合金

合金是化学元素的混合物，它形成不纯的物质（混合物），保留了金属的特性。合金与不纯金属的区别在于，它含有合金、主要金属或基底金属，这种金属的名称也可以是合金的名称。其他成分可以是金属，也可以非金属，但是当与熔融基底混合时，它们将是可溶的并会溶解在混合物中。合金的机械性能通常与其单一成分的机械性能有很大不同。通常非常软（可延展）的金属，如铝，可以通过与另一种软金属如铜合金化来改变。虽然这两种金属都非常柔软和有延展性，但最终的铝合金将具有更大的强度。在铁中加入少量非金属碳，以其巨大的延展性换取一种叫做钢的合金的更大强度。由于钢的强度非常高，但仍具有相当大的韧性，并且能够通过热处理而发生很大的变化，因此钢是现代应用中最有用和最常见的合金之一。通过在钢中添加铬，它的耐腐蚀性可以得到增强，从而产生不锈钢，而添加硅将改变它的电特性，从而产生硅钢。

像油和水一样，熔融金属可能并不总是可以与另一种元素混合。例如，纯铁几乎完全不溶于铜。即使组分是可溶的，每个组分通常都有一个饱和点，超过这个饱和点，就不能再加入更多的组分。例如，铁最多能容纳6.67%的碳。虽然合金的元素通常必须可溶于液态，但它们可能并不总是溶于固态。如果金属在固态时仍然可溶，则合金形成固溶体，成为由相同晶体组成的均匀结构，称为一种相。如果随着混合物的冷却，组分变得不可溶，它们可能会分离形成两种或多种不同类型的晶体，从而产生不同相的异质微结构，一些相的一种组分多于另一种相。然而，在其他合金中，不溶性元素可能直到结晶后才分离。如果冷却得很快，它们首先结晶成均相，但它们被次要成分过饱和。随着时间的推移，这些过饱和合金的原子会从晶格中分离出来，变得更加稳定，并形成第二相，用来在内部强化晶体。

有些合金，如银和金组成的银合金，是天然存在的。陨石有时由天然存在的铁和镍合金组成，但不是地球上的天然产物。人类制造的首批合金之一是青铜，它是锡和铜的混合物。青铜对古代人来说是一种非常有用的合金，因为它比组成其任何一种单一成分都要坚固和坚硬得多。钢是另一种常见的合金。然而在古代，它只能作为铁制造过程中在火（熔炼）中加热铁矿石的意外副产品而产生。其他古代合金包括白镴、黄铜和生铁。在现代，钢铁可以以多种形式制造。碳钢可以通过仅改变碳含量来制造，生产软合金如低碳钢或硬合金如弹簧钢。合金钢可以通过添加其他元素制成，例如铬、钼、钒或镍，从而形成合金，例如高速钢或工具钢。少量锰通常与大多数现代钢形成合金，因为它能去除有害杂质，如磷、硫和氧，这些杂质会对合金产生有害影响。然而，大多数合金直到20世纪才出现，例如各种铝、钛、镍和镁合金。一些现代高温合金，如因科镍铬不锈钢、镍铬耐热合金和哈斯特洛伊耐蚀镍基合金，可能由许多不同的元素组成。

作为名词，合金一词用来描述主要成分是金属的原子混合物。当用作动词时，该术语指的是将金属与其他元素混合的行为。主要金属被称为基底，基质，或溶剂。次要成分通常被称为溶质。如果只有两种原子（不包括杂质）的混合物，例如铜镍合金，那么它就被称为二元合金。 如果有三种类型的原子形成混合物，如铁、镍和铬，那么它被称为 三元合金。 四种成分的合金是四元合金， 虽然五部分合金被称为五元合金。 因为每种成分的百分比可以变化，对于任何混合物，所有可能的变化范围都称为系。在这方面，所有各种形式的合金只有两种成分，如铁和碳，被称为二元系， 三元合金的所有可能的合金组合，例如铁、碳和铬的合金，被称为三元系。^[1]

虽然合金在技术上是不纯的金属，但是当提到合金时，术语“杂质”通常表示那些不需要的元素。这些杂质是从贱金属和合金元素中引入的，但在加工过程中会被去除。例如，硫是钢中常见的杂质。硫很容易与铁结合形成硫化铁，硫化铁非常脆，在钢中形成弱点。^[2] 锂、钠和钙是铝合金中常见的杂质，会对铸件的结构完整性产生不利影响。相反，其他纯金属，只要含有不需要的杂质，通常被称为“不纯金属”，通常不被称为合金。空气中的氧很容易与大多数金属结合形成金属氧化物；尤其是在合金化过程中遇到的较高温度下。在合金化过程中，使用熔剂、化学添加剂或其他提取冶金方法，经常要非常小心地去除多余的杂质。^[3]

在实践中，一些合金的主要用途是它们的基底金属，因此主要成分的名称也被用作合金的名称。例如，14k金是金与其他元素的合金。同样，珠宝中使用的银和作为建筑结构材料的铝也是合金。

术语“合金”有时在日常用语中被用作特定合金的同义词。例如，由铝合金制成的汽车车轮通常简称为“合金车轮”，尽管事实上钢和大多数其他实际使用的金属也是合金。钢是如此常见的合金，以至于许多由它制成的物品，如轮子、桶或大梁，都被简单地称为物品的名称，默认它是由钢制成的。当由其它材料制成时，它们通常是这样指定的（即:“青铜轮”、“塑料桶”或“木梁”）。

通过将金属与一种或多种其他元素结合来完成金属合金化。最常见和最古老的合金化工艺是通过将基底金属加热到其熔点以上，然后将溶质溶解到熔融液体中来进行的，即使溶质的熔点远高于贱金属的熔点，这也是可能的。例如，在液态时，钛是一种非常强的溶剂，能够溶解大多数金属和元素。此外，它容易吸收氧气等气体，并在氮气存在下燃烧，增加了从任何接触面污染的机会，因此需要真空感应加热和特殊的水冷铜坩埚来熔化它。^[4] 然而，一些金属和溶质，如铁和碳，熔点很高，古代人不可能熔化。因此，合金化（特别是间隙合金化）也可以用气态的一种或多种成分进行，例如在高炉中发现的用于制造生铁（液态-气态）、氮化、碳氮共渗或其他形式的表面硬化（固态-气态），或者用于制造渗碳钢（固态-气态）的渗碳工艺。也可以用固态的一种、多种或所有成分来完成，例如在古代图案焊接（固态-固态）、剪切钢（固态-固态）或坩埚钢生产（固态-液态）方法中发现的通过固态扩散混合元素。

通过向金属中添加另一种元素，原子大小的差异会在金属晶体的晶格中产生内应力；经常增强其性能的应力。例如，碳和铁的结合产生钢，钢比铁更强，铁是钢的主要元素。合金的导电性和导热性通常低于纯金属。合金的物理性能，如密度、反应性、杨氏模量可能与其基体元素没有很大不同，但工程性能，如抗拉强度，^[5] 延展性和剪切强度可以与组成材料的延展性和剪切强度有很大不同。这有时是合金中原子大小的结果，因为较大的原子对相邻原子施加压力，较小的原子对相邻原子施加张力，帮助合金抵抗变形。有时，即使只有少量的一种元素，合金也会表现出明显的行为差异。例如，半导体铁磁合金中的杂质会导致不同的性质，怀特、霍根、苏勒、Tian Abrie和中村首先预言了这一点。^[6][7]有些合金是通过熔化和混合两种或多种金属制成的。青铜，一种铜和锡的合金，是在史前时期发现的第一种合金，现在被称为青铜时代。它比纯铜更硬，最初用于制造工具和武器，但后来被性能更好的金属和合金取代。再后来，青铜被用作装饰品、钟、雕像和轴承。黄铜是由铜和锌制成的合金。

与纯金属不同，大多数合金没有单一的熔点，而是一个熔点范围，在这个范围内，材料是固相和液相的混合物（半固熔体）。熔化开始的温度称为固相线，熔化刚刚完成的温度称为液相线。对于许多合金来说，有一种特定的合金比例（在某些情况下超过一种），称为共晶混合物或包晶成分，这使得合金具有独特的低熔点，并且没有液体/固体半融熔转变。

合金元素被添加到基底金属中，以引入硬度、韧性、延展性或其他所需的性能。大多数金属和合金可以通过在其晶体结构中产生缺陷来加工硬化。这些缺陷是在塑性变形过程中通过锤击、弯曲、挤压等产生的永久性改变，除非金属再结晶。另外，一些合金也可以通过热处理改变其性能。几乎所有的金属都可以通过退火软化，退火使合金再结晶并修复缺陷，但通过控制加热和冷却硬化的金属并不多。许多铝、铜、镁、钛和镍的合金可以通过某种热处理方法得到一定程度的强化，但很少能像钢一样对此做出同样的反应。

被称为钢的铁-碳合金中的基底金属铁，在一定温度下（通常在 1,500 degrees Fahrenheit (820 degrees Celsius)）和 1,600 degrees Fahrenheit (870 degrees Celsius)取决于碳含量)。这允许较小的碳原子进入铁晶体的空隙。当这种扩散发生时，碳原子被称为溶解在铁中，形成一种特殊的单一、均匀的结晶相，称为奥氏体。如果钢慢慢冷却，碳会从铁中扩散出来，并逐渐恢复到低温同素异形体。在缓慢冷却过程中，碳原子将不再与铁一样可溶，并将被迫从溶液中沉淀出来，成核成更浓的碳化铁（F₃C）在纯铁晶体之间的空间。然后钢变得不均匀，因为它由两相组成，即称为渗碳体（或碳化物）的铁碳相和纯铁铁氧体。这种热处理生产出相当软的钢。然而，如果钢被迅速冷却，碳原子将没有时间以碳化物的形式扩散和沉淀出来，而是会被捕获在铁晶体中。当快速冷却时，会发生无扩散（马氏体）转变，其中碳原子被截留在溶液中。当晶体结构试图转变为低温状态时，会导致铁晶体变形，使这些晶体非常坚硬，但延展性差得多（更脆）。

当防止扩散和沉淀（形成马氏体）时，钢会产生高强度，但大多数可热处理的合金是沉淀硬化合金，这取决于合金元素的扩散以获得其强度。当加热形成溶液然后迅速冷却时，这些合金在无扩散转变过程中变得比正常情况下软得多，但随后随着老化变硬。随着时间的推移，这些合金中的溶质会沉淀，形成金属间相，很难与基底金属区分开来。与钢不同，钢中固溶体分成不同的晶相（碳化物和铁素体），沉淀硬化合金在同一晶体中形成不同的相。这些金属间合金在晶体结构上看起来是均匀的，但是倾向于表现出不均匀性，变得坚硬并且有些脆。

当熔融金属与另一种物质混合时，有两种机制可以导致合金形成，称为原子交换 还有间隙机制。混合物中每种元素的相对大小在决定将出现哪种机制方面起着主要作用。当原子的大小相对相似时，通常会发生原子交换，其中一些构成金属晶体的原子被另一种成分的原子取代。这叫做替代合金。替代合金的例子包括青铜和黄铜，其中一些铜原子分别被锡或锌原子替代。在间隙机制的情况下，一个原子通常比另一个小得多 不能替代基底金属晶体中的其他类型的原子。取而代之的是，较小的原子被困在晶体基质原子之间的空间中，称为空隙。这被称为间隙合金。钢是间隙合金的一个例子，因为非常小的碳原子适合铁基体的间隙。不锈钢是间隙合金和替代合金混合的一个例子，因为碳原子适合间隙，但是一些铁原子被镍和铬原子替代。^[8]

6.1 陨铁

人类对合金的使用始于陨铁的使用，陨铁是一种天然存在的镍和铁的合金。它是偶然从外太空落到地球上的铁陨石的主要成分。由于没有冶金工艺用来从镍中分离铁，所以该合金按原样使用。^[8] 陨铁可以在赤热状态下锻造成工具、武器和钉子等物品。在许多文化中，它是通过冷锤成刀和箭头来塑造的。它们经常被用作铁砧。陨铁对于古人来说非常稀有和珍贵，很难制作。^[9]

6.2 青铜和黄铜

除了格陵兰岛的一处因纽特人使用的天然铁外，铁在地球上通常以铁矿石的形式存在的。^[10] 然而，世界各地都发现了天然铜，以及银、金和铂，它们自新石器时代以来也被用来制造工具、珠宝和其他物品。铜在这些金属中最坚硬，分布最广，成为古代最重要的金属之一。大约一万年前，在安纳托利亚（土耳其）的高地，人类学会了从矿石中冶炼铜和锡等金属。大约公元前2500年，人们开始将这两种金属合金化以形成青铜，青铜比其组成成分要坚硬得多。然而锡很稀有，主要在英国发现。在中东，人们开始将铜和锌合金化形成黄铜。^[11] 古代文明考虑到混合物及其在各种温度和加工硬化条件下产生的各种性质，如硬度、韧性和熔点，开发了现代合金相图中包含的许多信息。^[12] 例如，中国秦朝（公元前200年左右）的箭头通常是用硬青铜为头，但用软青铜做柄，将合金结合在一起以防止使用过程中变钝和断裂。^[13]

6.3 汞合金

数千年来，汞一直从朱砂中熔炼。汞溶解许多金属，如金、银和锡，形成汞合金（一种在环境温度下呈软糊状或液态的合金）。汞合金从公元前200年开始在中国被用来给盔甲和镜子等物品镀金。古罗马人经常用水银锡汞合金给他们的盔甲镀金。汞合金作为糊状物使用，然后加热直到汞蒸发，留下金、银或锡。^[14] 汞经常用于采矿，从矿石中提取金银等贵金属。^[15]

6.4 贵金属合金

许多古代文明纯出于审美目的合金化金属。在古埃及和迈锡尼，黄金通常与铜形成合金产生红色黄金，或者与铁产生明亮的勃艮第金。通常发现金与银或其他金属形成合金，产生各种各样的有色金。为了更实用的目的，这些金属也被用来相互强化。铜经常被添加到银中制成纯银，增加了它在盘子、银器和其他实用物品中的强度。贵金属经常与价值较低的物质混合，以此来欺骗买家。^[16] 公元前250年左右，阿基米德受锡拉丘兹国王的委托，想办法检查王冠上金子的纯度，引出了著名的澡堂里大喊“尤里卡！”的典故和阿基米德原理。^[17]

6.5 青灰色

白镴一词涵盖了主要由锡组成的各种合金。作为一种纯金属，锡太软了，不能用于任何实际用途。然而，在青铜时代，锡对于欧洲和地中海许多地方来说是稀有金属；因此，它的价值通常高于黄金。用锡制作珠宝、餐具或其他物品时，通常会与其他金属合金化，以增加其强度和硬度。这些金属通常是铅、锑、铋或铜。这些溶质有时以不同的量单独加入，或一起加入，制成各种各样的物品，从实用物品如盘子、手术工具、烛台或漏斗，到装饰物品如耳环和发夹。

锡合金的最早例子来自古埃及，大约公元前1450年。白镴的使用遍及欧洲，从法国到挪威和英国（大部分古代锡都是在那里开采的）到近东。^[18] 这种合金也在中国和远东使用，大约公元800年到达日本，在那里它被用来制作仪式器皿、茶罐或神道教神社使用的圣杯。^[19]

6.6 钢和生铁

第一次已知的炼铁开始于公元前1800年左右的安纳托利亚。它被称为初轧工艺，生产出非常柔软但有韧性的熟铁。到公元前800年，炼铁技术已经传播到欧洲，大约在公元700年到达日本。生铁，一种非常坚硬但易碎的铁和碳合金，早在公元前1200年就在中国生产，但直到中世纪才到达欧洲。生铁的熔点比铁低，用于制造铸铁。然而，直到公元前300年左右坩埚钢的引入之前，这些金属几乎没有实际用途。这些钢质量很差，大约在公元1世纪，图案焊接的引入，试图通过层压它们来平衡合金的极端性能，以制造更坚硬的金属。大约公元700年，日本人开始将初轧钢和铸铁交替叠放，以增加他们剑的强度，使用粘土焊剂来清除炉渣和杂质。日本剑术制造方法生产了古代世界最纯净的钢合金之一。^[12]

大约在公元前1200年，主要由于锡贸易路线的中断，铁的使用开始变得更加广泛，但这种金属比青铜软得多。然而，初轧过程总是会产生副产品，极少量的钢（一种铁和大约1%碳的合金）。自公元前1100年以来，人们就知道通过热处理来改变钢的硬度，这种稀有材料被认为是制造工具和武器的重要材料。因为古人不能产生足够高的温度来完全熔化铁，所以直到中世纪粗钢的引入，钢的量产才实现。这种方法通过在木炭中长时间加热熟铁来引入碳，但是以这种方式吸收碳非常慢，因此渗透不是很深，所以合金并不均匀。1740年，本杰明·亨茨曼开始在坩埚中熔化粗钢，以平衡碳含量，创造了第一个大规模生产工具钢的工艺。直到20世纪初，亨茨曼的工艺一直用于制造工具钢。^[20]

在中世纪随着高炉被引进欧洲，生铁的产量比熟铁高得多。因为生铁可以熔化，所以人们开始开发减少液态生铁中碳的工艺来制造钢。炼铁从一世纪开始就在中国使用，并在17世纪传入欧洲，在那里熔融的生铁暴露在空气中时被搅拌，通过氧化去除碳。1858年，亨利·贝塞麦开发了一种炼钢工艺，通过向液态生铁中吹入热空气来降低碳含量。贝塞麦工艺能够生产出第一批大规模量产的钢。^[20]

合金钢

虽然钢是铁和碳的合金，但术语“合金钢”通常仅指那些含有钒、钼或钴等其他元素的钢，其含量足以改变基础钢的性能。自古以来，钢主要用于工具和武器，生产和加工这种金属的方法往往是严格保守的秘密。即使在理性时代很久之后，钢铁行业仍极具竞争性，制造商们竭尽全力对其工艺保密，抵制任何科学分析材料的尝试，担心这将暴露他们的方法。例如，众所周知，英国钢铁生产中心谢菲尔德的居民经常禁止游客和游客进城，以阻止工业间谍活动。因此，直到1860年之前，几乎没有关于钢的冶金信息。由于缺乏了解，直到1930年至1970年的几十年间，钢才被普遍认为是一种合金（主要是由于威廉·钱德勒·罗伯茨-奥斯汀、阿道夫·马顿斯和埃德加·贝恩等科学家的工作），因此“合金钢”成为三元和四元钢合金的流行术语。^[21][22]

本杰明·亨茨曼在1740年开发出坩埚钢后，开始试验添加锰等元素（以一种叫做镜铁 的高锰生铁），这有助于去除磷和氧等杂质；贝塞麦采用的一种工艺，至今仍用于现代钢中（尽管浓度低到足以被认为是碳钢）。^[23] 后来，许多人开始试验各种合金钢，但未取得多大成功。然而在1882年，作为钢铁冶金的先驱，罗伯特·哈德菲尔德对此产生了兴趣，并生产了一种锰含量约为12%的合金钢。它被称为锰合金，表现出极高的硬度和韧性，成为第一种商业上可行的合金钢。^[24] 后来，他创造了硅钢，开始寻找其他可能的钢合金。^[25]

罗伯特·福雷斯特·穆希特发现，通过在钢中加入钨，它可以产生一种非常坚硬的边缘，在高温下可以抵抗硬度的下降。“穆希特特殊钢”（RMS）成为第一种高速钢。^[26] 穆希特的钢很快被泰勒和怀特在1900年开发的碳化钨钢所取代，在碳化钨钢中，他们将钨的含量增加了一倍，并添加了少量铬和钒，生产出了一种高级的钢供车床和加工工具使用。1903年，莱特兄弟用铬镍钢制造飞机发动机的曲轴，而1908年，亨利·福特在他的T型福特中开始用钒钢制造曲轴和阀门等零件，因为钒钢具有更高的强度和耐高温性能。^[27] 1912年，德国克虏伯钢铁厂通过添加21%的铬和7%的镍开发出一种防锈钢，生产出第一种不锈钢。^[28]

6.7 铝和其他有色金属合金

有色合金是那些不含铁的合金。尽管第一批合金，青铜和黄铜，以及铅合金、白镴和其他合金已经使用了数千年，但它们都是由相当不活泼的金属制成的，可以在明火上熔炼。在18世纪，安托万·拉瓦锡帮助建立了燃烧的氧理论，取代了自中世纪晚期起就已经失效的燃素理论。氧气理论有助于解释金属氧化（即生锈）等现象，以及岩石矿石受热时如何转化为金属。拉瓦锡预测，许多土壤、盐和碱都含有对氧气反应性太强的金属基，无法用常规方法熔炼；例如明矾，一种自古以来就使用的盐。他的工作最终引出元素周期表，这有助于确认这些“缺失金属”的存在。

由于它们的高反应性，大多数金属直到19世纪才被发现。汉弗莱·戴维在1807年提出了一种利用电弧从铝土矿中提取铝的方法。尽管他的尝试没有成功，但到了1855年，纯铝的第一批销售进入了市场。然而，由于提取冶金仍处于初级阶段，大多数铝提取工艺产生了被矿石中其他元素污染的非预期合金；其中最丰富的是铜。这些铝铜合金（当时被称为“铝青铜”）先于纯铝，比软的纯金属提供更大的强度和硬度，并且在某种程度上被发现是可热处理的。^[29] 然而，由于它们的柔软性和有限的淬透性，这些合金几乎没有实际用途，只是作为一种新鲜事物而存在，直到莱特兄弟在1903年使用铝合金制造了第一台飞机发动机。^[27] 在1865年至1910年期间，人们发现了提取许多其他金属的方法，如铬、钒、钨、铱、钴和钼，并开发了各种合金。^[30]

1910年以前，研究主要来自个人在自己的实验室里修修补补。然而，随着飞机和汽车工业的发展，对合金的研究在1910年后的几年里成为了一项工业努力，因为汽车活塞和车轮用的新型镁合金被开发出来，杠杆和旋钮用的铸铁，以及机身和飞机蒙皮用的铝合金被投入使用。^[27]

6.8 沉淀硬化合金

1906年，阿尔弗雷德·威尔姆发现了沉淀硬化合金。沉淀硬化合金，如某些铝、钛和铜的合金，是可热处理的合金，淬火后软化（快速冷却），然后随时间推移硬化。威尔姆一直在寻找一种方法来硬化用于机枪弹壳的铝合金。威尔姆知道铝铜合金在一定程度上是可热处理的，他尝试淬火铝、铜和镁的三元合金，但最初对结果感到失望。然而，当威尔第二天重新测试时，他发现合金在室温下老化后硬度增加，远远超出了他的预期。虽然直到1919年才对这一现象做出解释，但硬铝是第一批使用的“时效硬化”合金之一，成为第一批齐柏林飞艇的主要建造材料，并很快用作他处。^[31] 因为这些合金经常表现出高强度和低重量的结合，所以被广泛应用于许多工业领域，包括现代飞机的制造。^[32]