图片：Apple Inc.
作者：知乎用户，
本文可能略有点重口，小清新慎入 我尽力通过简（hao）单（wu）通（jie）俗（cao）的语言，描绘“液态金属”的铸造、性质，前面会有大量的知识铺垫，因为我对中国制造工程教材并不熟悉，所以有很多词汇直接引用的英文词汇，就当是扩展词汇量吧…… 如果对于前文知识点不太感兴趣的，可以直接跳到最后看结论（虽然一定看不懂），但是个人建议通读全文，毕竟，来知乎，是为了长（chui）知（niu）识（bi）是吧？弄个一知半解也不太好意思说出去…… 最重要的……我写了这么久这么多你不看好意思么……好意思么…… 前言 受启发于 @张茂 和 @张一刘 ，因为他们两个的答案最初看到觉得完全矛盾，后来仔细查询了，才发现他们两个人都是说的对的，只是受限于环境，都没有说全面而已。看得出来，张茂同学确实是研究液态金属的，但是由于没有接触到 iPhone 的生产过程，所以不明白 iPhone 的液态金属用在了何处，而张一刘先生则是接触了 iPhone 的外壳生产，所以能够具体到 Al 所用型号（感谢张先生透露的这一点点信息，足够我完成查证了），但是因为 iPhone 生产部件的代工厂分布过散，张先生一样没有知道液态金属的应用部件。 Amorphous Alloy 就是 iPhone 所用材料的统称，其中 Amorphous 是指的非晶态的，Alloy 则是指的合金。而这一材料由于生产困难，工艺要求高，并没有能够用于 iPhone 的外壳，而是用在了 iPhone 的 SIM 卡托取卡针部分。这一部分，是由美国 LiquidMetal 公司生产（液态金属名称的由来），所以可能张先生没有接触到。 
（取卡针） 这就是非晶态金属的真身了，在没有接触过之前，很多人会误以为液态金属长成这样： 
或者，这样： 
哦，不对，应该是这样： 
甚至有人在看到苹果采用液态金属的新闻后说了这么一句话： 
这个……脑洞太大完全堵不住…… 所以我来结束这一切。 正文 要说液态金属，我们首先得从普通金属说起： 作为一个读过初中的好孩子，我们知道，金属由金属键链接，被老师们描述为： Positive ions surrounded in a sea of electrons. 即金属阳离子沉浸在自由电子的海洋中。 金属键会影响金属以下几个特性： - Hardness
- Melting point
- Strong
- Tough
- Malteable
- Electrically conductive
- Thermally conductive
其中，对于日常使用，我们主要关心： - Hardness
- Strong
- Tough
- Malteable
其余的，除非特殊用途，一般生活中不会存在太多的影响。 即硬度，被描述为材料抵抗永久性损坏（刺穿、缺损）的能力。说白了，就是你手机哐当一下掉地上，拿起来的时候，外壳上有没有划痕。 这中间，损坏这个种类，初中老师也说了（初中老师好伟大……），分为 Elastic Deformation（弹性形变） 和 Plastic Deformation（塑性形变）。 那么思考一下，同样是受力为什么会出现这两种区别？ 初中老师这个时候不管用了，因为初中知识只能告诉你，受力超过了材料的弹性限度，物体就发生塑性形变了，那么，为什么？ 万能的大学老师出现了，大学老师说，因为原子出轨了。 
（原谅我找不到原子……） 本来，大家应该是端端正正做好，比如如下面这样： 
嗯，很规矩，但是受到外力作用，出现了上面几个“王.八.蛋”，于是大家就走散了…… 认真点说，这叫原子发生永久性位移，那么位移发生之后，为什么材料会改变性质和形状呢？ 下面，要引入一个概念： 抱歉我也拿不准这个的中文叫什么，叫结晶性（ 谢谢@张小鱼怒 ）…… 这个 Cristallinity 是什么，其实就是元素中，原子排列的形式，我们可以想象，金属内部如果放大，不会是乱成一锅粥的，这是它的天然属性，即有 Distinct crystal lattice structure。但是，并非所有的物体，都有这个 Distinct crystal lattice structure，比如玻璃、陶瓷等等 Ceramics（无机非金属）材料或者 Polymers（有机高分子）材料。 所以，往下又会分出三种类型的材料： - Crystalline 晶体
- Semi-crystalline 半结晶体
- Amorphous 非晶体
这个时候，看到 Amorphous，应该知道我们的液态金属 Amorphous Alloy 属于哪一类了吧？ 回到之前的 Cristallinity，为什么要提及这个 Cristallinity，因为它决定了原子排列的有序程度，而根据生活常识，我们知道，一间房间越有序，是不是要想让它变得混乱越容易？ 这就是原因，物质总是倾向于从有序变为无序，从高能变为低能。 为了更好的理解，以作为 Crystalline 的金属，又可以在 Atomic Crystalline Formation（原子晶体结构）上，分为下面三种（ @左昊诚 谢谢你提供的翻译，但是感觉直译的名字不如缩写好记）： - Body-Centered Cubic (BCC)
- Face-Centered Cubic (FCC)
- Hexagonal Close Pack (HCP)
很烦有木有，好吧我也很烦，尤其最后一个的读音…… 首先根据图片在脑袋中想象一下，不要单纯的只看一张图，要尝试想象大量同样的结构拼接之后会怎么样，然后我分别解释一下： 
- Body-Centered Cubic (BCC)
因为是以一个原子为中心的正方体，所以很多的类似结构组合之后，会出现大量原子 Overlap（应该翻译为重叠），因为每一个原子，都可以作为周围 8 个原子的中心。所以！每一个原子的各个方向的受力都是均匀的，因此需要更大的力使其发生 Plastic Deformation（塑性形变），因此，Hardness 很高（但是不比 Ceramic 高，原因等会说）。同样的，它的 Strong 和 Tough 都很强，但是，这就导致了这一结构的金属 Ductility（延展性）并不是很强，三种结构中，属于中间水平。 主要为这一结构的材料，是 Steel（钢）（含铁），为什么我要用英文，因为之后会有钢的表示法。 - Face-Centered Cubic (FCC)
可以想象的出，因为不存在 BCC 中的重叠结构，那么内部受力就是不均匀的。内部出现矛盾，表现出来就是容易瓦解。也导致它存在大量的 Slip Planes（在知乎上提过问，翻译过来应该是滑移面），这个 Slip Planes 等下说。因此，它的硬度比 BCC 要低，Strong 和 Tough 也都要低些，但是反过来，它的 Ductility 很好，适于成型和加工。 主要为这一结构的材料，是 Aluminum（铝，简称 AL） 记住这两个主要材料的分类，就可以记住这两个结构 BCC 和 FCC 的大概性质。 - Hexagonal Close Pack (HCP)
这个很特殊，中间层和上下层不链接，上下为 FCC，中间为 BCC，所以它有 BCC 的硬度，Strong 和 Tough。你以为它结合了 BCC 和 FCC 的全部优点吗？你真是想太多啊……如果真的有，那我们就可以一起造钢铁侠了……它的缺点，就是比 BCC 还低的 Ductility，以至于可以用 Brittle（质脆）形容性质。 * 刚刚提到了一个 Slip Planes，这个东西是这么被定义的： Slip planes are essentially paths of least resistance through which atoms are able to move, to compensate for applied loads and forces. 说白了就是一个滑不溜鳅的面，然后王.八.蛋们，哦，不对，原子们受力后可以在上面从这里跑到那里。 这个面存在的越多，原子就越容易移动，原子越容易移动，材料就越软。 然后呢，我们开始讨论一下比原子更宏观一点的一种结构： The basic crystalline unit, or unit cell, is repeated, as illustrated 这个东西，就是晶粒： 
这些晶粒的形成，是这样来的，如同搅基一样，一开始是两个原子觉得合适，然后他们在一起了，这是正常的，之后遇到了第三个，觉得不错，三个人就在一起了，这就是 3P，然后又走啊走，见到第四个人，顺理成章的，4P 了，随着人数的增加，慢慢的就是 5P，6P，7P……一直到 100P，1000P 都可以继续下去，大家一起搞来搞去就把事情搞大了。 但是，随着人数的增加，每个人喜欢的姿势和角度都不一样（Alignments or Orientations），有的喜欢上下，有的喜欢前后，有的喜欢 69，搞来搞去各种姿势扭曲在一起，就形成了 A Polycrystalline Solid。但是，由于大家都是同一种东西，除了某些人外，这个主要的结合部位（化学键）和方向（键角）基本还是一致的，这就保证了晶体结构基本还是在三个里面不停的转。 于是搞出了下图这种东西： 
这就是乱伦的社会……然后不同的大大小小（Size）乱伦社会因为外力和内力的原因在 Grain Boundaries（晶界）碰到了一起，就有一次的一起乱伦……于是形成了上图所示的东西。 因为毕竟大家口味不同，所以还是会有小小的不合适，所以存在这种 Dislocations（错位）：
当然这些不重要，我只是一说而已。 休息一下 上文我们讲述了这么几点： - 三种不同的晶体结构有各种不同的性质；
- 金属内部的结构可以重组（一起散场，然后再换不同的伴侣）；
- 同一种金属，也有不同的晶体结构、晶粒大小和错位。
接下来，讨论一点合金和无机非金属： 合金分为： - Ferrous Alloys（含铁合金）
- Non-ferrous Alloys（不含铁咯）
其中，Ferrous Alloys 在 iPhone 中的应用，是 Steel（钢）；而 Non-ferrous Alloys 在 iPhone 中的应用，是 Aluminum（铝）。 钢，又分为 Low / Med / High Carbon Steels： - 含 Carbon（碳）量少于 0.20%
- Med-Carbon Steel
含 Carbon 介于 0.20%～0.50% - High-Carbon Steel
含 Carbon 介于 0.50%～1.0% - Ultra-High Carbon Steel (Cast Steels)
含 Carbon 介于 1.0%～2.0% - Cast Iron （铸铁）
含 Carbon 超过 2.0%
这里，我们知道，Carbon，即碳，可以和铁 Fe 在加热时，变成 Fe3C，这个东西是一个很特殊的 Intermetallic Compounds，硬度很高，但是基本没有 Ductility。和铁混合后，能够极大的改变铁原有的性质，体现在 Carbon 含量越高，钢的硬度越高，但是质地越脆。 这里介绍一下钢的读法： 比如 1018 Steel，前两者 10XX，是告诉我们刚里面有哪些元素（钢不止可以加碳，还可以加 Chromium 铬增加硬度和抗腐蚀性、Copper 铜增加机械加工性、Manganese 锰降低易碎程度、Molybdenum 钼稳定碳化物并且阻止晶粒增大、Nickel 镍可以增加韧性和抗腐蚀性、Vanadium 钒可以在稳定韧性的同时增加强度） 而后两个 XX18，则是告诉我们碳的含量，比如 18 就是 0.18% 的碳。 （写到这里去洗了个澡然后回来看到电脑上有页面顺手就关了……幸好有保存……吓死爸爸了……） 补充一个小知识： Stainless Steels（不锈钢）分为三种： - Ferritic（铁素体不锈钢）— —含有大量的 Chromium（铬），以至于不会变为 Austenitic（奥氏体），价格低，抗氧化性好。
- Austenitic（奥氏体不锈钢）— —含有 Nickel（镍），高韧性、高可塑性、低强度。
- Martensitic （马氏体不锈钢，谢谢 @闻志恒 ）— —比 Ferritic 含铬量低，目前非均匀相（别问我相什么意思……又可以说一大截……简单来说就是均匀的、可定义结构的、可知化学成分的混合体或单质，比如空气，比如冰）中可制造的最硬的钢。
然后介绍 Non-ferrous Alloys，以铝为例子： - Corrosion Resistance（抗腐蚀）
- Ease of Fabrication（易铸造）
- High Electrical and Thermal Properties（高导电导热性）
- Light Weight（轻，对比 iPhone 4/4S 和 iPhone 5s 就大概知道）
- Strength at Elevated Temps（温度基本不影响强度）
- Aesthetically Appealing（美观，铁什么的都黑不溜秋的）
以上特性，请结合 Al 的晶体结构理解 然后，在张一刘先生答案中提到的： 我很明确告诉你，iPhone 5 外壳不是液态金属，它采用的是由金桥铝业生产的 AL6063 T6 型号铝合金（铝挤而成），通过数控机床加工型腔，外形，再注塑将上中下三个金属块连起来，再用数控机床加工，中间省略了（怕担上泄密罪名）最后阳极染色，这个外壳就加工好了。
我能说液态金属阳极染色的工艺不行么，其实就是连 AL7075 阳极染色都有问题。 中的 AL6063 和 AL7075 是什么意思呢？ 不同于钢，铝的读法是 X-X-XX 其中第一个数字和钢差不多，是用来定义所加元素种类的： - 1XXX – 99% Aluminum 基本是纯铝
- 2XXX – Copper 加铜
- 3XXX – Manganese 加猛
- 4XXX – Silicon 加硅
- 5XXX – Magnesium 加镁
- 6XXX – Magnesium & Silicon 这是硅和镁
- 7XXX – Zinc 锌
- 8XXX – Other Elements
而第二个数字，表示合金中的元素或杂质极限含量的控制要求，如果第 2 位为 0，则表示其杂质极限含量没有什么特殊的控制要求，如果是 1～9，数字越大，控制的要求越多，一般情况下是 0。 最后两位数，和钢不一样，用于指明这一种铝在同类型中的数字。 所以，我们知道，iPhone 5 所用的铝，是硅镁铝合金。为什么用了 6063 而非 6061（强度更高），因为 6063 更适合挤压后抛光和阳极氧化上色。 介绍完了材质，我们讲讲 Strain（应变）和 Stress（应力） A material’s deformation reaction to an outside force or load 指的是材料对于外力作用的变形反应，原子通过破坏晶体结构来补偿外力作用。 想象一下两个人（当然可以是 3 个 4 个甚至更多人）在一起获得生命的大和谐时，你们身下的那张床和床垫…… 根据姿势的不同，Strain 还有不同的表现： - Compressive 压缩
- Tensile 拉伸
- Shear 扭曲
想想真是活色生香…… How a material internally distributes the applied load. 请再三注意这个词，internally，内部的。 也就是，你和你女朋友获得生命的大和谐时，床垫里面的弹簧分散向各个部分的力。 为什么要强调这一点，等会高潮部分会说。 正常情况下，Strain 和 Stress 是成线性关系的：
但是直到外力不断施加…… 就会到达一个叫做 Yield Point（屈服点，谢谢 @张小鱼怒 ）的点，这个点，就是材料内部原子开始（一定注意是开始）从原始位置移动到新位置的点。（也就是上图中两条线的焦点） 然后继续施压，就变成了这幅萎样：
是的……高潮了…… 这个点，叫做 Ultimate Tensile Strength (UTS)（极限抗拉强度）……过了这座山，东西就断了……
这是常见的几种材料的各种数据…… 其中铝还是用了比 6063 更高强度的 6061 好了废话说了一大堆，开始正式的说 Amorphous Alloy（非晶态金属，俗称液态金属）是个啥子玩意了…… 最后一次铺垫，真的，我发誓 我们来了解一下怎么改变金属性质： 看过金刚狼的孩子们应该记得，金刚狼的身体里，被改造后是大量的超高密度合金（和美国队长的盾牌一样），在电影里，有这么一段对话： 将军说：你知道把金属注入你身体最难的是什么吗？ 将军自己回答：是保持超高密度合金的液态（把液态的粘稠物注入金刚狼的身体……OMG……难怪金刚狼当时那么痛苦后来那么撕心裂肺的想找将军）
谁爆我菊花！ 这种熔化金属再凝固的过程，就是我们改变金属的一种方法： The controlled heating and cooling of materials for the purpose of altering their structures and properties. 两个元素把握好，就可以控制金属，人人都是万磁王： - Temperature
- Rate of Cooling
怎么做呢？ 一步步来 - 我们知道金属有 Distinct crystalline lattice structure，倾向于 Form Naturally
- 当合金合成时，作为溶质的原子溶解进作为溶剂的原子，像这样：
- 然后不断的加热（Tempetrature），金属会溶解，成为 Molten State
- 这个时候，如果让金属冷却下来（我没有说速率 Rate 哟），金属原子就会失去能量，开始形成固体
- 怎么形成？失去能量的低能金属原子会开始重新排列（高潮完以后能量低，然后重新找伴侣的找伴侣，换姿势的换姿势）。这个时候，称为 Nucleation Points。
- 然后，找好伴侣，换好姿势的原子们，又开始重新形成 Grains，至于怎么形成，请看前面……具体表现在，Grains 的大小在各个方面变大
- Grains 们又开始在 Grains Boundaries 遇见其他的 Grains，逐渐形成新的金属。
前面留了个坑，这个金属冷却的速率和温度都是改变金属性质的重要元素对吧？那么，速率有哪几种？ - Full Anneal
- Normalized
- Quenched
这个我还把坑留着，等会再讲。 Heat Treatment 是一种方法，用于改变金属晶粒大小，但是这种加热并非唯一的方法，为什么？因为加热是为金属原子提供能量，是不是？只要能够提供能量，是不是我们也可以改变？ 所以，如果我不停的去掰弯一根金属棒子（请不要想歪了），棒子会断是不是？ 这就是第二种： 通过塑性形变，改变晶粒大小。 具体过程： - 你得有一根硬棒子……
- 掰弯它……
- 在反过来掰弯它……
- 如此重复（请各位女同胞不要这样……很痛苦的）
- 这一弯一直，造成了大的晶粒不断的被折碎成小的晶粒
- 导致在 Grain boundaries 区域，内部的 Stress（应力）急剧增大（现在知道为什么前面反复强调应力是内部的了吧？）
- 应力与应变在一定程度上为线性（记得图吗？）
- 随着应变的增大，应力增大，然后 Grains 数量增加，大小减小，金属材料的整体 Ductility（延展性）下降（可以试试掰回形针，掰断以后你会发现断裂处很坚硬）
- 如果此时 Plactic Deformation 继续下去，那么就会造成材料的 Fracture。
这个时候，如果在第 9 步之前，我们为材料加热，热能会提供足够的能量给晶粒，以形成新的晶粒，那么就可以降低内部应力，提高 Ductility，材料不至于断裂，但是却被细分得足够小。 那么这个时候回到加热的速率问题： 先回忆一下晶粒大小对于金属性质的影响： - Smaller grains = Higher Hardness & Strength, Lower Ductility
- Larger grains = Lower Hardness & Strength, Higher Ductility
现在回到之前提到的三种速率，不同的速率，会对同一种材料，造成截然不同的结果： A material is heated above its phase transition temperature and allowed to slow cool inside of the furnace. 融化材料后，在烘箱中冷却（比如，针对 AL6061-O 可以从 940 摄氏度每隔 3 个小时下降 10 度），为原子形成晶粒提供足够的热量和时间，以形成足够大、整齐的晶粒。 产出来的东西，有足够的韧性。 A material is heated above the phase transition temperature and allowed to cool in still air. 就是放在空气中冷却，不主动加热，也不主动降温。 左为 Full Anneal，右为 Normalized
“Rapid” cooling of a material. Heat is removed from the material at an accelerated rate using various materials as a quenching media. 通过放在一些温度较低的媒介里，来达到急速降温的目的，比如：水、油、金属、沙子、高分子化合物等等……
这是 Martensite（目前最硬的钢，可以看出基本没有什么晶粒结构可言了） 好的，到这里，我们大概知道了，如果给金属的温度越高，冷却金属的速率越快，金属就会有越小的晶粒和越少的晶粒结构，直接影响就是越高的硬度和越低的 Ductility（延展性），反之则是更低的硬度和更高的延展性。 那么液态金属是什么？ 是 Amorphous Alloy，非晶态合金，也就是说没有晶态结构，根本就没有晶粒，所以延展性低，但是相反的，硬度却极高，类似玻璃。那么为什么不用玻璃呢？因为玻璃基本没有延展性……Amorphous Alloy 虽然延展性低，但它依旧保留了部分的金属特性，包括有一定的延展性，只是针对常规晶态合金而言，低了不少。 这样的材料，用来做手机的外壳是相当合适的，既有超高的硬度（2.5 倍于钛合金，1.5 倍于不锈钢），又有一定的延展性不至于像玻璃一样稍微施加外力就会破碎，而且保持很轻的重量。但是问题在于成本过高，工艺要求高： 这是张茂同学简单的描述： 要么直接铸造急冷而成，要么在过冷液相区进行塑形加工而成。 解释一下，之前我们提到了 Martensite 是通过 Quenched 极冷铸造而成，那么假设一下，如果直接在金属保持 900 度以上高温的时候，瞬间降温会是什么结果？那么我们可以得到根本就是无序原子构成的合金，硬度也会远强于钢。 第二个问题是：面对大块的金属，怎么让金属内部和外部同时均匀、急速的冷却？这就是为什么苹果至今仍然没有将 iPhone 和 iPad 的外壳采用液态金属的原因。 为了达到这种条件，苹果甚至想通过反重力铸造来达到极限的冷却时间：
当然，理想总是好的，现实总是残酷的，我们现在也只能在 iPhone 的取卡针上看到液态金属的存在，希望有一天，不管是谁，能够找到相对简易的铸造方法，那个时候，也许 21 世纪就不会是“钛”的世纪而会是“液态金属”的世纪了。
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