古典名著《西游記》中孫悟空的英雄形象深入人心，其隨身攜帶的如意金箍棒更為世人津津樂(lè)道。無(wú)論是遭遇火焰山的高溫灼燒還是東海的海水浸蝕，抑或與妖魔兵器直接撞擊，都毫發(fā)無(wú)損，金箍棒到底是什么材料？是小說(shuō)的虛構(gòu)還是真實(shí)的存在？從小說(shuō)看來(lái)，金箍棒應(yīng)該具有四大特點(diǎn)：（1）金箍棒的金屬密度超級(jí)大。（2）金箍棒的金屬硬度超級(jí)大。（3）金箍棒的抗腐蝕能力超級(jí)強(qiáng)。（4）金箍棒的伸縮性超級(jí)強(qiáng)。

    那么，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)條件下，是否有類(lèi)似的材料可以為人類(lèi)使用？文章從材料科學(xué)的角度，探討了現(xiàn)代工業(yè)中一個(gè)全新的金箍棒，可以與硬質(zhì)合金的硬度、銅合金優(yōu)異的耐海水腐蝕性能相媲美，并具有高強(qiáng)度、良好的耐磨性及形狀記憶效應(yīng)和生物相容性等理想性能。

    金箍棒是東海龍宮的“鎮(zhèn)海之寶”，《西游記》中這樣描述“原來(lái)兩頭是兩個(gè)金箍，中間乃一段烏鐵，緊挨箍有鐫成的一行字，喚做‘如意金箍棒一萬(wàn)三千五百斤’”。傳說(shuō)是大禹治水時(shí)所用的定海神針，是用來(lái)丈量大海深淺的工具。但是，史書(shū)中卻沒(méi)有相關(guān)內(nèi)容的記載。在新石器末期人類(lèi)開(kāi)始使用金屬，我國(guó)于夏代開(kāi)始進(jìn)入青銅時(shí)代，在商、周時(shí)期青銅器的使用最為廣泛。古人開(kāi)始利用鐵器是在3000年前，我國(guó)古代先進(jìn)的金屬技術(shù)一直位居世界先列。古代人們歷來(lái)都有崇拜金屬的傾向，在夏代，青銅材料在各類(lèi)器物中處于中心位置，它不僅是財(cái)富的象征，更是人們等級(jí)和身份的標(biāo)志，被廣泛用于祭祀、征伐、宴享、婚冠、喪葬等活動(dòng)。在商代早期，以青銅器為核心的禮器在商王朝統(tǒng)治階層的生活中廣泛使用。

    1974年在河南鄭州張寨南街杜嶺出土的商早期方鼎（圖1），高100 cm，鼎的表面有乳釘紋及凸線式獸面紋，此方鼎為商代二里崗期青銅器中最大的一件。器壁勻薄，造型規(guī)整大方，彰現(xiàn)了其主人的身份與地位。司馬遷所著的《史記·封禪書(shū)》記載，漢武帝時(shí)，在今山西汾河流域發(fā)現(xiàn)一件銅鼎，當(dāng)時(shí)以為是祥瑞之物，武帝即改年號(hào)為“元鼎”。北宋時(shí)期，青銅器的收藏甚至成為了一種時(shí)尚。金屬的使用更是與人類(lèi)文明分不開(kāi)的，金屬文明是中華文明不可分割的一部分。由此可見(jiàn)，吳承恩虛構(gòu)出這樣一根傳奇的金箍棒絕非只是一件兵器，它更能反映在當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)水平下人們對(duì)金屬性能的一種愿望，金箍棒可以稱得上是中國(guó)古代人們心中的理想金屬材料。

圖1張寨南街杜嶺出土的商早期方鼎

    理想金屬的物理力學(xué)性能

    理想金屬的密度

    “霞光艷艷”、“瑞氣騰騰”、“金光萬(wàn)道”、“約有斗來(lái)粗，二丈有余長(zhǎng)”、“一萬(wàn)三千五百斤”，西游記中描述的金箍棒顏色鮮艷，具有金屬光澤，質(zhì)量一萬(wàn)三千五百斤，換算成國(guó)際單位制大約6750 kg。二丈長(zhǎng)，按唐代長(zhǎng)度換算相當(dāng)于現(xiàn)在的6 m左右。碗口粗細(xì)，即橫截面積大約0.0314 m²（圓半徑為0.1 m的情況下），因此在這種狀態(tài)下金箍棒的密度約為32.14 g/cm³。

    地球上密度最大的金屬是鋨（22.8 g/cm³），金箍棒的密度比鋨大，然而體積是可變的，孫悟空得到金箍棒后能隨意變化它的大小。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，無(wú)論其體積多大，質(zhì)量不變，所以金箍棒密度是一個(gè)變值，這種現(xiàn)象違背了自然規(guī)律。因?yàn)槊芏仁俏镔|(zhì)的一種特性，它只與物質(zhì)的種類(lèi)有關(guān)，即使金箍棒變到最小（大），組成它的物質(zhì)材料沒(méi)有變化，故其密度應(yīng)該是一個(gè)定值。可見(jiàn)，金箍棒只是古代人們心目中金屬的一個(gè)理想模型。

    理想金屬的硬度和強(qiáng)度

    孫悟空曾用金箍棒與無(wú)數(shù)持刀、斧的妖怪們打斗后金箍棒毫發(fā)未損，從硬度上看，只有硬質(zhì)合金能與之相媲美。硬質(zhì)合金的硬度、壓縮強(qiáng)度和耐磨性指數(shù)是模具材料中級(jí)別最高的。它是指元素周期表中IV、V、VI族中的過(guò)渡元素的碳化物和鐵族元素以及其他微量元素粉末采用粉末冶金技術(shù)燒結(jié)而成的硬質(zhì)材料。具有很高的硬度（HRA93[知識(shí)小貼士]）和耐磨性，即使在高溫下硬度依然很高。因?yàn)樗哂袠O高的高溫硬度及優(yōu)良的綜合性能，使其在金屬切削加工業(yè)中顯示出極大的優(yōu)越性，在500℃以下硬度基本保持不變，600℃時(shí)的硬度超過(guò)高速鋼的常溫硬度，1000℃時(shí)超過(guò)碳鋼的常溫硬度。因此硬質(zhì)合金可以加工高速鋼難以加工的耐熱合金、高溫合金、鈦合金、特硬鑄鐵等難加工材料，其耐磨性是高速鋼的15～20倍。單一從硬度角度上來(lái)看，硬質(zhì)合金算得上是個(gè)不折不扣的“金箍棒”。

    硬質(zhì)合金的彈性模量高，通常為400～700 GPa，常溫下剛性好，無(wú)明顯的塑性變形。它的密度、硬度、強(qiáng)度、韌度取決于鈷的含量和WC的粒度，合金中鈷含量增加或者WC晶粒度增大時(shí)，合金硬度下降，碳化物晶粒越細(xì)，合金硬度越高，例如YG6X合金的硬度比YG6合金高1.5～2.0度。當(dāng)鈷含量增高至25%時(shí)，雖然硬度降低到和淬火剛相近的水平（HRC67），但耐磨性仍要高出很多。硬質(zhì)合金可以大大提高工具使用壽命，切削刀具壽命提高5～80倍，量具壽命提高29～150倍，模具壽命提高50～100倍，并且它可以成倍甚至成幾十倍地提高金屬切削速度，大大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。

    最近還出現(xiàn)了一種超微粒WC–Co硬質(zhì)合金，其WC顆粒大小只有0.2～1.0μm，其鈷含量為9%～15%，硬度達(dá)HRA90～92.5，抗彎強(qiáng)度2000～3500 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鈷含量相同的普通合金。目前，硬質(zhì)合金工業(yè)已延伸到非金屬陶瓷和超硬材料領(lǐng)域。

    現(xiàn)代的超硬質(zhì)合金大都是由碳化鎢和一些其他元素的碳化物用燒結(jié)的方法生產(chǎn)出來(lái)的。20世紀(jì)60年代初期出現(xiàn)的一種新型硬質(zhì)合金工程材料——鋼結(jié)硬質(zhì)合金，它是以硬質(zhì)化合物（碳化物、氮化物、硼化物等）為硬質(zhì)相，以鋼為黏結(jié)金屬的硬質(zhì)合金，它既具有碳化物的硬度和耐磨性，又具有鋼的良好力學(xué)性能。在某些情況下，鋼結(jié)硬質(zhì)合金的耐磨性和塑性都優(yōu)于硬質(zhì)合金。90年代后，硬質(zhì)合金的研究、生產(chǎn)領(lǐng)域?qū){米、超細(xì)WC粉末，WC—Co復(fù)合粉的生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，并取得了顯著的成績(jī)，這一切都標(biāo)志著硬質(zhì)合金產(chǎn)品已成為工業(yè)中不可缺少的高技術(shù)產(chǎn)品。

    理想金屬的耐蝕性

    從古至今，腐蝕一直是金屬使用過(guò)程中存在的自然現(xiàn)象，但吳承恩筆下的金箍棒在海底存放幾千年依舊“霞光艷艷”、“瑞氣騰騰”、“金光萬(wàn)道”，可見(jiàn)這幾千年都沒(méi)有明顯銹蝕。從當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)技術(shù)水平來(lái)看，防腐工作已相當(dāng)完美。

    我國(guó)在商代開(kāi)始冶煉青銅，并掌握了提高銅耐蝕性的技術(shù)。春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代的武器和秦朝的青銅劍經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)處理至今所受腐蝕程度甚小（如圖2）。經(jīng)電子探針和質(zhì)子X(jué)光熒光分析，青銅劍的表面有一層10至15μm的含鉻氧化物保護(hù)層，表明曾采用鉻鹽氧化處理技術(shù)，這種氧化層使青銅劍在墓穴中，在長(zhǎng)達(dá)兩千多年的時(shí)間里，保護(hù)著青銅劍，避免了腐蝕。中國(guó)古代的防腐技術(shù)堪稱奇跡，金箍棒的防腐可以算的上是奇跡中的奇跡，因?yàn)榻鸸堪糸L(zhǎng)期存放在海水中，海水是一種強(qiáng)電解質(zhì)溶液，其中含有容易造成金屬腐蝕的氯離子，金屬在海洋中與海水發(fā)生電化學(xué)作用發(fā)生腐蝕，并且海水中含有的海洋生物、懸浮泥沙、溶解氣體和腐敗有機(jī)物質(zhì)，都會(huì)加速金屬腐蝕。即便當(dāng)今先進(jìn)的防腐技術(shù)也不能使金屬在海水中絕對(duì)防腐。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年生產(chǎn)的鋼鐵約有30%遭受腐蝕，10%的鋼鐵將變成無(wú)用的鐵銹。根據(jù)《中國(guó)腐蝕調(diào)查報(bào)告》的資料，我國(guó)近年來(lái)的年腐蝕損失約為5000億元（約占國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值的5%）。

圖2秦朝青銅劍（秦兵馬俑博物館文物陳列室）

    在夏代，史書(shū)中載有禹“以銅為兵”的敘述，說(shuō)明當(dāng)時(shí)勞動(dòng)人民已用銅鑄造武器，可以推測(cè)大禹治水所用的定海神針的成分中很有可能含有銅。銅及銅合金電位較正，銅的標(biāo)準(zhǔn)電極電位約為+0.34V（而鐵為-0.44V），銅的熱力學(xué)穩(wěn)定性高，銅合金在大氣中表面形成腐蝕產(chǎn)物膜，如CuCO₃·Cu（OH）₂、CuSO₄·3Cu（OH）₂有保護(hù)作用，所以大多數(shù)銅合金在各種大氣環(huán)境下都有良好的耐腐蝕性。同樣在海水中銅合金也具有良好的耐蝕性。而鋁、不銹鋼等許多工程金屬材料均不耐海水腐蝕，此外在這些材料以及陶瓷、木材、玻璃等非金屬材料的表面上還會(huì)形成海洋生物污損。銅則不然，銅很耐海水腐蝕，腐蝕速率約為0.5 mm/a。此外，銅離子有毒，使海洋生物不易粘附在銅表面，也可避免海生物腐蝕。

    白銅

    我國(guó)古代很早就有了利用白銅的歷史。白銅（Cu–Ni合金）是以鎳為主要合金元素的銅合金，銅鎳二元合金為普通白銅，單相固溶體，具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，在大氣、過(guò)熱蒸汽和高溫下有優(yōu)良的耐腐蝕性，尤其在海水中，主要用于艦船、海洋工程、制鹽和濱海發(fā)電廠的蒸發(fā)器、凝汽器等。近年來(lái)，為適應(yīng)我國(guó)艦船工業(yè)和海水淡化工程的需要，耐海水腐蝕和抗海洋生物附著用管材研究在“十五”期間取得了重大進(jìn)展：超長(zhǎng)的白銅管在高新張銅股份有限公司研究成功并產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。這種特大型白銅管在軍事艦船海水管路和海水淡化裝置中有廣闊的應(yīng)用前景，也可用于海洋石油開(kāi)發(fā)、海濱電站、核電站方面。

    黃銅

    黃銅即Cu–Zn合金，有的也加入Sn、Al、As等合金元素，在Cu–Zn基礎(chǔ)上加入Sn、Al、Mn、Fe、Ni、Si等元素冶煉出的特殊黃銅其耐腐蝕性比普通黃銅還好。黃銅中加入1%錫的錫黃銅可顯著降低脫鋅腐蝕并提高耐海水腐蝕性，HSn70–1錫黃銅又稱“海軍黃銅”。在黃銅中加入鋁可在合金表面形成致密并和基體結(jié)合牢固的氧化膜，提高耐磨性，并大大降低了高速流動(dòng)海水的腐蝕。HA177–2鋁黃銅可制成強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、應(yīng)用廣泛的管材，用于海輪和發(fā)電站的冷凝器等。我國(guó)從20世紀(jì)80年代初開(kāi)始研究螺旋槳用防污銅合金，我國(guó)研制的ZCuZn₃₆Mn₃Al₁Fe₁Sn₁螺旋槳用耐蝕防污銅合金，抗拉強(qiáng)度σb≥539MPa，伸長(zhǎng)率δ≥20%，硬度HB≥127，三年無(wú)海生物附著。2004年12月14日，大連船用推進(jìn)器廠為丹麥AP·莫勒—馬士基集團(tuán)奧登希船廠制造的、世界最大級(jí)別的超大集裝箱船用螺旋槳順利通過(guò)了美國(guó)ABS船級(jí)社和船東的嚴(yán)格檢驗(yàn)并交工，制造過(guò)程中采用了3個(gè)銅水包同時(shí)澆注，并一次澆注成功（圖3）。可見(jiàn)銅和銅合金已經(jīng)成為了海洋工業(yè)中十分重要的材料。

圖3超大集裝箱船用螺旋槳

    現(xiàn)代的理想金屬

    金箍棒是古代人們對(duì)金屬材料各方面優(yōu)異性能集合于一體的理想模型，然而隨著材料科學(xué)的飛速發(fā)展，證明了這種高硬度、高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐磨損的金屬材料是確實(shí)存在的，這就是鈦和鈦合金。鈦同其他結(jié)構(gòu)金屬相比較有三個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)，即比強(qiáng)度高和耐腐蝕性能好，鋁合金和鎂合金的比強(qiáng)度都不如鈦合金，另外鈦合金還具有神奇的形狀記憶效應(yīng)。而且各種鈦合金的優(yōu)點(diǎn)是溫度越高越表現(xiàn)出優(yōu)良的力學(xué)性能。例如在300~350℃的溫度條件下，各種鈦合金比鋁合金和鎂合金更強(qiáng)固，在400~500℃溫度范圍內(nèi)鋁、鎂合金由于強(qiáng)度和硬度急劇下降而完全喪失工作能力，而鈦合金將繼續(xù)保持足夠的使用強(qiáng)度。

    良好的耐腐蝕性

    目前所知的工程結(jié)構(gòu)材料中，在常溫下的海洋環(huán)境中鈦是最耐蝕的，十年全浸掛片幾乎覺(jué)察不出發(fā)生腐蝕。其鈍化性比鋁、鉻、鎳、不銹鋼還強(qiáng)，并且具有很強(qiáng)的鈍態(tài)穩(wěn)定性，在H2SO4溶液中鈦的鈍化電位區(qū)高達(dá)20 V，沒(méi)有過(guò)鈍化現(xiàn)象。常溫下新鮮的鈦表面只要一暴露在空氣中或水溶液中，立即自動(dòng)形成一層新的氧化膜，氧化膜厚度為1.2~1.6 nm，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)其厚度還會(huì)不斷地增加，這種無(wú)孔氧化膜使電位劇烈向正離子區(qū)移動(dòng)，例如在25℃的海洋中約等于+0.09 V，也就是說(shuō)遠(yuǎn)比鋅、鎘、鐵、鋁甚至比在同一介質(zhì)中的銅和銅合金為正，從而阻止腐蝕過(guò)程。而且這種氧化膜有很好的愈合性，當(dāng)這層鈍化膜被機(jī)械破損后能很快地彌合修復(fù)成新膜，鈦在水中再鈍化作用可在小于0.1s內(nèi)完成。

    實(shí)踐表明鈦不僅在大氣、潮氣中具有優(yōu)良的耐蝕性，而且在海水、甚至是重度污染的半堿水或脫氧水中也能保持鈍化行為。例如，某冷凝管在污染的海水中試驗(yàn)16年之后，尚未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。在潮濕的氯氣中、氯的氧化物中、含氯的有機(jī)化合物中，以及含有大量氯化物的溶液中鈦也具有較好的耐蝕性能，而在相同條件下碳素鋼及合金鋼則遭受到潰瘍腐蝕和腐蝕性龜裂。鈦也具有抗局部腐蝕性，不管溶液的鹽度或酸度怎樣，商業(yè)純鈦或工業(yè)合金在700℃以下都不會(huì)發(fā)生局部腐蝕。20年前只有幾百公斤的鈦被應(yīng)用于氯化處理系統(tǒng)和熱交換器中，而現(xiàn)在鈦的總消耗量已超過(guò)了3000 t。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已有220個(gè)氯堿廠，近50個(gè)純堿廠，1000多家化肥廠和10余家鹽化廠使用了鈦材。截止1998年，全國(guó)近30多家電廠的94臺(tái)機(jī)組使用了鈦冷凝管。

    形狀記憶效應(yīng)及生物相容性

    《西游記》第三回講到，孫悟空到東海龍宮求兵器，東海海底有一大禹治水所用神珍鐵，孫悟空叫它細(xì)些，它就細(xì)些，叫它粗些，它就粗些，真是物隨人愿。古人將這種理想的金屬材料化作文字記錄史冊(cè)，然而現(xiàn)代的科學(xué)向我們證明了世界上還真有這樣隨人愿的金屬。

    1963年美國(guó)海軍武器實(shí)驗(yàn)室W. J. Buehler等人在近等原子比Ti–Ni合金中發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)，此后在Cu–Zn、Cu–Al–Ni、Cu–Sn等合金中也發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)。即在A溫度下將有記憶效應(yīng)的合金加工成一個(gè)形狀，在B溫度下消除這種形狀，當(dāng)溫度恢復(fù)到A溫時(shí)，形狀也相應(yīng)的恢復(fù)。正如孫悟空得到金箍棒后可隨意變化其大小，或如繡花針，或如擎天柱。孫悟空平時(shí)將金箍1時(shí)，從耳朵里取出。這在一定程度上對(duì)金箍棒材料要求很高，首先要有合適的結(jié)構(gòu)使其固定在耳道內(nèi)不至于掉出來(lái)，也不會(huì)引起不適；其次，不能與汗液反應(yīng)損傷身體。Ti–Ni合金與人體之間的化學(xué)相容性和生物相容性正滿足了這一要求，因?yàn)殁伒幕瘜W(xué)惰性超過(guò)所有的不銹鋼，在人體體液介質(zhì)中不發(fā)生腐蝕。并且Ti–Ni系形狀記憶合金具有良好的力學(xué)性能、抗疲勞、耐磨損、形狀記憶恢復(fù)率高、生物相容性好，在室溫下變形而在50～70℃下恢復(fù)形狀，被用于作外科植入物和用于增強(qiáng)弱的軟組織物。Ti–Ni 合金支撐強(qiáng)度在10～12 kPa之間，能保證無(wú)脹痛感和異物感，并長(zhǎng)時(shí)間在人體中不松弛，植入體內(nèi)后的Ti–Ni合金對(duì)人體刺激小，無(wú)心、肝、腎等重要器臟功能損害。Ti–Ni系形狀記憶合金是目前唯一用于生物醫(yī)學(xué)材料的形狀記憶合金，用形狀記憶合金制成的血凝過(guò)濾器，將Ti–Ni絲插入血管，在體溫的作用下恢復(fù)到母相網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以阻止95%的凝血塊不流向心臟。Ti–Ni合金在心血管系統(tǒng)自擴(kuò)張支架上也得到成功應(yīng)用（如圖4所示a為T(mén)i–Ni合金絲，b為人的血管），牙齒正畸絲也是利用這一特性的最早產(chǎn)品。

圖4心血管擴(kuò)張支架模擬圖

    結(jié)論

    金屬的使用同人類(lèi)文明緊密聯(lián)系在一起，冶金技術(shù)的發(fā)展提供了青銅、鐵等金屬及各種合金材料制造的生產(chǎn)工具、生活用品和武器，從而提高了社會(huì)生產(chǎn)力，推動(dòng)了社會(huì)的進(jìn)步。中國(guó)古代使用和冶煉的金屬，已證實(shí)的有銅、金、鉛、錫、鐵、銀、汞、鋅八種。

    大量史實(shí)表明，中國(guó)金屬科技水平在古代和中世紀(jì)曾長(zhǎng)期處于世界領(lǐng)先地位。然而，勞動(dòng)人民在生產(chǎn)生活的不斷發(fā)展和對(duì)技藝的不懈追求中向往一種趨于完美的金屬材料，它具有高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、可隨意變化形狀的性能，這便是“金箍棒”。現(xiàn)代科學(xué)證實(shí)了這種集眾多優(yōu)點(diǎn)于一身的金屬材料是存在的，鈦和鈦合金優(yōu)于硬質(zhì)合金和銅合金的單方面性能，并且具有優(yōu)異的綜合性能，其在近代工業(yè)中所起的不可替代的作用。作為現(xiàn)代工業(yè)中的新型結(jié)構(gòu)材料，其形狀記憶效應(yīng)更是傳統(tǒng)金屬材料無(wú)法企及的，會(huì)成為現(xiàn)代金屬王國(guó)中的一支璀璨“金箍棒”。 

    我們相信未來(lái)的理想材料或許可以重現(xiàn)小說(shuō)中“孫悟空的金箍棒”！