留学生如何看杨振宁入中国籍？这里有五个故事

Ter?svaijeria - ter?s on raudan ja hiilen metalliseos.

百度 当导盲犬牵引着服务对象来到郎世宁的《十骏犬》画作前时，画面相当温馨有趣。

Metalliseos eli lejeerinki on v?hint??n yhden metallin ja yhden tai useamman muun alkuaineen seos, jolla on metalliset ominaisuudet. Metalliseokset ovat yleens? kest?v?mpi?, kevyempi? ja/tai edullisempia kuin puhtaat metallit. Ne ovat monissa sovelluksissa puhtaita metalleja k?ytt?kelpoisempia. Tyypillisi? esimerkkej? metalliseoksista ovat muun muassa ter?s ja messinki.

Johdanto

Metalliseos on v?hint??n kahdesta eri alkuaineesta koostuva aine, joista ainakin yksi on metalli. T?t? metallia kutsutaan seoksen perusmetalliksi. Muut aineet voivat olla joko metalleja, puolimetalleja tai ep?metalleja. Lis??m?ll? n?it? ep?puhtauksia voidaan muokata metalliseoksen ominaisuuksia, kuten metallin lujuutta. Metalliseos kuitenkin s?ilytt?? metalleille tyypilliset ominaisuudet. Toisin kuin puhtailla metalleilla, metalliseoksilla ei yleens? ole tarkkaa sulamispistett? vaan sulamisl?mp?tila-alue, jossa esiintyy sulan ja kiinte?n faasin sekoitus.

Metalliseos valmistetaan tyypillisesti liuottamalla seosaineet sulaan perusmetalliin. J??htyneen ja kiteytyneen metalliseoksen ominaisuudet voivat erota hyvinkin paljon yksitt?isten aineiden ominaisuuksista. Esimerkiksi kuparin ja tinan seos, pronssi, on huomattavasti lujempaa kuin kumpikaan metalleista itsess??n. Lis??m?ll? rautaan hiilt? saadaan lujaa ter?st?. Ter?ksen ominaisuuksia voidaan edelleen muokata esimerkiksi lis??m?ll? siihen kromia, jolloin saadaan ruostumatonta ter?st?.

Metalliseoksen aineiden tulee liueta toisiinsa nestem?isess? olomuodossa, mutta ne eiv?t v?ltt?m?tt? ole liukenevia kiintein?. Jos aineet ovat kiintein?kin liukenevia, metalliseos on j?hme? liuos, joka on rakenteeltaan homogeeninen ja koostuu identtisist? kiteist?. Metalliseos on t?ll?in yksifaasinen. Mik?li ainekset eiv?t ole kesken??n liukenevia kiintein?, ne voivat erottua muodostaen erilaisia kiteit?. T?ll?in metalliseos on heterogeeninen ja koostuu useammasta faasista. Joissakin metalliseoksissa liukenemattomat aineet saattavat erottua vasta kiteytymisvaiheessa l?mp?k?sittelyn seurauksena.

Luonnossa esiintyy joitakin metalliseoksia, esimerkiksi elektrumia, joka on kullan ja hopean metalliseos. Raudan ja nikkelin metalliseoksia on l?ydetty meteoriiteista, mutta maapallolla niit? ei esiinny luonnostaan.

Valmistus

Metalliseoksia valmistetaan p??asiassa nelj?ll? eri tavalla.

1. Metallin seostaminen sulassa tilassa. Korkeamman sulamispisteen omaava metalli sulatetaan ja toinen metalli pudotetaan siihen, jolloin se liukenee muodostaen metalliseoksen. Seos yleens? peitet??n hiilell? hapettumisen est?miseksi. T?m? on yleisin tapa seostaa metalleja, sill? l?hes kaikki metallit ovat toisiinsa liukenevia sulatilassa. Poikkeuksen muodostaa esimerkiksi rauta ja lyijy.
2. Metallien sekoittaminen jauhemuodossa ja seoksen ty?st?minen.
3. Kahden tai useamman metallin seostaminen niiden ioneja sis?lt?v?st? elektrolyyttiliuoksesta tasavirran avulla, jolloin toiselle elektrodille muodostuu metalliseos.
4. Kahden tai useamman metallin oksidin samanaikainen pelkist?minen, jolloin syntyy metallien seos.

Metalliseosten rakenne

Yksifaasiset seokset

Vasemmalla ylh??ll? puhdas metalli, oikealla ylh??ll? korvaussijaseos, vasemmalla alhaalla v?lisijaseos, oikealla alhaalla korvaus- ja v?lisijaseoksen yhdistelm?.

Yksifaasiset metalliseokset ovat niin sanottuja kiinteit? liuoksia tai j?hmeit? liuoksia. Kiinteit? liuoksia on kahta tyyppi?: v?li- ja korvaussijaliuoksia. V?lisijatyyppisess? metalliseoksessa seosatomit asettuvat metallihilassa metalliatomien v?leihin. T?llaisen seoksen syntymisen edellytyksen? on, ett? v?lisija-atomit ovat tarpeeksi pieni?. Sopivia atomeja ovat esimerkiksi hiili, happi ja typpi.

Korvaussijaseoksessa seosatomit korvaavat metalliatomeja. Korvaussijaliuoksesta voidaan my?s k?ytt?? nime? aukoton liuos. Nimi tulee siit?, ett? aukottomassa liuoksessa seostettavat aineet liukenevat toisiinsa kaikissa suhteissa muodostaen yksifaasisen systeemin. Aukottoman liuoksen muodostumiselle on nelj? ehtoa:

1. Seostettavien atomien kokoero ei saa olla yli 15 %. Mik?li kokoero on t?t? suurempi, rakenteeseen syntyy v??ristymi? mik? tyypillisesti aiheuttaa faasierottumista.
2. Seostettavien aineiden kiderakenteen on oltava sama.
3. Elektronegatiivisuuseron on oltava melko pieni.
4. Seosaineiden valenssin on oltava sama.

Esimerkiksi kupari ja nikkeli muodostavat aukottoman liuoksen. Niiden kokoero on pieni, sill? kupariatomin s?de on 0,128 nm ja nikkelin 0,125 nm. Molempien kiderakenne on pintakeskeinen kuutiollinen (PKK) ja niiden elektronegatiivisuusero on vain 0,1. Kupari esiintyy valensseilla +1 ja +2 ja nikkeli valenssilla +2. Koska kaikki nelj? ehtoa t?yttyv?t, muodostavat kupari ja nikkeli aukottoman liuoksen.

V?lisija- ja korvaussijaseokset eiv?t tietenk??n ole toisiaan poissulkevia, ne voivat esiinty? my?s yht? aikaa.

Monifaasiset seokset

Mik?li seostettavat aineet eiv?t liukene toisiinsa kaikissa suhteissa, voi synty? metalliseoksen rakenteeseen faasierottumia. T?ll?in esimerkiksi mikroskooppikuvissa havaitaan selkeit? toisistaan erottuvia alueita. Monifaasiset metalliseokset voivat olla metallien seoksia, esimerkkin? lyijyn ja tinan seokset. Ne voivat my?s olla metalliseosten ja yhdisteen seoksia, kuten raudan (ferriitti) ja sementiitin (Fe₃C, rautakarbidi) seos. Monifaasisilla seoksilla on lukuisia erilaisia rakenteita.

• 
  Mikroskooppikuva pallografiittivaluraudasta.
• 
  Mikroskooppikuva kuparin ja hopean seoksesta.
• 
  Mikroskooppikuva, ferriitti? ja sementiitti?.

Historia

Historia 1700-luvulle asti

Puhdasta kuparia ja kultaa lukuun ottamatta ensimm?iset metallit, joilla oli teknologista merkityst?, olivat metalliseoksia. Noin 2500 eaa. havaittiin, ett? kuparia ja tinaa seostamalla saatiin aikaan pronssia, joka oli puhdasta kuparia lujempaa. Pronssin merkitys oli niin suuri, ett? sen mukaan on nimetty kokonainen aikakausi, pronssikausi. Tinaa ei ollut kaikkialla saatavilla, joten L?hi-id?ss? alettiin seostaa kupari- ja sinkkimalmeja, jolloin syntyi messinki?. Metallinen sinkki l?ydettiin vasta keskiajalla.

Elohopean seosten, amalgaamien, historia alkaa noin 200 eaa., ja niiden nimi on per?isin elohopean kyvyst? pehment?? kultaa ja hopeaa. Amalgaameja hy?dynnettiin muun muassa kultauksessa, sill? n?ill? seoksilla pystyttiin maalaamaan pintoja, joita l?mmitett?ess? elohopea saatiin haihtumaan. Kyseinen menetelm? oli k?yt?ss? jopa 1800-luvulle asti etenkin Ven?j?ll?.

Jalometallien seosten m??r? lis??ntyi Amerikan intiaanien seostaessa kultaa ja kuparia, kultaa ja platinaa sek? hopeaa ja kuparia. Kullan ja kuparin seoksilla oli suhteellisen alhainen kiehumispiste ja sit? hy?dynnettiin n?iden seosten valamisessa. Lis?ksi seosten kovuus saatiin pronssin tasolle niit? takomalla. Vaikka seoksen kuparipitoisuus olisi ollut korkea, n?yttiv?t siit? tehdyt tuotteet puhtaalta kullalta. Vastaavasti hopean ja kuparin seos n?ytti puhtaalta hopealta. N?it? ominaisuuksia hy?dynnettiin vilpillisess? kaupank?ynniss?. Platinaa ei tuohon aikaan saatu sulatettua, joten sitomalla platinapartikkelit kullalla saatiin tuotettua n?iden metallien seos, joka voitiin takoa homogeeniseksi.

1540-luvulla julkaistussa Biringuccion kirjassa Pirotechnia kerrotaan tina-amalgaamien k?yt?st? peilien valmistuksessa. My?s kirjapainon kehityksen my?t? kirjasimissa k?ytetyt tinan, lyijyn ja antimonin seokset mainittiin kyseisess? teoksessa.

1700-luku

Kiinalaiset olivat valmistaneet valkoisena kuparina tunnettua kuparin, nikkelin, sinkin ja raudan seosta jo satoja vuosia ennen sen yleistymist? Euroopassa 1700-luvun lopulla, kun metallinen nikkeli l?ydettiin.

Ranskalaisen kemistin Marcellin Bertholletin vuonna 1786 tekem? havainto hiilen merkityksest? raudan ja ter?ksen v?lill? oli merkitt?v? l?ht?kohta ter?sten kehityksess?. Vuonna 1819 Michael Faraday aloitti tutkimuksen eri seosmetallien vaikutuksesta ter?sten ominaisuuksiin. Faradayn tutkimus j?i kuitenkin kesken ja n?ytteet analysoitiin loppuun vasta vuonna 1931. Analyysin suorittanut Robert Hadfield huomautti, ett? mik?li Faraday olisi saattanut tutkimuksensa loppuun, olisi seosmetallien aikakausi alkanut puoli vuosisataa aiemmin.

1800-luku

1830-luvun alkaessa Keski-Euroopan suuria nikkeliesiintymi? hy?dynnettiin aktiivisesti saksalaisena hopeana tunnetun kuparin-nikkelin ja sinkin seosten valmistuksessa. Seos oli taloudellista valmistaa ja valaa ja lis?ksi sill? oli hopeinen v?ri. Nikkelin muut seokset yleistyiv?t 1800-luvun puoliv?lin j?lkeen, kun kuparin ja nikkelin seosta alettiin k?ytt?? kolikoissa sen helpon sulattamisen ja ty?stett?vyyden takia.

Ter?sten ensimm?iset kehitysaskeleet tapahtuivat vuonna 1882, kun Robert Hadfield havaitsi ter?sten iskulujuuden ja kulumiskest?vyyden parantuvan, kun niihin seostettiin 13 % mangaania. Vuonna 1896 Charles Guillaume havaitsi ter?sten l?mp?laajenemisen alenevan merkitt?v?sti, kun niihin seostettiin 40 % nikkeli?. T?m? havainto tuli merkitt?v?ksi tarkkuutta vaativissa sovelluksissa, kuten kellojen koneistoissa.

Koboltin seoksia, jotka my?hemmin tulivat tunnetuiksi stelliittein?, alettiin tutkia 1800-luvun lopulla osana korroosiota kest?vien seosten tutkimusta. N?iden seosten havaittiin s?ilytt?v?n kovuutensa korkeissa l?mp?tiloissa sek? siet?v?n hyvin korroosiota.

1800-luvulla kehitetyill? metallografisilla mikroskoopeilla ja faasis??nn?ll? oli suuri vaikutus metalliseosten tutkimuksessa ja kehityksess?. Kiillotustekniikoiden kehitytty? kiderakennetta ja sen vaikutusta mekaanisiin ominaisuuksiin saatiin tutkittua.

1900-luku

Alumiini tuli kaupallisesti merkitt?v?ksi 1900-luvun alussa, kun sen lujuutta saatiin nostettua seostamalla siihen kuparia ja magnesiumia ja l?mp?k?sittelem?ll? t?t? seosta. Alumiinin seoksia tutkinut A. Wilm l?mmitti seosta 500 celsiusasteeseen saakka ja t?m?n j?lkeen j??hdytti seoksen nopeasti vedess?. Tuloksena oli seos, joka oli edelleen pehme?, mutta jonka lujuus nousi, kun j??hdytettyj? kappaleita varastoitiin huoneenl?mm?ss?. Wilm havaitsi lujuuden tasoittuvan huippuarvoonsa nelj?ss? p?iv?ss?.

My?s monet magneettiset metalliseokset kehitettiin 1900-luvulla. Vuonna 1910 havaittiin ter?ksen s?ilytt?v?n magneettisuutensa, mik?li siihen seostettiin volframia ja molybdeeni?. Japanissa kehitettiin monin verroin voimakkaampi magneettinen seos, jossa oli volframia, kromia, kobolttia ja rautaa. My?hemmin kehitettiin edelleen vahvempia magneettisia metalliseoksia, joissa oli alumiinia, nikkeli?, rautaa ja kobolttia. N?it? seoksia k?ytet??n magneettien lis?ksi muun muassa pieniss? moottoreissa ja televisioiden kuvaputkissa.

Merkitt?v? l?yt? oli vuonna 1912 havaittu nikkelin ja kromin vaikutus ter?sten korroosionkestoon. N?m? ruostumattomat ter?kset ovat edelleen t?rkeit? esimerkiksi ruoka- ja l??keaineteollisuudessa.

Ensimm?iset havainnot muistimetalleista tehtiin 1930-luvulla, kun kullan ja kadmiumin seoksilla havaittiin pseudoplastisia ominaisuuksia. 1960-luvun alussa kehitettiin ensimm?inen toimiva nikkelin ja titaanin muodostama muistimetalli, jonka havaittiin palautuvan muokkauksen j?lkeen alkuper?iseen muotoonsa l?mmityksen yhteydess?.

2000-luku

Metalliseosten kehitys jatkuu 2000-luvulla ja monet tutkimuskohteet liittyv?t jo aiemmin seostettujen metallien seostamiseen toisilla metalleilla sek? seosten ominaisuuksien parantamiseen. Kuitenkin my?s t?ysin uusia kehityssuuntia on l?ydetty ja esimerkiksi magnesiumin seoksen muodostama metallivaahto on kehitetty. Vaahdolla on jopa vett? alhaisempi tiheys sek? hyv?t mekaaniset ominaisuudet, jotka tekev?t siit? potentiaalisen materiaalin hy?dynnett?v?ksi vesikulkuneuvoissa.

Tunnettuja metalliseoksia

Ter?s on yksi tunnetuimmista ja k?ytetyimmist? metalliseoksista. Ter?s on raudan ja hiilen metalliseos, jossa hiilipitoisuus on alle 2,14 %. T?t? suuremmilla hiilipitoisuuksilla puhutaan valuraudasta. Lis??m?ll? ter?kseen muita metalleja, saadaan erilaisia ter?slaatuja, kuten ruostumatonta ter?st?.

Messinki? (kupari, sinkki) k?ytet??n muun muassa lukoissa ja soittimissa. Pronssi (kupari, tina) on vanhin tunnettu metalliseos, ja sit? k?ytet??n niin taiteessa kuin teollisuuden sovelluksissakin. My?s esimerkiksi koruteollisuudessa k?ytett?v?t kulta ja hopea ovat usein metalliseoksia, jolloin kullan tai hopean osuus metalliseoksessa ilmoitetaan karaatteina. Valko- ja punakulta ovat hyvin tyypillisi? korumetalliseoksia. Amalgaamia (elohopea, jokin toinen metalli) puolestaan k?ytettiin ennen hampaiden paikkauksessa.

Niin kutsutut superseokset ovat metalliseoksia, jotka s?ilytt?v?t mekaaniset ominaisuutensa korkeissakin l?mp?tiloissa. Lis?ksi ne ovat kest?v?t hyvin korroosiota ja hapettumista. N?it? superseoksia k?ytet??n runsaasti teollisuudessa.

Joillekin metalliseoksille on annettu erityinen nimi niiden keksij?iden mukaan. T?llaisia metalliseoksia ovat muun muassa Woodin metalli (massaprosentteina 50 % vismuttia, 12,5 % kadmiumia, 25 % lyijy? ja 12,5 % tinaa), Rosen metalli (50 % vismuttia, 27,1 % lyijy? ja 22,9 % sinkki?) ja Fieldin metalli (51 % indiumia, 32,5 % vismuttia ja 16,5 % sinkki?).

Metalliseoksiin perustuvia lujitusmekanismeja

Liuoslujituksen periaate. Dislokaatio j?? jumiin seosatomien j?nnityskentt??n.

Metallien muodonmuutos sulamisl?mp?tilaa alhaisemmissa l?mp?tiloissa tapahtuu p??osin dislokaatioliikkeen avulla. Metalleja voidaan lujittaa est?m?ll? dislokaatioiden liikett?, mik? on mahdollista muun muassa seostamisen avulla.

Liuoslujittaminen

S?rm?dislokaatiot aiheuttavat kulkutasonsa yl?puolelle puristusj?nnityst?. Seostamalla metalliin ainetta, jonka atomien halkaisija on pienempi kuin seoksen perusmetallin, voidaan metallihilaan aiheuttaa paikallisia vetoj?nnityksi?. Dislokaatioiden puristusj?nnityskentill? on tapana j??d? jumiin n?ihin seosatomien aiheuttamiin vetoj?nnityskenttiin. Vastakkaissuuntaisina j?nnityksin? ne ik??n kuin tasapainottavat toisensa.

S?rm?dislokaatiot aiheuttavat my?s kulkutasonsa alapuolelle j?nnitysv??ristym?n. Toisin kuin kulkutason yl?puolelle, sen alapuolelle dislokaatio aiheuttaa vetoj?nnityst?. Seostamalla metalliin jotain ainetta, jonka atomin halkaisija on suurempi kuin seoksen perusmetallin, voidaan metallin hilaan aiheuttaa paikallisia puristusj?nnityksi?. Kun seosatomin aiheuttama puristusj?nnitys ja dislokaation aiheuttama vetoj?nnitys kohtaavat, niin ne tasapainottavat toisiaan ja dislokaation liikkuminen vaikeutuu.

Erkaumakarkaisu

Erkauma v??rist?? kidehilaa, mik? vaikeuttaa dislokaatioiden liikett?.

Toinen tyypillinen metallien seostukseen perustuva lujitustapa on erkaumakarkaisu. Erkaumakarkaisussa valmistetaan ensin ylikyll?inen liuos. T?m? tapahtuu siten, ett? ensin toisiinsa liukenemattomien metallien seosta l?mmitet??n kunnes metallit ovat t?ysin liuenneet toisiinsa. T?m?n j?lkeen l?mmitetty seos, jossa metallit ovat liuenneena toisiinsa, j??hdytet??n niin nopeasti, ett? metallit eiv?t ehdi erottua toisistaan omiksi faaseikseen. N?in syntyy ylikyll?inen liuos, eli metalliseos on metastabiilissa tilassa. Ylikyll?ist? liuosta l?mmitet??n tarpeen vaatiessa sammuttamisen j?lkeen, jolloin faasit alkavat hallitusti erottua. T?t? prosessia kutsutaan vanhenemiseksi tai erkautushehkutukseksi. Erottuneet faasit v??rist?v?t kidehilaa vaikeuttaen dislokaatioiden liikett?.

Jotta erkaumakarkaisun suorittaminen metalliseokselle on mahdollista, seuraavien ehtojen on t?ytytt?v?:

1. Seosaineiden liukoisuus toisiinsa saa olla vain muutamia prosentteja
2. Seosaineiden liukoisuuden toisiinsa on kasvettava l?mp?tilan kasvaessa.
3. Seos tulee olla sammutettavissa eli erkaumat eiv?t saa muodostua hallitsemattomasti j??hdytyksen yhteydess?.

T?m? on tyypillinen lujitustapa esimerkiksi alumiiniseoksille.

Katso my?s

• Luettelo metalliseoksista

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Metalliseos Wikimedia Commonsissa