后快速冷却，使得钢的硬度、强度得以提高。
　　为什么这样能提高强度？这不是因为有了什么“缺陷”，而是因加热核心对电子控制能力加强，电子速率增加。突然降温，核心库仑力顿时减弱，高速率的电子从铁、碳核心的束缚中一涌然而出，容易形成铁、碳原子之间的价和运转，从而形成铁--碳结构元，这种结构元价和速率高。钢中的价和电子多，速率高，使得钢中价和力、电磁力增大，钢的硬度和强度也就增加。
为什么要加温到800℃ 左右呢？这是很有讲究的：温度低了铁的价和电子速率不高，不能形成铁碳结构元。温度过高铁价和电子数量减少。若加温到950℃时，铁中结构元将减少一半，铁晶体转变成面心立方，此时降温淬火，物体内还要重建结构元，重整晶体结构(从面心立方向体心立方转变)使得工件变形大，而且重整过程中要消耗一些能量，因而价和电子速率也不会更高，钢的强度也不会更高。可见人们在实践中总结的淬火工艺是很有道理的。

　　回火　　回火就是把淬过火的钢加热保温，以消除内应力、降低脆性、稳定尺寸。为什么回火会有这么多好处？因为淬火时，价和电子是一涌而出的，虽然价和电子多，难免部分地带出现结构元拥挤、价和电子运转不均衡的现象，这些现象将使物质中内应力增大、脆性增加。加热温后使得核心加收一部分电子，调整部分地带的混乱，使之整齐有序，使得钢的脆性降低。
　　因淬火时物体内外降温速度不一致使得内外结构元数量以及内聚力梯度不匀，导致了较大的内应力。又因价和电子是在大温差情况下涌出的，使参入价和运转的电子超出且不稳定，如不回火，核心对部分电子还是要缓慢回收，回收时物体内重整结构元，这会使得材料变形，尺寸不稳。而回火能一次性的(有的材料要回火几次)回收多出的不稳定的价和电子、重整结构元、消除内应力、减少材料的变形。
　　以上谈及的几个钢的有关问题不过是抛砖引玉，具有专业知识的读者不妨用此理论对其它有关问题进行更广泛的论证。

　　磁性材料：　　由于价和电子的运转，所有的物质内部都存在着电磁力，但是由于电磁力方向紊乱或是彼此平行反向相互抵消所以一般物质都不呈现磁性。
铁及其它二价元素有二个相互垂直的结构元(图9-1)。在价和电子运转形成电磁力，在电磁力相互吸引构成物质的内聚力的同时，尚有部分处在另一垂面的电磁力方向不定。这样的物质在受到外磁场的作用时其部分方向不定的价和电子调整到平行同向，形成了同向的电磁力，外磁场撤去后这些价和电子保持其运动惯性，构成了物体的磁性。

　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　图9--1

　　物体具有磁性并不是因为有什么"磁畴"，而是同向电磁力的外延，除二价金属外其它物体只要其部分价和电子轨道平行同向稳定动转也能形成磁性材料。
　　当外界温度升高，核心对电子的控制能力增强，价和电子线路变化，磁性物质的平行同向位电子减少，物体的磁性减弱。当温度升高到居里点时（铁770℃）。原先平行同向的价和电子脱离平面线路，使得电磁力方向紊乱，磁性材料的磁性也就消失。

　　低碳钢的试验曲线 低碳钢是一种在工业上有广泛用途的钢铁材料，它的含碳量不高、硬度不大、韧性很好。工科专业的同学一般都要学习《金属材料》，学习此课时，几乎都要作低碳钢的拉伸试验，而且都会作出相似的拉伸曲线，如图 9--2。此曲线是材料所受的拉力与变形之间关系的曲线，也叫应力--应变曲线。纵坐标P是拉力；横坐标S 是试件在拉力作用下的伸长。
　　现行的教材中都只有这条曲线，没有从材质的内部去说明为什么会呈现这样一条曲线。笔者上学时也深感纳闷：原子之间是怎样相互连系的？为什么会是这样一条又直又弯怪怪的曲线？老师只解释了开始的那段倾斜的直线，为什么出现抖动、然后又发生弯曲？ --这条又直又弯的曲线正是金属材料的电磁力结构的最生动、最精彩的说明；它就是一条电磁力结构的试验曲线。

　　　　　　　低碳钢的拉伸曲线 　　　　　　　　　脆性材料的拉伸曲线
　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　图9--2

　　O---a 段： 从原点到a 是一段倾斜的直线，这斜线表明材料的伸长与拉力呈线性（正比）关系，外力消除，材料长度复原，与a 点所对应的应力值叫做比例极限，在低于此力的拉伸时，材料能象弹簧一样伸长复原。
　　这表明材料内的原子之间是由电磁力维系其结构，在一定的外力作用下结构元之间略微拉开，外力消除，在电磁力的作用下，各结构元恢复原位，呈弹性关系。
　　a--b 段： 这段很短，关键是b 点，过了b 点，直线逐渐变成了曲线，且渐向右弯曲，这表明拉力与伸长已不成正比关系，拉力略有增加，而试件却有较多的伸长。
此时材料已经发热，说明外力使得结构元之间间距增大，核心升温，使得价和电子加速运转，增大电磁力以抗衡外力。然而外力太大，有少部分电磁力抵御不住而使得部分结构元相互滑移换位，于是试件的变形增加较快。由于此时部分结构元已经位移，所以当外力撤除时，试件再也不能回复到原来的长度，于是就形成了宏观上的残余变形。
　　b--c 段： 这段外力没有怎么增加，而曲线在颤抖着向右移动，即试件在此应力作用下逐渐伸长。
此时材料已经发烫，说明有很多结构元在外力的作用下，相互滑移换位、重新组合，逐步使的结构元重新排列，使得结构元间的电磁力的方位得以调整，以达到与外力抗衡的最佳位置。
　　c--e 段： 这时曲线形成了向右偏上微斜的弧线，e 是弧线的的顶点。曲线略向上，说明外力缓慢增加，而向右远伸则表明试件的伸长增加很快。
由于在b-c段结构元的方位得以调整，材料抗衡外力的能力有所增强，所以外力又能有所增加。在材料内部，随着外力的增加，更多的结构元排列到与外力抗衡的位置上，这种移动换位，使得试件变细伸长。
在这种条件下，材料表面及内部的结构元的排列特别有利于抵抗拉力，因而有较大的抗拉强度，较小的变形。在工业上叫做预应力钢筋，能更好地发挥作用。
　　e--f段： 到e 点所有的结构元都排列到了最佳的抗外力的位置，外力再增大，部分结构元之间被拉开，周围的结构元向其间移位补充，于是材料的局部出现了颈缩、变细。试件丧失了低御外力的能力，沿外力伸长，到了f 点试件断了。
　　以上用结构元--电磁力的观点解释了低碳钢的拉伸曲线，如果用金属键的理论、晶格理论就难以说明此曲线的演变内含，更难解释此曲线与高碳钢及脆性材料的拉伸曲线的区别。

　
　　铁钉问题 写到这里我们就可以回到本文的开头，去看看那颗铁钉，看它的各种特性与其微观构成和运动之间的实在联系．为了便于大家分析对照，我们把现行的有关理论也一并列出，如下表：

从表中我们不难看出:中间的一列只是运用了价和电子及其运动,简明而又系统地解释了左列的全部现象。而右边的一列在表中填写的只是现有许多相关理论的标题，若要用这些理论来解释左列现象，需要有长篇大论，表中的这点空格是远远不够的，这些长篇巨著中不仅有高深的理论，而且有复杂的数学公式，而且所列的这些理论各自独立，缺乏系统性。

　火花 不同材质的钢铁放在砂轮上磨削，在砂轮的切线方向，会发出一束闪亮的红色火花。依照钢铁的含碳量的不同，火花会闪烁出不同的花纹。有经验的技师常用观察火花的方法来检验钢铁的材质。