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科普-中华学生百科全书-第章

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因此,设计出各种新颖的印刷新字体,已是社会发展的需要。
(二)字号
印刷体根据大小编号。我国原有七种字号(七号字太小,只有排五号字
的公式中用七号来做占角字,或在一些必须用小号字的较特殊的印刷物上)。
后来由于书刊、报纸和广告上的需要,又逐渐增加了一些字号,如八号(不
常用)、初号、特号和特大号等。

新材料工程

材料工程的历史意义

材料是从原料中取得的生产产品的原始物料,包括人类在动物、植物或
矿物原料上转化出来的所有物质。材料不仅是劳动的对象,同时又是人类在
生产过程中创造人类物质文明和精神文明的支柱。材料的发展史过去是、现
在是、将来也永远是与人类的进化史紧密相连的。目前人类正处在跨出地球
之路的起点,不难想象:制造火箭、宇宙站、控测仪器等对材料的要求将会
达到何等高的程度……。
材料能为人类制造形形色色的有用器件。历史学家曾用材料来划分人类
进化史的时代,石器时代、陶器时代、铜器时代、铁器时代……因而得名。
人类的祖先告诉我们:他们用石头、骨骼、木材、兽皮等原料来制造工具和
武器、建造住所、缝制衣服、加工用品的时代叫做石器时代。后来,他们发
现容易塑造的粘土加热变硬,可制造陶器而进入了陶器时代。可见,人类凭
借自己的智慧发展到能将天然材料改造加工为人工材料,恰恰是人类从一个
时代进入另一个时代的里程碑。
人类的进化史与材料科学的发展息息相关,以材料科学为基础的科学技
术都已成为人类进化史上各个阶段的重要标志。从“钻木取火”到“炼金术”,
从“蒸汽机”到“电子技术”,从“计算机”到“宇航登月”,这些在人类
进化史上各个阶段的标志,已经载入了史册。现阶段的人类历史发展证明,
材料是实现工业、农业、国防和科学技术现代化的重要物质基础。材料科学
与信息科学、能源科学并列为现代人类文明的三大基础和支柱。而信息、能
源却又依赖着材料而发展。信息、能源的创新又使材料的生产和利用达到更
高的水平。各种新型材料伴随着高科技的涌现,导致某些产业部门的变革,
对世界经济和社会结构产生重大影响,从而使人类社会从低级向高级阶段推
进!
然而,材料科学的发展经历了非常艰难的年代。一代代的科学家们前赴
后继,谱写了改造大自然的伟大篇章。举例来说,从人类学会“钻木取火”
的那一天起,就梦想用一开就亮的方法照明。这个美梦却困扰了人类几百万
年。直到1821 年,英国科学家戴维(H.Davy1778~1829)和他的助手法拉第,
根据弧光放电原理制成了电弧灯。又经过美国的斯达尔、俄国的罗德金、英
国的斯万等为电灯实用化提出各种实验方案,最后,在 1881 年由爱迪生在进
行了 7895 次实验,试用了 1600 多种矿物和金属材料后,白炽灯才终于问世
了!可见对于一种造福于人类文明的技术,材料是一个重要的关键!选择适
合作灯丝的材料,没有成千上万次实验,没有研究、冶炼和制备材料的科学,
也许我们今天还在点蜡烛照明哩。

金属材料

金属材料是人类较早就开发利用,而且目前仍居世界主流的一类材料。
金属材料一般分为黑色金属材料和有色金属材料两大类。半导体材料和超导
材料也归入金属材料范畴。

钢铁

钢铁可以说是目前应用最广泛的材料。目前全球每年钢产量超过 4 亿
吨。修房造屋,铺路架桥,要用钢铁;制造机器、设备要用钢铁;制造飞机、
轮船、大炮要用钢铁。在战争期间,钢铁的消耗量更为惊人。1973 年埃及和
以色列之间爆发战争,双方 18 天内损失坦克达 2000 多辆,消耗钢铁约 10
万吨。
钢铁是从哪儿来的呢?
自然界存在有陨铁,是小行星进入大气层燃烧冶炼后得到的。我们用的
钢铁都是用铁矿石冶炼而来,其方法是:把铁矿石和还原剂(一般用焦炭)
加入高炉,从炉腰鼓入大量空气(或者是富氧空气),点火使焦炭燃烧,产
生高温的二氧化碳(CO2)气体,再与焦炭发生反应,得到还原剂一氧化碳
(CO)。在高温下,一氧化碳与铁矿石发生反应,还原出铁来成为铁水,而
其他杂质与造渣剂反应生成比铁水轻的渣浮在上面,除去渣就得到铁水。这
就是高炉炼铁。生成的铁水经过炉外精炼,就可得到铸造生铁。其余铁水装
入炼钢用的平炉、转炉或电炉中,在高温下通入氧气,使铁中的碳与氧气发
生反应,生成气体跑出来,再加入其他物质以控制其中氮、硫、磷等元素的
含量,就得到钢水。这就是炼钢。
铁按其中碳的含量来分类:
纯铁:纯度在 99.9%以上,是和锡类似的白色固体。它性能差,几乎没
有什么用途。
熟铁:含碳量低于 0.4%,韧性较好。
生铁:含碳量高于 1.7%,质地硬而脆,强度较高。
钢:含碳量介于 0.4%~1.7%之间。它性能良好,种类繁多,应用广。
生铁分为普通生铁和铸造生铁两类。普通生铁又叫炼钢生铁,仅用作炼
钢的原料。铸造生铁用于铸造各种零部件,以前多用灰口铁,其中的碳呈片
状分布在铁原子中。灰口铁熔点低,熔液的流动性好,适用于生产机床底盘、
农具、铁锅等强度高而不要求韧性好的用具。近年来人们又开发了一种新的
球墨铸铁,其中的碳呈球形分布在铁中。球墨铸铁机械强度高,加工性能好,
韧性有所提高,可以部分代替钢。
生铁中由于碳的含量高,使铁的脆性增加,韧性降低,而钢则由于含碳
量适宜,强度高又韧性好,因而应用广泛。钢主要分为两大类:碳素钢和合
金钢。
碳素钢又叫普通钢,其主要成分是铁和碳,其余元素含量虽然很少,但
也能影响其性质。例如,硅能增加钢的强度和硬度,但降低其韧性。锰能增
加钢的强度、硬度和韧性,提高耐磨性。磷和硫都是有害杂质,它们使钢在
高温下或低温下脆性增加,易破坏断裂。
碳素钢主要用作结构钢和工具钢。目前美国有 90%的建筑采用钢结构而

不用钢筋混凝土,高耸入云的摩天大楼几乎都是钢结构,日本也有 81.4%的
建筑采用钢结构。
在普通钢中掺入镍、钨、钼、钒、铜、钛、铝、钴、硅等元素,就可以
获得性质不同的合金钢。合金元素的加入使钢的性质发生了质的飞跃,获得
了许多优异性能。
第一个被认真研究的合金钢是锰钢,1882 年由英国的哈德苏尔德首先研
制成功。锰钢具有优良的耐磨性和抗震性,适用于制造碎石机和钢轨。后来
研制成功的高锰钢,含锰量达 80%,性极坚韧,是制造舰艇和坦克装甲的好
材料。
1912 年,英国人布里尔利把一定比例的镍、铬加入钢中,研制成功了不
锈钢。它具有极高的耐腐蚀性,在高温下也不会氧化。制造汽轮机叶片、耐
酸器件、飞机零件等都要用到它。我们日常生活中所用的不锈钢刀、叉、盘
等也是用这种合金钢生产的。
以铁、钴、镍为主要成分的耐热钢,可以在 800℃以上的高温环境中正
常工作。美国宇航局研制的钴基合金,工作环境温度可达 1150℃。而在钢中
加入锯,其工作温度可达 1300~1600℃。在美国“阿波罗”飞船上所用的一
种涂有钼的化合物,能在 2760℃的高温下工作。人们为什么对耐热钢如此感
兴趣呢?这是因为:有了高性能的耐热钢,可以提高火力发电站的蒸汽温度,
从而提高发电厂的热效率(目前发电厂的最高热效率仅为 40%)。而火箭喷
气发动机喷口的工作温度约 1380℃,没有耐高温的喷口,就难以提高火箭的
速度。人们在这方面的研究正逐步深入。
在古典小说中常写到削铁如泥的宝刀,而真正称得上削铁如泥的是硬质
合金钢,它是采用粉末冶金工艺制成的:把难熔的钨、钽、钛、钼等元素的
碳化物的硬质颗粒,与铁合金的粉末混合后压制成型,经高温烧结而成。硬
质合金钢的抗压强度极高,含钴 10%的碳化钨基合金,其强度可达 350~
370kg/mm2(kg 为千克, mm 为毫米),是世界上强度最高的合金。有的硬质
合金钢做成的刀具,在 1400~1500℃下仍然可以高速切削金属。

铝和铝合金

铝在地壳中含量为 7.45%,比铁(5%)还多,是一种资源十分丰富的
金属。但由于它化学性质活泼,与氧结合紧密,因此自然界中不存在天然铝。
铝的冶炼十分困难,人们直到 1854 年才用比氧更活泼的钠把铝从其氧化物中
还原出来,铝因而身价倍增。那时在皇宫中最为珍贵的不是金银钻石而是铝
制的工艺品和餐具。法国统帅拿破仑三世为了炫耀自己的财富,曾花重金为
自己制了一顶铝盔。后来人们发明了电解冶炼铝的方法,铝才得到了广泛应
用。
铝比重小,重量轻,可以用来代替钢铁。它不仅能使设备重量减轻很多,
而且强度高,不怕腐蚀,因而用途广泛。一架现代化的超音速飞机,铝和铝
合金占总重量的 70%;导弹上用铝达 10%~50%;美国“阿波罗”飞船上,
铝占金属总重的 75%;我国第一颗人造卫星“东方红”的外壳也是铝合金。
铝的强度不算低,当加入少量铜、锰、硅、镁等元素形成合金后,其强
度又显著提高,经过一定的处理,甚至会超过一些钢的强度,但重量却比钢
轻很多。有人估算,如果每辆汽车用 300 公斤铝代替钢,光美国一年就可节

省 29 亿加仑的汽油。
铝的导电性能也很好,虽比铜低却高于铁,但它比铜轻 2/3,并且铝导
线散热快,能通过较大电流而不会被烧坏。再加上价格便宜。因此近年来铝
导线数量显著增
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