认识金属材料（三）

                                            晏成和

上篇文章讲述了高碳钢、中碳钢。接下来说说低碳钢。

低碳钢是一种在工业上有广泛用途的材料，它的含碳量不高、硬度不大、韧性却很好，在桥梁、造船、建筑上广为应用。

我们用一张图来解读低碳钢，工科专业的同学在学习《金属材料》时，几乎都要作低碳钢的拉伸试验，都会作出相似的拉伸曲线，都会得到下面的这张图，如图一。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F是拉力，拉力增大、试件的内应力增大；横坐标S 是试件在拉力作用下的伸长。

                                            图一

                                              低碳钢的拉伸曲线         

现行的教材中都从宏观的表象定义这条曲线,从原点：oa直斜线-比例极限、ab段倾斜增大-屈服极限等等。除了oa斜线，教材从来没说明为什么后面会呈现这样一条曲线，从来也没有从材质的内部原因解读这条曲线。笔者上学时也深感纳闷：拉伸受力，钢铁原子之间是怎样相互连系变化？为什么会是这样一条又直又弯怪怪的曲线——倾斜、抖动、向上弯、向下弯。教材解释了开始的那段倾斜的直线，为什么出现倾斜、抖动、然后又弯曲？内在原因是什么，成了自然之谜。

有了金属是靠高速旋转的价和电子所产生的电磁力而形成的结合的解读。这条又直又弯的曲线就成了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材料试验曲线。

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，所以又叫弹性极限。

这表明材料内的原子之间结合力不是完全刚性的、而是有一定的弹性结构，在一定的外力作用下结构元之间能够略微拉开，外力消除，在物质内力的作用下，各结构元恢复原位，呈弹性关系。这种弹性说明金属由结构元之间的电磁力结合、也就是价和电子运转所伴生着磁场力相互吸引结构元构成了金属。在外力作用下，磁力连接的结构元能够被拉开微小距离，外力消除，在磁力作用下，试件恢复。

a--b 段： 这段很短，关键是a 点，过了a 点，直线变成了斜度更大向右弯曲的曲线，这表明拉力与伸长已不成正比弹性关系。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，于是核心升温，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外力而使得部分结构元相互滑移换位，于是试件变形增加较多，图中直线斜度增大。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，材料在外力的作用下开始变形、屈服，a 点也叫屈服极限。

   b--c 段： 这段外力没有怎么增加，而曲线在颤抖着向右移动，即在拉力没有增加的情况下，试件自身在颤抖着逐渐伸长，这一段最令人困惑，试件材料内部此时发生着什么状况。

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分离、滑移、重组，宏观上就形成了段曲线的颤抖。结构元的重新排列，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。外力没有增加，材料的尺度在力的方向上调整变长，这一段也叫流动极限。

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段结构元的方位得以调整，材料抗衡外力的能力有所增强，所以曲线又能向上偏移（试件能承受更大一些的外力、同时伸长）。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、结构元的排列合理，再受力变形较小。类似这样的操作在建筑工业上叫做预应力钢筋，其好处是：结构元已经调整到与外力（拉力）抗衡最佳位置，材料能够承受更大的拉力；钢材再受力时变形较小，所以能够与混凝土更好地结合、能更好地发挥作用。

在b-c-e段，纵坐标-外力增加的不多，横坐标-试件伸长却很大。表明材料的变形很大，材料进行着塑性变形。

除拉伸之外，低碳钢铁丝可以拧弯、钢板能够被冲压成零件、杯子、铁碗，都是塑性变形。塑性在宏观上是变形、改观，微观上说明物质的原子（结构元）发生了巨大的位移。结构元位移之后，材料并没有破裂，并且保持原来的强度、特性，说明位移之后的结构元能够在新的地方与周围结构元重新结合，保持原来的性状。

结构元能够在强力下分离、然后在新地方结合。除了电磁力还能有什么解释？价和电子运转所伴生着磁场，把结构元南北极吸引，形成了微型的磁石。微型磁场的电磁力解读了金属的结合，解读金属的延展性，也解释了许多一价金属金、银、铜延展性很好的原因。

e--f段： 到e 点所有的结构元都排列到了最佳的抗外力位置，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，试件继续伸长，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，大自然用这条又直又弯、又颤抖怪怪的曲线，披露低碳钢内在结构、运动、变化的鬼斧神工。如果用自由电子、金属键的理论、晶格理论终难说明金属的延展性、难以解读此曲线的演变内含，更难解释此曲线与高碳钢及脆性材料的拉伸曲线的区别。

                                2017-3-8     2019/5/20整理发表

如果这种假说有可能使某些可观察到的性质在逻辑上联系起来，而要是没有这种假说就永远无法联系，那么，就不得不接受这种假说。
                                   ——马赫