制造一种新金属

本:一旦我们有了一种新金属的配方，我们怎么知道它是否达到了最初的预期?剑桥大学的尼克·琼斯博士邀请我到材料和冶金系去了解更多的过程，他也加入了我们的演播室。尼克，非常感谢你能来。

尼克:绝对荣幸。

本:我们听罗杰说你会得到这样的食谱。然后从哪里开始呢?

尼克:嗯，就像罗杰说的，它们可以在一张纸上以重量百分比或原子百分比的形式给我。如果它们是一个原子百分比，那么我需要把它们转换成对我更有用的东西也就是重量百分比。然后我进入实验室去我们的原料橱柜那里有各种各样的小罐子里面装着纯元素金属然后我开始称它们的重量，就像你在厨房里烤东西一样，只是用了更精确的秤。

本:准确有多重要?如果你得到的是原子百分比，那么你的测量就必须非常准确。

尼克:很明显，在我进一步做任何事情之前，我们所做的测量越精确，我们就越有可能得到指定的成分。所以，如果我在这个阶段搞砸了，就像做蛋糕一样，这就不会是他们想要的了。在这一点上，像罗杰这样的人可能会对我很生气，我必须再试一次。

本-你还带我去看了一些你实际使用的设备。所以，一旦你得到了你的测量值，你就需要融化它。为了这个，你带我去看电弧熔炼机。

尼克:我们现在看到的是，这是一个电弧熔炼机。我们用这个来融化我们的一些成分。所以，我们有我们已经称过重量的原始元素，我们把它们放在一个小容器里，这里是指状的凹槽。把它们都放到凹槽里，我们就把整个系统置于真空状态。氧很容易进入金属，特别是当金属很热的时候。我们真的不想要那样，所以我们会把它抽到一个相当高的真空中然后在我们真正开始融化这些之前，我们在系统中填充氩气这是一种惰性气体在形成电弧之前，有点像焊接。然后我们用它来改变电流，电弧的强度，把这些元素融化在一起。液体的时候混合得很好，比固体的时候好得多。所以我们要把这些东西加热，变成液体，这样所有的东西都混合在一起，我们得到一个均匀的固体。

本:这就是你的弧焊机，它的工作原理和弧焊一样，你实际上是在使用非常大的电流，产生大量的热量。那么，为什么你想用这种方式来做，而不是用感应法——在感应法中，你建立一个电磁场，从而促使金属本身变热——或者甚至在更传统的烤箱中?

尼克:我认为在很多方面，我们想要融化的一些元素，我们想要达到相当高的温度。Roger提到在他设计的一些镍基高温合金中，有一些难熔金属元素，它们的熔化温度很高。弧让我们有能力达到这么高的温度。所以，我们可以制造少量的，这些非常小，大约是你小指的大小，来试验这些材料。现在，如果我们想制造更多的，我们可能会用一种不同类型的炉，比如感应炉，但是我们可能要先把这些元素融化在一起，让它们达到更低的温度。所以在其他类型的熔炉里更容易熔化它们。

你有没有遇到过这样的问题:如果你通过一个电流，你显然也会在它周围产生磁场?这会影响你最终得到的结构吗?我的意思是，如果你用一种不同的加热方式你会得到不同的结构吗?

尼克:我认为这些东西很酷，这给了我们它们形成的结构。我个人从来没有研究过我们是否会受到磁场的影响。我知道有些人确实在研究钢，他们试图在材料处于特定温度时使用磁场，但是在我处理的很多合金中，它们没有磁性，所以我会避开那个，所以我想我可以轻松地摆脱它。

本:那你接下来要做什么?你显然把它融化了。你让它冷却了。你有你的小测试样本。下一步是什么?

我要做的第一件事就是取一小片材料准备好，然后把它放到扫描电子显微镜下。然后，我可以使用一种快速检查构图的技巧，看看我是否真的在正确的球场上。从那以后，我们会把它送去做更精确的成分分析。如果我离作文还有很长的路要走，比如我刚刚称错了东西，因为我今天过得很糟糕，这种情况就会发生!那我得再试一次。就像我们在介绍中看到的那样，没有必要继续这个漫长的过程来完全描述和做这些漫长的热处理。我得确定我一开始是对的。

本:你说过这些是手指大小的金属样本。如果你要切掉一小块，我们要处理多大的样本?

尼克:嗯，这可能会有所不同，但通常是几毫米长，如果你想象一下，把你的右手指尖取下来，它可能是这么小的东西。我们可以看到的材料的数量实际上是非常小的，这给了我们一个有代表性的想法，关于这些材料可能会发生什么。

本，你刚刚提到了热处理，这是你带我去看的下一个东西。我们来听一下。

尼克-所以我们现在看到的是一个箱式炉。当温度达到1100摄氏度时就会发生这种情况。正如他们所说，它们只是盒子，两边都有加热元件，周围是陶瓷墙。我们会用这些来放入我们的样品，对它们进行热处理，使它们在高温下发生大量的扩散，这确保我们可以评估它们将形成的晶体相，不同的相。我们这样做了很长一段时间。我们旁边还有两个火炉，是我的一个同事正在使用的。它们的温度分别是800摄氏度和1000摄氏度它们都能工作1000个小时。所以长时间的热处理使我们能够使这些材料达到平衡并确保我们了解它们的平衡相是什么。

(门关闭)

本:听起来我觉得这和上油有关，但是热处理的意义是什么呢?在1000摄氏度下的1000小时里会发生什么变化?

尼克-它允许所有元素在固体内部移动。所以这些东西在这样的温度下仍然是固态的，就像我说的，这些元素可以在这种材料中扩散，移动到它们想去的地方，它们在固体金属中能量最低的位置。正如罗杰之前提到的，在某些情况下，这实际上会导致沉淀的形成，正如他所说，这使得材料的行为更像复合材料。我们可能想要形成这些，因为它们可以增强材料。所以我们需要形成这些沉淀并允许扩散发生。我们需要给他们这样做的能力，这意味着高温，然后时间去做。这不会很快发生。扩散，特别是一些折射金属，是非常缓慢的。

本:所以我们最终会得到一种与最初熔化时完全不同的金属。当你把它加热这么长时间，内部的晶体结构就会非常不同，所以性质也会不同。

尼克:嗯，情况就是这样，他们可以。有时候，你刚铸造出来的东西并不是你想要的，希望通过长时间的热处理，我们能达到它们自然形成的平衡阶段。然后如果我们改变温度，我们可以诱导这些沉淀形成，因此，是的，我们可以开始生产一种材料，它的性质与铸造材料中的性质非常不同。

本:然后你需要做什么?所以你已经从铸态金属中提取了一个初始样本你知道它的结构。一旦你完成了热处理，你还需要做同样的测试吗?

尼克:当然。我们需要看看现在的微观结构是什么样子。这是从原子尺度上看的，它在微观层面上的样子。我们可以从这些沉淀物的形成中看到很多东西，我们必须去看看它们，因为它们的大小和形态，也就是形状，是非常重要的。这些东西被设计成。就像罗杰说的，他们实际上是想把这些功能设计进去，所以我需要检查一下我们是否想对了，是否真的试着去制造它，如果我们没有。是时候再来一次了。

除了它的化学结构，你还需要弄清楚这种金属的性质是不是你想要的那种性质。你一定要做一些机械测试。

尼克:没错。我们使用一系列的机械测试。这可以从一些简单的东西，比如一个小的金刚石压头进去，给我们一些硬度的概念。罗杰提到了强度，所以我们可以用拉伸试验来评估我们有机器可以在更高的温度下进行测试，给我们一些指示，是否室温特性可能是好的，但是它也会在高温下表现出来吗，你在燃气涡轮发动机中发现的?罗杰提到的其他东西，他说铬是用来防腐蚀的，所以，我们可以看看氧化，这些东西会变得很热就像我在关于电弧熔体的文章中说的那样。氧气被金属吸收，然后我们在表面形成氧化物，这很糟糕，因为它在消耗你的组件。所以我们可能想要测试这些合金的抗氧化性能有多好，因为这是它们设计的关键。