问题

有没有可能在常温下通过反复捶打两种较软金属制造合金呢?如果可以,该用什么样的金属呢?

回答
常温下通过反复捶打两种较软金属制造合金?这个问题挺有意思的,想必你是在琢磨一些古老的金属加工技艺吧?我跟你说,这事儿,理论上有可能,但现实中难度极大,而且能做出来的“合金”跟我们现在概念里的合金差别会非常大。

让我详细跟你唠唠这个过程怎么回事,以及为什么会这么难。

为什么说“理论上可能”?

金属的塑性就是我们能把它锤扁、拉长的能力。较软的金属,比如金、银、铜、铝、铅等等,它们的原子排列相对容易滑动,所以塑性都很好。

在反复捶打的过程中,金属的晶粒会不断变形。如果两种金属的原子能够相互渗透、扩散、形成固溶体或者金属间化合物,那么理论上就能形成合金。这个过程,尤其是在高温下,会更容易发生,因为原子的扩散速度会大大加快。

但是,在常温下,原子的扩散速度极其缓慢,几乎可以忽略不计。这就好比你试图让两种不同颜色的墨水在冷水中自己混合均匀,这得等到猴年马月去。

那“反复捶打”能起到什么作用?

虽然直接的原子扩散很难在常温下发生,但反复的机械应力——也就是你的“捶打”——可以起到一些辅助作用:

1. 表面活化(Surface Activation): 每次捶打都会在金属表面产生新的断裂面。这些新的表面活性更高,更容易发生一些化学反应,或者说,能“搅动”金属原子。
2. 机械混合与碎裂(Mechanical Mixing and Fragmentation): 你持续的捶打会把金属材料打得越来越薄,越来越碎。想象一下,你把两种金属像做千层饼一样叠在一起,然后一遍遍地敲打,它们会变得越来越薄,金属颗粒之间的接触面积会越来越大。在极度薄的层之间,如果原子能靠得足够近,并且有某种机制促使它们相互作用,理论上就有可能发生原子层面的结合。
3. 加工硬化与恢复(Work Hardening and Recovery): 捶打会让金属变得更硬,这叫加工硬化。但同时,在温度不是极低的情况下,金属内部也会发生一些原子重排和位错的移动,这可以看作是一种微弱的“恢复”过程。这有点像是在给原子提供一些“跳舞”的机会,虽然它们跳得很慢。

什么金属组合比较“靠谱”一点?

如果非要尝试,并且希望结果能有点“合金”的迹象,我们需要选择那些在常温下对机械作用比较敏感,或者原子半径和晶体结构相对接近的金属。这样可以降低形成合金的“门槛”。

我猜想,以下几种组合或许会更有机会看到一些“痕迹”,当然,这依然是挑战巨大:

1. 金 (Au) 和 银 (Ag):
为什么选它们? 金和银都是非常软的金属,塑性极好,延展性无敌。它们在元素周期表上相邻,原子半径和晶体结构(面心立方)非常相似。它们之间形成了非常稳定的固溶体系列,这意味着它们可以互相溶解,形成合金。历史上,人们就通过一些古老的工艺(比如烧结、挤压等)制造金银合金。
怎么做(理论上)? 把金和银打成非常薄的箔片,反复层叠,然后用非常大的压力和持续的机械应力进行挤压和捶打。目标是让金属层变得足够薄,薄到原子可以相互接触,并通过机械应力的“搅动”来促进原子间的结合。可能还需要在一个相对密闭的环境中进行,以避免氧化。

2. 铜 (Cu) 和 镍 (Ni):
为什么选它们? 铜和镍也是相对较软的金属,塑性不错。它们原子半径也很接近,晶体结构相同(面心立方)。它们可以形成广泛的固溶体合金,比如我们熟悉的白铜(铜镍合金)。
怎么做(理论上)? 和金银类似,将铜和镍分别制成非常薄的片材,层叠起来,然后进行极致的反复捶打和压制。铜的氧化性比金银强一些,镍的氧化性也需要考虑,所以在处理时可能需要更注意避免空气接触。

3. 铝 (Al) 和 镁 (Mg):
为什么选它们? 铝和镁的密度都比较低,相对较软,塑性也不错。它们的原子半径和结构也比较接近(面心立方),可以形成一些合金。比如镁铝合金(在航空航天领域应用广泛)。
怎么做(理论上)? 铝的活性比前面两种要高,容易氧化,所以加工时需要特别注意防氧化。将铝和镁制成极薄的片材,层叠后进行反复捶打。

这个过程会遇到哪些困难?

1. 氧化(Oxidation): 这是最大的敌人。金属在常温下与空气中的氧气接触,表面会生成一层氧化膜。这层氧化膜会阻碍金属原子之间的直接接触和结合,就像给金属之间加了一层绝缘层。要想克服这个问题,你需要在一个非常干净、无氧的环境中进行加工,比如高真空或者惰性气体保护。
2. 纯度(Purity): 任何杂质都会影响金属的性质和合金的形成。如果原料不够纯,或者在加工过程中引入了污染物,结果就更难说了。
3. 扩散速率(Diffusion Rate): 如前所述,常温下原子的扩散速率极低,这是一个根本性的物理限制。即使反复捶打,如果原子不能在足够的时间内“跑”到对方的位置,也无法形成真正的合金。
4. 机械损耗(Mechanical Loss): 持续的捶打会消耗大量的能量,并且在某种程度上会使材料发生晶粒破碎、应力集中等现象,这些都可能导致材料损耗或失效,而不是形成稳定的合金。
5. 检测难度(Detection Difficulty): 即使你真的通过这种方式形成了一些原子层面的结合,但由于量非常少,且可能是在微观层面,用常规方法来检测是否形成了合金会非常困难。你可能需要用到透射电子显微镜(TEM)等高端设备才能观察到微观结构的变化。
6. 效果限制(Limited Effect): 即使成功,形成的“合金”可能只是表面上的一种机械混合,或者在非常有限的区域内形成了微量的固溶体。它不太可能达到通过高温熔炼、固溶处理等常规方法制备的合金的均一性和强度。

历史上的类比:

在古代,金属加工技术虽然不如现在发达,但人们也掌握了一些独特的技艺,比如日本的“玉钢”和刀剑锻造。那些工艺往往结合了反复的折叠、捶打和控制温度(虽然不是严格的常温),目的是为了去除杂质、均匀材料、形成所需的晶体结构以及一定的碳化物。一些古老的金银器制作工艺中,也有类似将不同金属层压合再进行加工的技法。这或许能给你一点启发,但要达到我们现在理解的“合金”程度,还是有很大差距。

总结一下:

在常温下通过反复捶打两种较软金属制造合金,在理论上有一线可能,尤其是对于原子半径和结构非常接近的金属组合,如金银、铜镍。关键在于通过持续的机械应力最大化金属颗粒的接触面积,并希望在微观尺度上促成原子间的微弱相互作用。

但实际操作的难度极高,主要受制于原子在常温下的极低扩散速率和金属表面的氧化问题。即使成功,也可能只是非常局部的、微量的固溶,或者是一种高度混合的复合材料,与传统意义上的合金相去甚远。这更像是一种探索性的材料制备思路,而不是一种高效的合金生产方法。

如果你真的想尝试,我建议从金银开始,它们最容易处理,塑性最好,也最不容易氧化。但即便如此,也不要抱太大的期望,这更像是一个实验性质的追求,挑战的是我们对材料在极端机械作用下行为的理解。

网友意见

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题主其实说的就是机械合金化。所谓机械合金化就是依靠高能球磨,让N种金属(或非金属,是的,机械合金化可以合金化非金属单质甚至陶瓷等化合物)粉末不断的焊合、破裂再焊合,从而在远低于熔点的情况下实现“冷”的合金化过程。

简单来说就是大力出奇迹,但是题主就不要想自己试试了......这个碰撞频率可不是人拿锤子砸能砸出来的

比如说我之前用的一台振动球磨机频率是1000次/min,而且一个罐子里好几百个球......这碰撞频率人力就甭想了

而且机械合金化的作用范围很小,因为合金化也要遵守基本法(扩散),所以大家才会选择用粉末进行机械合金化,因为粉末细小嘛,在几十个微米级别内完成合金化要比毫米级别用时少好几个数量级。

下图是一个典型的机械合金化的过程图,粉体的破碎是必不可少的一步

具体单个粉末来说,可能是这样子的(磨粉末截面的都是大神):

当然最终我们比较理想的结果可能是这个样子的:

当然不是什么金属都能机械合金化到这个地步,有的好一点有的会差一点。差一点也没关系,混和粉末只需要经过适当地烧结和热处理工艺仍然可以进行不错的合金化。

不过,尽管球磨机很便宜(便宜的小号球磨机才几千块钱)但是强烈不建议题主在自己家里玩这东西。因为高能球磨后的金属粉末有爆炸风险!!!

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很难,但也不是没可能。

金属材料普遍存在加工硬化现象。换句话说,常温下大部分金属的变形量是有限的,因为反复捶锻会使得金属越来越硬,越来越脆。导致要么变得太硬了锤不动,要么太脆了一锤子下去碎了。

不过加工硬化很多时候也称冷作硬化,提高温度就能避免(这也是为啥得先烧红了再打铁)。注意这里的冷和热是相对的,一般以金属的再结晶温度为标准,这个温度通常在金属熔点的0.3~0.5倍之间(开式温度)。所以,如果两种金属的熔点都很低,室温对它们来说就是高温了,也就能够避免加工硬化了。

再结晶温度按0.5倍熔点算,那么只要金属的熔点低于323℃(600 K),室温(300K)对于它来说就是高温了。满足这个熔点要求的金属有14种:

Hg(汞), Fr(钫), Cs(铯), Ga(镓), Rb(铷), K(钾), Na(钠), In(铟), Li(锂), Sn(锡), Bi(铋), Tl(铊), Cd(镉), Pb(铅)

其中Tl跟Hg毒性很高,而Li, Na, K, Rb, Cs, Fr这几个碱金属都是一碰就爆的大炸逼。排除掉这几个明显不可行的金属,也就剩下Ga, In, Sn, Bi, Cd, Pb了。

选好金属后,可以采用累积叠轧焊的方法进行冷加工(如下图),先两块金属板材进行表面处理,然后叠一块,压薄,对半切。不断重复以上过程,两种材料就能均匀混合。如果两种材料的互溶性比较好,几十次之后材料就有可能互溶成合金了。

以上皆是理论推测,实验失败(大概率事件)请勿找我报销经费。

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