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教科书中没有解释的曲线——低碳钢的试验曲线
盲人摸象——铁钉问题 钢的结构元 钢铁是人类生产的最多、使用最广泛的金属材料。 本章将从价和电子的规律运转、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，这部分会涉及到一些专业知识，但读者可以通过其中事实来加深核外电子的运动与物质构成之间的联系，有助于综合说明核外电子有规律的运动所关联着的物质的各种性质。 钢铁 一颗铁钉有金属光泽、有一定的强度；能传热、能导电；遇高温时塑性增加；温度再高会熔化；遇磁场被磁化；能构成各种合金等等。大自然把这具有综合特性的物质展现出来，让我们依据这些外在特性来探索物质的内在构成，探索原子和核外电子的规律运动与各种特性之间存在着客观的普遍的联系。 然而现有的研究是支离的，遇到物质的某方面的性能就有一种与之对应的结构理论，于是上述铁钉的6 种性能就有6 种理论。解释金属的强度、硬度用到的是晶格畸变理论；解释金属的传热导电用的是自由电子理论；解释金属磁性用的是磁畴理论；解释金属相变（熔化）用的是分子的热运动理论…… 这些从各自角度建立的理论虽能解释物质某一方面的特性，却往往有悖于另一理论，或是无法说明该物质的其他性能。因此人们完全有理由企盼一种统一的,或者称为系统的物质结构原理。 铁钉所具有的多种特性都与铁原子的构成和运动相关；都与铁原子核外的价和电子的运转速率、线路全面相关；价和电子的规律运转与铁钉的所有性质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两个价电子的运转。铁的价电子速率有较大的可塑性，加之两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。铁较易与氧起反应，铁还能与潮湿空气中的氧缓慢地进行氧化反应——铁生锈。 在常温下，铁原子排列整齐有序，是典型的晶体。铁原子的两个价电子都参入价和运转，并且价和轨道在两个相互垂直的稳定平面上，价和力和价磁力构成了内聚力，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，像铜一样两个原子之间只有一个结构元，其晶体结构也像铜一样呈面心立方体。这就形成了铁的同素异晶现象。 合金 把一种金属与其他金属或非金属元素互熔，就形成了合金。 在中学化学课中，我们学习了定组成定理，两种或多种元素组合成化合物必定形成固定的比例，严格遵守化学分子式所规定的份额，如硫酸锌（ZnSO４），必定是一个锌原子与一个硫酸根的严格组合，其中的锌的含量既不会多也不能少，我们能根据分子式精确地计算出其中各种元素所占的比例。 然而，金属与金属之间却可以按任意比例互熔形成合金，如铜、锌融合成黄铜，锌在黄铜中的比例可多可少，其他合金也都是如此。合金也是几种元素的原子的结合体，为什么这些合金就不必遵守定组成定理？ 化合物是由不同元素原子为形成稳定状态结合而成的（使价电子之和达到８或８的整数倍），所以与核外电子数密切相关。各原子之间是由价和运转结合成结构元，价电子不能多也不能少，所以化合物必须严格遵循定组成定理。而金属物质是靠的是价磁力而结合，各种金属各自形成结构元，互熔后，只要有稳定的价磁力，不同元素的结构元就能结合，所以金、银、铜、锌等多种金属就能互熔，形成多种元素、各种比例的合金。 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，以免被其他元素的原子吸引去，于是库仑力增加，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，在与基本元素结合成结构元的过程中，较强的价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。 事物有两面性，降低价和电子速率不见得都不好，最近人们研制的碲铜合金因为降低了价电子速率使其导电能力增加，还形成了双环的结构元，使其导热能力增加。
钢 钢是铁和碳组成的合金，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，伴生着较大的价磁力，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加，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。工程上的齿轮、弹簧一般都是经过淬火的，我们家用的刀、剪也都经过淬火。 为什么这样能提高强度？这不是因为有了什么“晶格畸变”，而是因加热使得铁的价和电子速率增加，与碳的价和电子相近，容易形成铁—碳结构元。突然降温，高速率的价和电子立即从立交运转降为平面运转，形成的铁—碳价和运转来不及重组，从而形成铁--碳结构元充斥在钢铁之中。这种结构的结构元多，价和运转速率高，整体性强，使得钢中价和力、价磁力增大，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。 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：20世纪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。他们先把这些弯弯曲曲的合金丝一根根拉直，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有“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，就丝毫不差地原形再现。人们把这种现象叫做形状记忆效应，把具有这种形状记忆效应的金属叫做形状记忆合金，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，价磁力是构成合金物体的主要内聚力。 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，价磁力受到外力的干扰，导致结构元位移、换位、调整，一次塑性变形就完成了。 记忆合金由于是不同金属元素相按一定的比例互掺和均布，在一定的温度条件下不同种类的结构元相邻相安。 在受到外力后，价磁力受到外力的干扰，因周围是不同元素，结构元只是微量角度调整，并不换位，物体产生塑性变形，在此变形中，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，价磁力随之发生变化，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。 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。 记忆合金目前已发展到几十种，在各个领域有着广泛的用途。 记忆合金的记忆过程是核外电子运转规律性的最好诠释。
磁性材料 由于价和电子的运转，所有的物质内部都存在着价磁力，但是由于非金属物质的价磁力方向紊乱，而大部分金属内虽价磁力密集，但彼此平行反向相互抵消，所以一般物质都不呈现磁性。 铁及其他有两个价电子的金属能构成两个相互垂直的结构元(图9-1)。在价和电子运转形成价磁力、在价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价磁力方向不定，这时的金属不显磁性。 当这样的有两个价电子的金属
在受到外磁场的作用时，其部分方向不定的价和电子顺应外磁场调整到平行同向，形成了平行同向的价和电子运转，构成同向的价磁力。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”，而是同向价磁力的外延，除2价金属外，其他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，受外磁场作用改变方位的价和电子运转线路回归，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，使得价磁力方向紊乱，磁性材料的磁性也就消失。 用价和电子——结构元理论能很好地解释磁体的磁性各向异性，也能很好地解释铁磁体磁致伸缩和磁弹性。 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图，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。如图9—2左。 现行的《金属材料》教材中都只有这条曲线，却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？老师只解释了开始那段力与变形成正比的倾斜的直线，为什么出现ａｂｃ段的抖动、然后又发生ｃｅｆ段的弯曲？ 图9-2 这条又直又弯的曲线正是对金属材料的价磁力结构的最生动、最精彩的说明，它就是一条价磁力结构的试验曲线。 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，a 点所对应的应力值叫做比例极限，外力在低于此极限下，材料能像弹簧一样随外力伸缩，外力消除，材料长度复原。 这表明材料内的原子之间是由价磁力维系其结构，在一定的外力作用下结构元之间略微拉开，外力消除，在价磁力的作用下，各结构元恢复原位，呈弹性关系。 a--b 段： 这段很短，关键是a 点，过了a 点，直线变成了逐渐向右弯曲的曲线，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，增大价磁力以抗衡外力。然而外力太大，有少部分价磁力抵御不住外力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滑移换位，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，结构元在承受很大的外力的情况下滑移、重组。应力在小的区间变化，应变却在不停地发生。结构元的重新排列，使得结构元间的价磁力的方位得以调整，以达到与外力抗衡的最佳位置。宏观上就形成了段曲线的颤抖着的右移。 c--e 段： 这时曲线形成了向右偏上微斜的弧线，e 是弧线的顶点。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段结构元的调整，过了ｃ段，结构元的方位调整到与外力相适应。材料抗衡外力的能力有所增强，所以曲线又能向上偏移。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，因为材料已经拉伸变形，再受力时变形量较小。工业上，常把钢筋预先受力拉长，叫做预应力钢筋，它在构件中变形小、受力大，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。试件丧失了抵御外力的能力，沿外力伸长，到了f 点试件断了。 以上用结构元—价磁力的观点系统地解释了低碳钢的拉伸曲线，说明了该曲线各段演变的丰富内含。 铁钉问题 写到这里我们就可以回到本章的开头，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铁钉的所有性能。
能是什么？为什么能量能转化、能守恒？
经典物理的力、热、光、电如何内在联系？
＊经典物理的小结 以上各章的论述，以核外电子的规律运动为基础，解释了诸多的物理现象，涉及到经典物理的各个方面，接下来的讨论将要触及量子物理，故有必要在此作个小结。 我们发现，以核外电子规律运动为纽带，把物理学各自独立的几大分支中的力、热、声、光、电有机地联系起来了，把自然界的各种能量也联系起来了，找到了能量守恒的内在原因，把科学研究的各个独立的分支还原成一个自然系统的整体： 力 大厦巍峨、桥梁挺拔，能经风雨御外力，靠的是其顽强的内聚力——价和电子运转所形成的价和力、价磁力。力是物体间的相互作用，确切地讲应是物质间的相互作用。 牛顿力学体系的建立，为世界的进步作出了极大的贡献。工程师们的力学计算，所依据的是各种材料的力学性能——物质内价和力、价磁力所构建的物质宏观性能，从而高水平地设计并建造了大厦、桥梁、飞机、轮船…… 物质晶体的形成，物体的脆性、塑性、弹性、硬度、延展性等诸多力学性质，也与价和电子的运转息息相关。 热 热是温度，是能量，温度实际上是核外电子运转的快慢程度；热能实际上是核外电子的动能。某物质的温度高于周围的温度（较热），则该物质向外放出能量——向周围幅射电磁波，同时，核外电子降低速率（降温），反之则吸收能量——吸收电磁波，导致自身的核外电子的速率升高（升温）。在一稳定的系统内，物质的温度就是这样相互幅射——吸收，达到相对平衡。 热能使物质发生相变，人们常常是利用物质的相变来做功，如：蒸汽机、内燃机，就是利用物质（水、汽油）的相变——价和电子速率的量变到质变，运转路线由平面进到空间球面，物质由液体相变成气体，分子间相斥，使得体积膨胀，推动活塞做功。 物质在很高温度条件下，电子速率很高，核外电子跃迁，向外辐射电磁波——热使物质发光。 声 声是空气振动所形成的波，空气中充满着多种物质的分子——双核或多核心的结构元，球面运转的价和电子的斥力使分子之间维持着距离，且进行着布朗运动。受到振源的振动后分子产生振动，分子之间发生挤压，斥力又使之分开，于是就发生了向周围传递的声波。 光 光是有一定波长的电磁波。电子的运动也伴生着电磁波，当价和电子的速率较高，物质向外辐射电磁波，价和电子的速率越高，辐射的电磁波的频率就越高，于是就成了人们的眼中所看到的光。温度越高，核外电子的速率升高，光色就偏向高频段——青、蓝、紫；若温度较低，则光色偏向低频段——物质发红光或红外光（热 ）。这里所说的是热发光，还有冷光，如日光灯、极光等，其发光原理是更高频率的电磁波辐射。 光波（电磁波）能对某些物质发生作用，是因为一定频率的光波与物质的核外电子运转所伴生的电磁波相互作用的结果。 激光来源于发生物质内核外电子的辐射。激光的发生，给核外电子规律运转提供了有力的实验证明；给核外电子规律运转伴生着波，以及核外电子吸收外界辐射、向外界发射辐射的自然事实提供了实验证明。正是因为物质的核外电子规律定速的运转，才能辐射出频率稳定、相干性好的激光， 电 原子外层环绕着电子，核外电子在稳定的轨道上规律地高速旋转着。电子的运动伴生着磁场，电磁现象是物质的普遍现象。电压是一种驱使电子定向运动的电磁波，导电首先是电压波在物质的电子空位间的传导。 文中用电子空位——流通的观点系统论述了发电原理、导电原理、半导体原理、超导原理。全文论述的过程都围绕着价和电子运转的这个核心。电气元件所具有的各种特性都与核外电子规律运动及电子运动所伴生的波密切相关。 这样，核外电子的运转就把物理学的力、热、声、光、电都联系起来了，使之还原为一个系统的整体。 能量为什么能守恒 能是什么？一直是困惑我们的问题，能看不见、摸不着，而且又无所不在。我们在中学就学了能量守恒、能量转换，能量为什么会守恒？能量为什么能在物质之间转移、能量的形式为什么能相互转换，而且在转换中守恒？ 除了宏观的动能、势能之外，其他能量都是蕴含在物质内的微观能量，除了核能，所有的能量都是核外电子运动的宏观表现，各种能量的存在和相互转换都与核外电子的运动密切相关。见下表：
探讨核外电子有规律的运动，揭示了物质能量的内涵，表中这些能量都是核外电子的动能，核外电子的不同运动就是能量在物质间转换、转移、贮藏并且守恒的内在原因。读者不难看出价和电子规律运动之说，把自然界的各种能也都联系起来了。 能量为什么会守恒？能量为什么能在物质之间转移、能量的形式为什么能相互转换？其内因就是核外电子规律运动。核外电子的运动方式、运动速率、运动的动能，是独立呈现的热能、光能、化学能、生物能存在相互联系的内在原因；核外电子的运动，是能量转换、能量守恒的内在原因。 核外电子的规律运转——结构元之说不仅把物理学的几个分支联系起来，而且，把物理学和化学也联系起来，成功地解释了化学反应的吸热、放热现象；说明了分子定组成的原因；解释了化学反应的催化原理，解释了人与动物为什么要呼吸。 核外电子有规律的运转，及运转所伴生着的波，造就了世上物质所具有的各种理、化性能；核外电子的规律运动是杂乱纷纭的物质现象中的内在联系。
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晏成和 （yych66@126.com） 上传2007.05
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