认识金属材料（六） 钢铁的综合性能

内容提要：研究金属材料，就要全面地了解材料的综合特性，探索这些特性的内在联系和共同的基础。所有的性能只能是源于一个基本的整体。这些外在特性必然与微观构成和运动存在着客观的、普遍的、全面的因果关系，所有理论应该全部互洽。

 关键词： 强度  延展性  相变 合金  磁化  金属光泽  互洽

金属材料，存在着外在的多种特性，得到人们的青睐；要研究金属材料，就要全方位地了解这些综合特性的内在联系和共同的基础。金属材料一般具有以下8大特征：

（例如，一颗铁钉）

1 有金属光泽； 2有较好的强度、硬度，热处理可调整性能；

3加热后塑性增加、4有较好的延展性； 5温度再高会熔化（相变）、

6能构成合金； 7能被磁化； 8能导电等等。

 这各种宏观性能都是该铁钉内在物质构成和运动的外在体现，所有的性能，应该是源于一个系统的整体。这些外在特性必然与微观构成和运动存在着客观的、普遍的、全面的因果关系。

   然而现有的理论是研究到物质的某方面的性能，仅仅依照事物的外部标志，就发表一种对应的物质结构理论，于是，上述铁钉的8 种性能，就有8 种相应的结构理论：硬度-晶格畸变理论、相变-分子热运动理论、磁性-电子自旋理论、导电-自由电子理论，还有如何构成合金？哪里来的光泽？等现在物理学没能回答的问题。

  这些从各自角度建立的理论只能解释物质某一方面特性，却无法说明该物质的其他性能。罗列了许多互不关联的概念、建立自话自说的理论，完全不顾及整体。综合分析这各种解释，存在着互相矛盾（导电时，如何维系金属的结构；相变前，如何影响了晶格畸变-降低了强度），丧失了逻辑一致性。

这种种从各自角度建立的假说-理论，有一个美妙的名词“自洽”，其意思是还能够在各自的方位自圆其说。是的，当年的盲人摸象也都自洽，各自振振有词。整体呢？真实的大象什么样，就管他的！从而，这些缺乏整体性、系统性的荒诞之说披上一件“自洽”的外衣，蒙混一百年。

相互矛盾的“自洽”不可能是自然真实的实在，因此，人们完全有理由企盼一种统一的,或者称为系统的，能真实反应客观实在的物质结构理论。

  由于事物客观地具有系统性，所以一个正确的理论（接近自然客观实在），能综合解读一个广泛的领域，必须能够“互洽”，能够系统阐明事物的各个侧面、各种特性，能一揽子把各种宏观性能与该物质内在构成和运动建立全面、有机、逻辑的联系，成为解释物质现象的基础，并且可能开拓一个科学研究的新领域。

   说白了，就是一个结构理论，能够里应外合地阐明该物质所有的性能。

物理新视点，关注电子运动伴生着电磁波、注重核外电子的规律运转。由此建立了一个由电子规律运动所构建的物质结构物理模型。之前，对物质结构模型进行探讨，现在作一个简单的回顾：（惰性气体除外）

所有原子都吸引相邻原子最外层的价电子，形成共享的价和电子。

两个价和电子围绕着两原子核心呈椭圆形的轨道运转，形成结构元。

价和电子运转把两原子箍在一起的力叫作价和力。

四价及以上的原子由价和力构成晶体结构。

180年前奥斯特证实了电子的运动伴生着磁场-电磁力。

在结构元外围作旋转运动的电子则在其旋转平面的垂直方向伴生电磁力。

金属物质主要是靠电磁力维系其结构，金属的每个结构元如同微型磁铁相互吸引，紧密结合在一起构成了金属体。

电磁力是金属构成的主要内力，是金属压延、拉伸性能的唯一解读。当材料受到较大外力时,结构元之间能相互滑移换位，重新结合，宏观的表现是金属具有较好的延展性和塑性。

高温下，价电子脱离平面轨道[1]，电磁力方向不稳，结构元更易换位移动。

所以加热到高温时塑性增加。温度再高，价电子运转进入立交轨道，

电磁力方向紊乱，铁钉熔化（相变）。

加入了4价的碳，使其内部形成了许多铁碳结构元，铁变成了钢。

热处理后，使得其有较好的强度、硬度。[2]

核外电子高速运转伴生电磁波，电磁波反射自然光。因而有金属光泽。

铁原子有2个价电子，能与相邻原子建立2个结构元。在以电磁力构成铁体结构时，另一结构元在外磁场的作用下调整到与外磁场平行，其宏观表现就是磁性。

当温度超过850℃（居里点）时，构成磁场的磁力方向紊乱，

磁铁的磁性消失。

金属的价电子较少，外电子层不饱满，存在着电子空位、存在着电压波传导的通路，在电压波作用下，电子在连成回路的电子空位间换位移动，形成电流。因而铁钉有较好导电性能。

于是，用一个结构理论（核外电子规律运动理论），

两个推论（结构元，电子的运动伴生着电磁波），

阐明了该物质各种的性能（8 种性能）

物质所具备的各种的性能(分枝)都逻辑相符地连接着其构成(主干)。

这铁钉各种宏观性能都是该物质唯一的内在构成和运动的外在体现，所有的性能只能是源于一个系统的整体，所有的性能与内在构成全部互洽、逻辑连贯，所有的外在特性与微观构成和运动存在着客观的、普遍的、全面的因果关系。

　　为便于分析对照，我们把金属物质全部特性与微观的电子运动之间的联系，列表如下，把现行的有关理论也一并列出：

• 观测到的事实	本文的说明	现行理论的解释
  1 铁丝容易折弯  有延展性	主要由电磁力构成其内部结构，结构元之间能换位移动。在位移后由电磁力重新建立新的键。	由自由电子组合成金属键，由金属键产生延展性。却不能说明金属键如何形成，如何在位移后重新建立新的键。
  3 趁热打铁	高温下，价和电子脱离平面轨道，电磁力方向不稳，结构元更易换位移动。	分子的热运动理论。这是一个对现象的统计，完全不能够解读温度高塑性增加的原因。 现代有拓扑理论，运用数学计算来解读物理相变的理论。
  4 熔化成铁水	电磁力方向更加紊乱，结构元之间丧失固定的联系。
  5 铁能导电	其原子外层仅有两个电子，尚有电子空位，电压波、电流能在空位间换位移动。	其原子间有自由电子，靠自由电子移动而导电。却不能说明自由电子的自由来自哪里？
  6 导热性能好	受热部分价和电子加速运转，使得电磁力增加，促使相邻结构元的价和电子速率增加而使热较快传播。	自由电子的运动使得热向外传递。实际上电子自身的运动根本就没有携带温度。
  7 铁能够被磁化	铁的二结构元在构成物体结构时，其中一结构元在外磁场的作用下调整到与外磁场平行，其电磁力的宏观表现就是磁性。温度升高结构元价电子运转紊乱，电磁力紊乱，磁性消失的原因。	原来是磁畴理论。 现代是电子自旋理论，却不能说明有些金属能够产生磁性，有些材料不能产生磁性的原因。更不能说明温度升高磁性消失的原因。
  8 有金属光泽	核外电子高速运转伴生电磁波，电磁波反射电磁波——自然光。	金属的自由电子产生金属光泽，却不能说明光泽来自哪里，反射自然光的原因。

    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主要性能，就是详细论述也不会超过2千字。核外电子规律运转之说还能游刃有余地解释金属材料的热处理问题。 

　　右边的一列“现行理论的解释”自话自说、苍白无力，这每个标题之后是复杂、冗长的论述。却是逻辑矛盾的所谓的“自洽”。

讲钢铁硬度的晶格畸变之《位错理论》是一本15万字的教材；

讲铁磁化问题的电磁理论《电磁学》是一本30万字的巨著。字数虽然多，但不能清楚地说明当温度超过居里点时，磁铁的磁性是如何消失。更不能兼顾其它性能。

大自然的法则是和谐、简单。大自然总是以最“经济”的原则构成自己。如果有两种理论能够解释同一个问题，那么较为简单的往往是实在的、真实的；复杂、迂回的理论往往不是自然的真实。