——钢铁的综合性能

   写到这里我们就可以去看看那颗铁钉，看它的原子的核外电子是怎样在作规律运动，各种特性与微观的电子运动之间是如何建立实实在在的联系。

　　为便于大家分析对照，我们把现行的有关理论也一并列出，如下表：

    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”苍白无力，看似窄一些，可这位置只是列出了该理论的标题，这每个标题之后是复杂、冗长的论述。

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、迂回的理论往往是虚伪的。

    顺便也就钢铁材料中一些使人困惑的特性作一点简要的说明。

    铁的同素异晶     铁的原子序数是26 ，核外电子呈2、8、14、2 排列，次外层的14个电子在原子周围的排布不是十分均衡的，这就影响到它最外层的两个价电子的运转，铁的价电子速率有较大的可塑性。因而铁有不同的化合价，而且化学性质较为活泼。

　　在常温下，铁原子的两个价电子都参入价和运转，形成的结构元整齐有序。两价和轨道相连在个相互垂直的稳定平面上，价和力和价磁力构成了内聚力，此时晶格呈体心立方结构。

　　当温度升至950℃ 以上时，核外电子速率增大，由于次外层电子运转是不均衡的，核心此时把一个价电子吸引到次外层，这样,此时铁原子仅一个电子参入价和运转，像铜一样两个原子之间只有一个结构元，其晶体结构也像铜一样呈面心立方体。这就形成了铁的同素异晶现象。

    合金　  把一种金属与其他金属或非金属元素互熔，就形成了合金。

　　　在中学化学课中，我们学习了定组成定理，两种或多种元素组合成化合物必定形成固定的比例，严格遵守化学分子式所规定的份额，如：水（H₂O），必定是一个氧原子与两个氢的严格组合，其中的氢的含量既不会多也不能少，我们能根据分子式xx地计算出其中各种元素所占的比例。

　　然而，金属与金属之间却可以按任意比例互熔形成合金，如铜、锌融合成黄铜，锌在黄铜中的比例可多可少，其他合金也都是如此。合金也是几种元素的原子的结合体，为什么这些合金就不必遵守定组成定理？

　　化合物是由不同元素原子为形成稳定状态结合而成的（使价电子之和达到８或８的整数倍），所以与核外电子数密切相关。各原子之间是由价和运转结合成结构元，价电子不能多也不能少，所以化合物必须严格遵循定组成定理。

　　而金属物质是靠的是价磁力而结合，各种金属各自形成结构元，互熔后，只要有稳定的价磁力，不同元素的结构元就能结合，所以金、银、铜、锌等多种金属就能互熔，形成多种元素、各种比例的合金。

 　钢　　钢是铁和碳组成的合金，随着铁中含碳量的增减，其机械性能亦发生明显的变化。这是因为碳原子直径较小，电子速率很高，高速价和运转时，xx了铁中的价电子，使其速率增加，强度增加；

　　又因碳有４个价电子，淬火时价和运转时形成许多铁—碳结构元，导致钢中的结构元增多，铁碳结构元结合体增大（见下示意图），结合体之间相互滑移换位困难，使得钢的硬度随之增加。

    遗憾:图没有传上. 

     铁碳结构元结合体（橙色：铁-碳，蓝色：铁-铁）

   当钢的含碳量超过2.117%后，因碳的浓度增加，容易形成碳原子的小集合，因压力温度不够，不能形成金刚石结构，而是形成石墨结构，这种小石墨团嵌合在钢中，反而使得材料脆性增加，强度下降。

    磷、硫等元素因其半径大，价电子速率很低，在铁中只能降低价和电子的速率、降低金属强度；磷、硫中较多的价电子，使得金属中的结构元虽然增多，而导致脆性增加。于是人们把它们叫做杂质。

　　钢的机械性能不仅与其含碳量有关，而且与其热处理工艺的关系极大，以下我们就用新视点讨论几个钢的热处理问题。

　　淬火　　淬火是把钢加热到临界温度以上（800℃），保温后快速冷却，使得钢的硬度、强度得以提高。工程上的齿轮、弹簧一般都是经过淬火的，我们家用的刀、剪也都经过淬火。

　为什么这样能提高强度？这不是因为有了什么“晶格畸变”。

而是因为加热使得铁的价和电子速率增加，与速率很高的碳的价和电子相近，容易形成铁—碳结构元。

  突然降温，形成的铁—碳价和运转来不及重组，从而形成铁--碳结构元充斥在钢铁之中。这种钢铁内的结构元多，铁--碳结构元价和运转速率高，整体性强，使得钢中价和力、价磁力增大，钢的硬度和强度也就增加。

    为什么要加温到800℃ 左右呢？这是很有讲究的：温度低了铁的价和电子速率降比碳低很多，不能形成铁—碳结构元。温度过高铁价和电子数量减少。若加温到950℃时，铁中的结构元将减少一半，铁晶体转变成面心立方，此时降温淬火，铁还要重建结构元，重整晶体结构(从面心立方向体心立方转变)使得工件变形大，而且重整过程中不易建立铁—碳结构元，而且要消耗一些能量，因而价和电子速率也不会更高，钢的强度也不会更高。可见人们在实践中总结的淬火工艺是很有道理的。

  物理新视点。依据是事实，关注细节  见证了电子的运动伴生着电磁波，揭示了原子核外电子运转是有规律、xx的，流传了百年的核外电子无规律的电子云理论是错的。

人们会发现美妙多样的物质现象的核心竟是那样的规则、简单。

   新视点把物质的构成与各种特性广泛的联系起来，还原成一个系统的整体，所有解释相辅相成、并行不悖，超越原有常识，揭示了自然实在。对金属的导电、半导体导电及超导、超流作出了系统的阐释；对物质的强度、脆性、塑性等综合性能提出了全新的解释；xx了物质的相变之谜、对自然雷电的形成提出了新见解、xx了地滚雷之谜；重新辨析了光电效应。

   新视点超越原有的常识，开阔了知识边界，是物理学理念层面的科学创新。