從金箍棒到美隊(duì)盾牌，這種材料不可或缺

西游記里孫悟空一柱擎天，橫掃千軍的金箍棒；漫威宇宙中金剛狼寒氣逼人，銀光閃閃的利爪；美國(guó)隊(duì)長(zhǎng)堅(jiān)不可摧，光滑明亮的盾牌以及鋼鐵俠威風(fēng)凜凜，帥氣酷炫的戰(zhàn)甲，這些“趁手兵器”都是超級(jí)英雄們最具標(biāo)志性的名片。不過(guò)，統(tǒng)觀這些古今中外的神兵利器，其實(shí)都有一個(gè)共同的名字——合金。

合金制成的菜刀

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

從超級(jí)英雄們的神兵利器到尋常百姓的菜刀，為什么無(wú)一例外用的都是合金而不是純金屬呢？合金相比于純金屬又有哪些不可替代的優(yōu)勢(shì)？這還要從合金的身世講起。

Part.1

見證歷史發(fā)展的合金

合金是指一種金屬與另一種或幾種金屬或非金屬經(jīng)過(guò)混合熔化，冷卻凝固后得到的具有金屬性質(zhì)的固體產(chǎn)物。由此觀之，合金是在一種純金屬的基礎(chǔ)上加入了其他的金屬或者非金屬元素所組成的混合物。

材料常常成為一個(gè)時(shí)代的標(biāo)志，而除了遠(yuǎn)古的石器時(shí)代之外，青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代以及近百年內(nèi)鋁等金屬的利用，都離不開合金的身影。青銅是金屬冶鑄史上最早的合金，是在純銅（紫銅）中加入錫或鉛所組成的合金。

我國(guó)早在距今5000年左右的夏朝，就有關(guān)于人們冶鑄青銅器的記載。而鼎盛時(shí)期則是在商、西周、春秋及戰(zhàn)國(guó)早期，延續(xù)時(shí)間約一千六百余年。這個(gè)時(shí)期的青銅器主要分為禮樂(lè)器、兵器及雜器等。曾侯乙編鐘，越王勾踐劍均是這段時(shí)期的青銅器代表，傳世國(guó)寶。盡管已經(jīng)沉睡了2000多年，其鐘依然蕩氣回腸，其劍依然削鐵如泥。

曾侯乙編鐘（左）和越王勾踐劍（右）

圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)

轉(zhuǎn)變時(shí)期一般指戰(zhàn)國(guó)末年至秦漢末年這段時(shí)間，伴隨著禮崩樂(lè)壞，由青銅器所構(gòu)建的的禮制逐漸瓦解。而國(guó)之大事，在祀與戎，取而代之的，是隨著兵器和祭祀用品中鐵器的出現(xiàn)，人們開始迎來(lái)了鐵器時(shí)代。

鐵器是以金屬鐵和碳元素所組成的合金，根據(jù)其中含碳的比例，可分為生鐵、熟鐵以及鋼。實(shí)際上在自然界中，鐵的儲(chǔ)量遠(yuǎn)高于銅。而之所以在問(wèn)世時(shí)間上被青銅捷足先登，是因?yàn)闊掕F所需溫度較高，要達(dá)到1500℃，青銅器時(shí)期的人們還無(wú)法達(dá)到這種溫度以及工藝的要求。

漢代鐵器

（圖片來(lái)源：鄭州市古滎漢代冶鐵遺址博物館）

Part.2

合金比純金屬?gòu)?qiáng)在哪兒？

首先，嚴(yán)格意義上說(shuō)，地球上本就不存在100%的純金屬，我們所接觸到的一切金屬，都屬于合金范疇。因?yàn)閺目茖W(xué)上嚴(yán)謹(jǐn)?shù)刂v，金屬不可能有100%純，也無(wú)法檢驗(yàn)是否100%純。所以金銀市場(chǎng)所謂的“純金”、“純銀”，也僅僅是接近100%的純度而已，除非把非金非銀的原子一個(gè)一個(gè)挑出來(lái)，才能得到100%純度的金銀，這顯然是不可能實(shí)現(xiàn)的事情。

但是現(xiàn)在的提煉技術(shù)已經(jīng)可以獲得純度達(dá)到99.999%的金屬，其應(yīng)用性能和100%的純金屬已并無(wú)二致，所以通俗地講，我們可以把雜質(zhì)總含量在0.1%以下的金屬稱為純金屬。

圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)

其次，合金擁有純金屬所不具備的一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。比如合金的硬度一般比其基體的硬度大，所謂固溶強(qiáng)化，比如鋁合金的硬度比純鋁的硬度大很多。不過(guò)也存在一些特例，例如鈉鉀合金是液態(tài)的，用于原子反應(yīng)堆里的導(dǎo)熱劑）。

合金的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性低于任一組分金屬。利用合金的這一特性，可以制造高電阻和高熱阻材料，還可制造有特殊性能的材料；有的合金抗腐蝕能力強(qiáng)于任一組分金屬，如在鐵中摻入15%鉻和9%的鎳可以得到耐腐蝕的不銹鋼。

Part.3

各路神通的“合金武器”

西游記中關(guān)于金箍棒的描寫是這樣的“棒是九轉(zhuǎn)鑌鐵煉，老君親手爐中煅。禹王求得號(hào)神珍，四海八河為定驗(yàn)”。這里面的九轉(zhuǎn)鑌鐵，實(shí)際上就是不銹鋼，它是一種鐵碳合金，原產(chǎn)于伊朗、印度等地，南北朝時(shí)期引入中國(guó)。

圖片來(lái)源：影視劇《西游記》

到了明代，上等的武器都選用不銹鋼制備。把其表面磨光再用腐蝕劑處理，可見花紋，就被稱為“賓鐵”。“老君親手爐中煅”指的就是不銹鋼加工時(shí)所必不可少的鍛造技術(shù)，是讓鋼鐵逐漸變硬的過(guò)程。并且結(jié)合后面那句“四海八河為定驗(yàn)”，證明金箍棒既可以置于淡水之中，又可以置于海水之中而不腐蝕生銹，再次驗(yàn)證了其材質(zhì)是不銹鋼的猜測(cè)。

而狼叔的利爪以及美隊(duì)的盾牌，據(jù)原著的描寫，均來(lái)自于“艾德曼合金”，盡管地球上目前還沒有這種合金。在鋼鐵俠的眾多戰(zhàn)甲當(dāng)中，鈦合金戰(zhàn)甲則占據(jù)著最重要的位置。

金剛狼利爪（左）和美國(guó)隊(duì)長(zhǎng)盾牌（右）

圖片來(lái)源：電影《金剛狼》《美國(guó)隊(duì)長(zhǎng)》

鈦合金是在金屬鈦中摻入了鋁、釩等金屬所制成的合金。與強(qiáng)度足夠的合金鋼比起來(lái)，鈦合金質(zhì)量很輕；與密度足夠輕的鋁合金比起來(lái)，鈦合金又具有足夠高的強(qiáng)度以及耐熱性，所以在需要輕質(zhì)以及高強(qiáng)度的領(lǐng)域，鈦合金成為第一選擇，比如航空航天領(lǐng)域。而且，鈦合金與人體有較好的親和性，所以假肢、假牙等人造骨骼也多用鈦合金。

目前，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的金屬元素總共只有108種，而通過(guò)不同金屬不同含量的排列組合，可以形成千千萬(wàn)萬(wàn)種不同性能的合金。所以合金具有更廣闊的設(shè)計(jì)加工空間，也具有更多的可能性，可以不斷滿足人類文明的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳承恩.西游記[M].

出品：科普中國(guó)

制作：X-Y 中科院大連化學(xué)物理研究所
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