金属如何分类？黑色金属真的是黑色的吗？

自从20世纪后期社会从工业化时代进入信息化、全球化和知识化的时代，社会生产力的发展对材料的要求不断提高，同时，由于科学的快速发展以及材料生产技术的成熟，其他各类材料也得以飞速发展，但金属材料作为最重要的结构和功能材料的地位却始终难以撼动。

在各种各样的材料里，金属可谓充当了“顶梁柱”的作用。看看你的周围，一定存在着由金属制成或参与制成的东西。一个最形象的例子是每个人都离不开的手机，少了金属，就会变成一块无用的砖头。

电路板上的铜线圈 图片来源：Veer图库

一、黑，是五彩斑斓的黑

提到金属，你的脑海里会浮现出什么景象呢？是金光闪闪的项链首饰，抑或是闪耀着金属光泽的锅碗瓢盆？不知道你发现了没有，每当提到金属，我们好像从来不会把它和黑色联系到一起，但“黑色金属”确实是金属中一个大类！

“黑色”这个词很容易使人们误以为黑色金属一定是黑色的，而有色金属一定是五彩斑斓的。基于此，不少人认为银白色的铁、铬和银灰色的锰应该都不是“黑色”金属。那为何要将三者及其合金归到黑色金属的范畴内呢？

原因是这样的：黑色金属是工业上对铁、铬和锰的统称，亦包括这三种金属的合金。事实上纯净的铁和铬是银白色的，而锰是银灰色。由于钢铁表面通常覆盖一层黑色的四氧化三铁，而锰和铬主要应用于冶炼黑色的合金钢，所以才会被误以为是“黑色”金属。

钢铁和黄金分别代表性黑色金属和有色金属 图片来源：Veer图库

二、金属两大门派之争

对于金属，官方定义是“具有光泽、有良好的导电性、导热性与机械性能，并具有正的电阻温度系数的物质”。

金属是个大家庭，这个大家庭内一共有86名成员。通常人们根据它们的颜色和性质等特征，将其分为两个“门派”：黑色金属和有色金属。黑色金属主要指铁、铬、锰及其合金，如钢、生铁、铁合金、铸铁等，有色金属则泛指黑色金属以外的金属，又名非铁金属，就是铁、铬、锰这些金属以外的所有金属的统称。

元素周期表 图片来源：Veer图库

两者不仅名称不同，它们的产量也大相径庭！有色金属由于种类众多，其矿产地的数量也就比黑色金属要多得多。而黑色金属虽然矿产地少，但是其每个矿产地的产量可是很多的，使黑色金属的总产量达到了世界金属产量的95%！并且铁、铬、锰这三种金属都是冶炼钢铁的主要原料，而钢铁在国民经济中占有极其重要的地位，亦可作为衡量国家实力的重要标志。

三、有趣的名字来源

“有色金属”英文翻译为“Nonferrous Metals”，与“黑色金属”的英文翻译“Ferrous Metals”相对应。据一位长期从事有色金属行业工作的老先生讲，当初将“Ferrous Metals”和“Nonferrous Metals”翻译为“黑色金属”和“有色金属”的过程，也是一个有趣的故事。

最早翻译“Ferrous Metals”和“Nonferrous Metals”的学者认为，如果直接翻译为“铁的金属”和“非铁的金属”，或“含铁的金属”和“不含铁的金属”，虽然考虑到了翻译的准确性，却不够简洁，在使用上也十分拗口。于是这位学者跳出惯性思维，从金属的光学性质出发，进行了翻译中的再创造。

纯净的铁是银白色，但在人们日常工作、生活中常常见到的铁，却是黑色。这是因为铁的表面覆盖了一层黑色的氧化膜：四氧化三铁。也正是由于这层氧化膜，使铁给人们留下了黑色的印象，于是从这个角度出发，将“Ferrous Metals”创造地翻译为“黑色金属”。

生锈的钢铁和纯净的钢铁 图片来源：中科院金属所先进钢铁材料研究部

有了“黑色金属”的存在，又考虑到银是白色、金是金色、铜是黄色、铅是灰色，“非铁的金属”呈现多彩的光学特性，于是将“Nonferrous Metals”翻译为“有色金属”。 从此，“黑色金属”和“有色金属”便成为汉语中的“Ferrous Metals”和“Nonferrous Metals”在行业中传播开来。

四、金属，社会发展的“顶梁柱”

金属材料可以说是人类社会发展的推动者，因为它在人类社会的各个转型期都起到了举足轻重的作用。在人类社会发展史上，继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，都以金属材料的应用为其时代的显著标志。

青铜兽面纹鼎 图片来源：故宫博物院

第二次世界大战后，科学技术的进步促进了新型材料的发展，球墨铸铁、合金铸铁、合金钢、耐热钢、不锈钢、镍合金、钛合金和硬质合金等相继被研发出来并被应用于实际生产。

到了现代时期，金属材料的研发已经不止局限于传统的纯金属、纯合金方向。随着基础理论、工艺技术的完善，新的金属材料得到了迅速发展。其中包括纳米金属，高/中熵合金，定向凝固柱晶和单晶合金等高温结构材料、金属基复合材料以及形状记忆合金等[1-4]。

各种各样的金属材料已经成为人类社会发展的重要物质基础，农业现代化、工业现代化、国防和科学技术现代化都离不开金属材料的支持，小到农具、机械零件、日常用品，大到飞机、导弾、火箭、卫星、核潜艇等尖端武器以及原子能、电视、通讯、雷达、电子计算机等尖端技术所需的构件或部件大都是由金属制成。

目前世界上许多国家，尤其是工业发达国家，竞相发展金属、有色金属工业，增加金属的战略储备。可以说，金属材料是国民经济、人民日常生活及国防工业、科学技术发展必不可少的基础材料和重要的战略物资。

参考文献：

[1] K. Lu, Making strong nanomaterials ductile with gradients, Science 345(6203) (2014) 1455-1456.

[2] W. Xu, B. Zhang, X.Y. Li, K. Lu, Suppressing atomic diffusion with the Schwarz crystal structure in supersaturated Al–Mg alloys, Science 373(6555) (2021) 683-687.

[3] Q. Pan, L. Zhang, R. Feng, Q. Lu, K. An, A.C. Chuang, J.D. Poplawsky, P.K. Liaw, L. Lu, Gradient cell–structured high-entropy alloy with exceptional strength and ductility, Science 374(6570) (2021) 984-989.

[4] P. Shi, R. Li, Y. Li, Y. Wen, Y. Zhong, W. Ren, Z. Shen, T. Zheng, J. Peng, X. Liang, P. Hu, N. Min, Y. Zhang, Y. Ren, P.K. Liaw, D. Raabe, Y.-D. Wang, Hierarchical crack buffering triples ductility in eutectic herringbone high-entropy alloys, Science 373(6557) (2021) 912-918.

出品：科普中国

作者：刘腾远（中国科学院金属研究所）

监制：中国科普博览