鋼鐵的歷史

邵峰

圖坦卡蒙的天鐵匕首

在人類還無法利用鐵礦石前，唯一可用的鐵來自太空。1925年，英國考古學(xué)家霍華德·卡特在少年法老圖坦卡蒙的一個(gè)墓葬中發(fā)現(xiàn)了一把黃金匕首和一把鐵匕首。奇怪的是鐵匕首上沒有任何銹跡，這讓考古學(xué)家十分疑惑。2016年，在X射線成像的幫助下，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鐵匕首中含有較高比例的鎳，這是典型的隕鐵特征。而且，一塊發(fā)現(xiàn)于距離墓穴以西200多千米的紅海沿岸的隕石，擁有和制成匕首的鋼近似的鐵、鎳和鈷比例，這讓匕首由隕鐵制成的可能性大大提高。隕石中的鎳能形成防銹的氧化膜，鈷能增加抗磨損性。其實(shí)，使用隕鐵制作武器的不止古埃及人，非洲努比亞的納馬夸蘭人會收集掉落在納米比亞吉丙地上的吉丙隕鐵碎片，用于制作武器和工具。

鐵器時(shí)代

來源很少而且極不穩(wěn)定的隕鐵并不能滿足人們對金屬制品的需求。漸漸地，人類發(fā)現(xiàn)一些礦石在高溫下可以轉(zhuǎn)化為金屬。但是每種金屬的熔點(diǎn)不同。常規(guī)條件下，木炭火焰的溫度最高可達(dá)1200°C，足以冶煉熔點(diǎn)為1085℃的銅，但無法達(dá)到鐵1538°C的熔點(diǎn)。因此，人類最初大量使用的金屬是銅。3300多年前，地處黑海和地中海之間的赫梯王國率先掌握了鐵器制造技術(shù)。黑海沿岸豐富的露天鐵砂資源為赫梯人提供了充足的鐵礦石來源。接下來，煉鐵技術(shù)逐漸傳入兩河流域和古埃及。3200多年前，鐵器在地中海沿岸國家普及，標(biāo)志著人類進(jìn)入了鐵器時(shí)代。

鐵器比銅器韌性更好，硬度更大。在當(dāng)時(shí)的戰(zhàn)場上，鐵制武器的性能遠(yuǎn)勝銅制武器。3100多年前，手執(zhí)鐵刃的多里安入入侵古希臘歷史上著名的邁錫尼城。包括特洛伊在內(nèi)的許多希臘古城被毀，希臘的貿(mào)易路線消失，人口減少，物資匱乏。一些歷史學(xué)家認(rèn)為，貿(mào)易中斷讓地中海地區(qū)一度陷入銅礦石和錫礦石短缺，這導(dǎo)致地中海大部分地區(qū)完全棄銅用鐵。此外，地球上鐵礦石的儲量比銅礦石大得多，并且全世界各處幾乎都能找到可以利用的鐵礦石，這是鐵器取代銅器的另一個(gè)重要原因。但在鐵器時(shí)代早期，爐溫還不足以將鐵礦石完全液化，因此最后得到的是表面多孔的海綿鐵。

中國在2600多年前的春秋時(shí)期就已經(jīng)比較成熟地掌握了煉鐵技術(shù)，并將鐵器運(yùn)用到生產(chǎn)和生活中。戰(zhàn)國中期時(shí)，鐵制品數(shù)量逐漸增多。從西漢起，制鐵技術(shù)在中國進(jìn)一步傳播。東漢時(shí)期，鐵器幾乎完全取代了銅器。

烏茲鋼傳奇

從鐵制品到鋼制品的轉(zhuǎn)變，大大推進(jìn)了人類文明的進(jìn)步。鋼是一類含碳量小于296的鐵碳合金，其中也可以含有鎳、鈷和錳等其他金屬。人類首次大規(guī)模煉鋼始于2400多年前，印度南部鐵匠發(fā)明了一種獨(dú)特的坩堝熔煉法：用陶土制成坩堝，在其中放入小塊的鍛鐵和木炭，并放入一定量的桂皮和樹葉。然后，用黏土把坩堝密封好，并置于高爐中。接下來，鐵匠們從高爐下方鼓入空氣，鍛鐵受熱熔化并吸收木炭中的碳元素。最后，待到坩堝完全冷卻后，鐵匠將坩堝從高爐中取出，去除黏土并取出已經(jīng)冷卻成塊的成品烏茲鋼錠（高碳鋼）。得益于印度南部優(yōu)質(zhì)的鐵礦石，烏茲鋼具有媲美現(xiàn)代鎢合金鋼的硬度，同時(shí)具有良好的韌性。

烏茲鋼經(jīng)由貿(mào)易路線被運(yùn)往世界各個(gè)角落。敘利亞大馬士革的鐵匠用烏茲鋼錠打造成大名鼎鼎的大馬士革鋼劍，能斬?cái)嗫罩酗h舞的絲巾或羽毛。今天，在顯微鏡下，人們看到大馬士革劍的刃口有許多微型鋸齒結(jié)構(gòu)，這些鋸齒賦予了大馬士革劍極強(qiáng)的切割性能。烏茲鋼錠甚至被阿比西尼亞商人運(yùn)送到羅馬古城托萊多，被用于打造性能優(yōu)異的佩劍。不過，狡猾的阿比西尼亞商人不愿意透露烏茲鋼的真正產(chǎn)地，故意誤導(dǎo)羅馬人，說鋼錠來自“賽里斯”（拉丁詞，意為“中國”）。

英國傳說中，亞瑟王從湖中女妖手上獲得了一把能斬?cái)嗳魏武撹F的“王者之劍”。不過，傳說畢竟是傳說。整個(gè)中世紀(jì)歐洲的鋼鐵制品質(zhì)量一直處于相對落后的水平。即便是大名鼎鼎的維京艾斯博特劍，也依賴印度烏茲鋼。公元5世紀(jì)，西羅馬帝國瓦解，歐洲陷入混亂。同時(shí)期的印度并沒有停止生產(chǎn)烏茲鋼，但這種優(yōu)質(zhì)鋼材從印度被運(yùn)送到歐洲的一路上卻充滿了風(fēng)險(xiǎn)：商人們要長途跋涉，經(jīng)常遭遇強(qiáng)盜伏擊不說，一路上還容易感染各種疾病。為了擺脫對烏茲鋼的過度依賴，西班牙加泰羅尼亞的鐵匠開發(fā)出了一些類似印度熔爐的“加泰羅爐”，能夠用于大量生產(chǎn)鍛鐵。加泰羅尼亞的騎士們手中揮舞的是一種特制劍，由條鐵經(jīng)扭曲、鍛造而成，這種特殊工藝會在武器表面留下特殊的編織樣圖案，就好像由烏茲鋼制成的刀劍紋樣。

明代《明會典》中記載了一組有趣的數(shù)據(jù)：“日本國附進(jìn)刀劍每把鈔三貫”“鑌鐵大刀每把絹五匹”“大絹一匹值鈔百貫”。照此計(jì)算，當(dāng)時(shí)產(chǎn)自西域的鑌鐵大刀價(jià)格是日本刀的166倍。這里的鑌鐵大刀很可能就是大馬士革刀。唐貞觀年間，生于疏勒國（今中國喀什，疏勒國是絲綢之路的重要交匯點(diǎn)）的慧琳和尚編寫的《一切經(jīng)音義》記載：鑌鐵“以諸鐵和合”，也就是說鑌鐵大刀可能是用多種鐵經(jīng)鍛焊（將兩片以上金屬加熱后鍛打，使其融為一體）而成。

熱處理調(diào)理鋼材

當(dāng)鋼中的碳含量超過0.396時(shí)，硬度就會逐漸上升，但同時(shí)脆性也會漸漸增加，變得難以加工。在今天，為了得到硬度高且韌性強(qiáng)的鋼材，人們會先將含碳量超過0.396的鋼材加熱到850～900℃，然后放入水中淬火（快速降溫）。經(jīng)過這道工藝后，鋼變得更硬、更脆。接下來，將淬火后的鋼重新加熱到350～500℃，這個(gè)過程叫回火，能夠提高鋼材的韌性。最后，就能得到即硬又不容易斷裂的鋼。

熱處理技術(shù)起源于何時(shí)？中國戰(zhàn)國時(shí)期的普通士兵用劍有經(jīng)過淬火處理的痕跡。著名的日本刀的制作過程需要經(jīng)歷“覆土燒刃”的局部熱處理：制刀匠先用泥土包裹住刀身和刀脊等不需要高硬度的區(qū)域，然后再將刀放在爐中加熱并淬火。這樣不但可以只提高刀刃硬度，讓其他部位保持韌性，還能賦予刀彎曲的外形?！案餐翢小笔侨毡驹谔瞥瘯r(shí)引進(jìn)的熱處理技術(shù)。值得一提的是，日本刀一般采用3層鋼經(jīng)多次折疊鍛打制成，這也是來源于唐朝的“包鋼法”。

費(fèi)時(shí)費(fèi)力的滲碳工藝

鍛鐵含碳量低于0.3%但經(jīng)過滲碳提高碳含量可成為滲碳鋼。中世紀(jì)的歐洲鐵匠煉鋼時(shí)，會在密閉窯爐內(nèi)放入鍛鐵和木炭。在高溫下，木炭中的碳元素融入鍛鐵表面，并留下氣孔，所以這種滲碳鋼也被稱為“泡鋼”。

滲碳鋼工藝傳遍了歐洲的各個(gè)角落，當(dāng)時(shí)的歐洲最好的滲碳鋼一定是用瑞典產(chǎn)的鍛鐵制造的。鍛鐵在滲碳、捶打、再滲碳的過程中，硬度和機(jī)械性能都會提高。一些歐洲鐵匠會將滲碳和捶打過程反復(fù)進(jìn)行約20次，最后鋼劍還要進(jìn)行局部熱處理。在中世紀(jì)的英國，一把經(jīng)過熱處理的滲碳鋼劍，其售價(jià)至少相當(dāng)于一個(gè)雇農(nóng)120天的收入。也因?yàn)槿绱?，滲碳鋼在當(dāng)時(shí)被視為一種珍貴的金屬材料。

煉鋼技術(shù)的進(jìn)步

進(jìn)入近代，鋼材逐漸從稀有的武器原料轉(zhuǎn)變?yōu)閷こ５墓I(yè)原料。在這場轉(zhuǎn)變過程中，英國人亨利·貝塞麥于1855年發(fā)明的貝塞麥法貢獻(xiàn)巨大。用這種方法生產(chǎn)鋼材，不需要耗時(shí)耗燃料的滲碳過程，只需要將熔化的鐵水倒入轉(zhuǎn)爐，并泵入高壓空氣，讓鐵水中的硅、錳、碳等雜質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)。氧化反應(yīng)放出的熱量迅速將爐溫提高，不需要焦炭等燃料。用貝塞麥法煉—爐鋼只需要0.5小時(shí)，不需要復(fù)雜的滲碳過程就能得到大量含碳量適中的鋼材。這種低成本的高效煉鋼法大大地改變了鋼鐵制造業(yè)的面貌。

不過，雖然貝塞麥法大大降低了鋼材制造成本，但鋼材中的雜質(zhì)磷始終讓制鋼企業(yè)十分頭疼。鋼材中的磷會讓鋼材出現(xiàn)冷脆現(xiàn)象，因而會大大降低鋼材在低溫時(shí)的可加工性和抗沖擊性。1879年，英國人西德尼·托馬斯和他的堂兄吉爾克里斯特·托馬斯一同解決了這個(gè)難題。他們用堿性的石灰石吸收鐵中的磷，形成爐渣排出。同時(shí)，兩人大膽地將以往的酸性轉(zhuǎn)爐襯底也改為堿性襯底，防止堿性爐渣侵蝕爐壁，杜絕了磷回到鋼水中的可能性。19世紀(jì)80年代，鋼材質(zhì)量開始逐漸穩(wěn)定，這為鋼結(jié)構(gòu)建筑的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

鋼結(jié)構(gòu)和輕鋼結(jié)構(gòu)建筑

1871年，美國芝加哥大火摧毀了數(shù)千座木結(jié)構(gòu)建筑?；馂?zāi)發(fā)生后，芝加哥政府頒布了更嚴(yán)格的建筑法規(guī)，要求新修建筑必須采用磚、石、大理石和石灰石等不可燃材料。隨著城市人口越來越多，有限的城市空間漸漸不夠用了，城市建筑向空中發(fā)展的需求越來越迫切。1885年，全世界第一棟鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑首次出現(xiàn)在芝加哥。這座10層樓高的保險(xiǎn)大廈的總重量僅為同等規(guī)模磚結(jié)構(gòu)建筑的1/3。從此，越來越多的鋼筋混凝土的高層建筑在世界各地豎立起來。

而今，越來越多的建筑開始采用輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)。輕鋼建筑的理念源于1849年全鋼結(jié)構(gòu)房屋的誕生。當(dāng)時(shí)加利福尼亞州的大小金礦吸引全世界的淘金者前來。礦區(qū)附近人口數(shù)量猛增，需要新修大量住宅，可建造木結(jié)構(gòu)建筑很費(fèi)時(shí)費(fèi)工。因此，一位名叫皮特·內(nèi)勒的屋項(xiàng)維修工看到了商機(jī)，他在礦區(qū)四處張貼廣告?zhèn)鲉?，出售全鋼結(jié)構(gòu)房屋——只需不到一天就能安裝完成并入住。內(nèi)勒的運(yùn)氣很好，因?yàn)樗瑫r(shí)遇到了“冷彎型鋼”技術(shù)研發(fā)成功和加州淘金熱。所謂“冷彎”，顧名思義，就是指鋼材可以在常溫狀態(tài)下被彎折塑形。這種工藝具有加工工藝簡單、材料浪費(fèi)少、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)。

1933年，芝加哥舉辦的世界博覽會上出現(xiàn)了一棟完全鋼結(jié)構(gòu)的“未來之家”。20世紀(jì)40年代，一家名為“魯斯特隆住宅”的輕鋼建筑公司售出了約2500棟全鋼建筑，每棟房屋用鋼量為10～12噸。這些全鋼制建筑不但框架結(jié)構(gòu)是鋼，連屋頂、建筑外蒙皮、天花板、內(nèi)墻，甚至所有柜、桌、椅等家具都由鋼制成。這些建筑中不少依然保留到了今天。

魯斯特隆全鋼住宅主體框架鋼板厚度為5毫米，今天同樣的低層輕鋼結(jié)構(gòu)建筑的承重鋼板厚度可以控制在0.8～2毫米。經(jīng)過冷軋?zhí)幚淼臒徨冧\鋼板被彎折成c型龍骨，外形就像搭建木結(jié)構(gòu)房屋的方木條，其最大屈服強(qiáng)度可達(dá)550兆帕。所謂屈服強(qiáng)度，就是鋼材發(fā)生無法恢復(fù)的形變前，能夠承受的最大壓強(qiáng)。輕鋼龍骨的屈服強(qiáng)度介于遠(yuǎn)洋貨輪所用鋼板和航母飛行甲板之間。2019年，央視《走近科學(xué)》欄目做了一次輕鋼承重實(shí)驗(yàn)：在3根長6米、總重100千克的輕鋼梁上放上將近10噸的重物，輕鋼梁只在中央最薄弱處產(chǎn)生輕微形變。重物被撤走后，輕鋼梁恢復(fù)到了原始形狀。

汽車制造業(yè)不斷挑戰(zhàn)鋼鐵極限

進(jìn)入20世紀(jì)，鋼材成為汽車制造業(yè)最重要的原材料。汽車應(yīng)具備很好的可靠性和耐用性，因此防銹很重要。20世紀(jì)70年代，汽車鋼板加工工藝十分簡單，只是冷軋蝴涂漆。許多新車幾年后就出現(xiàn)大面積銹蝕，嚴(yán)重威脅駕駛安全。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，汽車制造商開始使用雙面鍍鋅鋼板制造汽車。從此以后，新生產(chǎn)的汽車終于不太容易生銹了。汽車制造業(yè)使用鍍鋅板的同時(shí)，還要保持汽車的“A級曲面，”這是很有挑戰(zhàn)性的。所謂A級曲面，指的是相鄰曲面之間的過渡高度連續(xù)、光滑。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，汽車制造商優(yōu)化了鋼板控制點(diǎn)分布和涂裝等一系列工藝。

在汽車制造領(lǐng)域，鋼材的抗沖擊性更為重要。2018年，美國高速公路安全協(xié)會進(jìn)行了一場別開生面的碰撞試驗(yàn)：—輛2009年生產(chǎn)的轎車以64千米/時(shí)的速度與一輛靜止的1959年產(chǎn)的轎車4儺重疊正面相撞，兩輛轎車屬同一品牌。結(jié)果是1959年產(chǎn)的轎車駕駛室?guī)缀跞珰В?009年產(chǎn)的轎車駕駛室?guī)缀鯖]有變形，原因主要是2009年產(chǎn)的轎車車架結(jié)構(gòu)中使用了高強(qiáng)度鋼、先進(jìn)高強(qiáng)度鋼，甚至是超高強(qiáng)度鋼。

為了提高裝配精度，從20世紀(jì)90年代末起，全球車企開始研發(fā)如何讓鋼材在化學(xué)特性、厚度和形狀等指標(biāo)上更一致：薄板坯連鑄機(jī)能讓鋼液快速形成薄板，真空脫氣機(jī)解決了鋼板中氮、氫雜質(zhì)引起的冷脆等問題，數(shù)控軋饑大大提高了鋼板成型精度……不僅如此，各國政府日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)也不斷催促車企提升燃油經(jīng)濟(jì)性。這就要求車企使用更輕鋼材的同時(shí)，還要提供同等甚至更高的安全性。

鋼鐵被譽(yù)為—個(gè)國家工業(yè)發(fā)展的骨架。任何一個(gè)國家的工業(yè)化發(fā)展都離不開鋼鐵。鋼鐵伴隨了人類3000多年，在可預(yù)見的未來，鋼鐵還將繼續(xù)充當(dāng)文明發(fā)展的骨架。

（責(zé)任編輯王川）

鋼鐵金相組織

同樣是鋼為什么有些非常硬而脆，而有些相對較柔軟、易于加工？在電子顯微鏡下，可以看到不同的鋼鐵金相組織，它們可以通過熱處理手段獲得。以下是幾種常見的鋼鐵金相組織。

鐵素體：相對純凈的鐵，含有少量碳，柔軟且易于成形。鐵素體賦予鋼以磁性。

滲碳體：具有更多碳（有時(shí)是其他元素），非常堅(jiān)硬且易碎，有類似陶瓷材料的特性。

珠光體：由交替的鐵素體和滲碳體層組成的混合物，在顯微鏡下看起來像珍珠（因此稱為“珠光體”）。珠光體強(qiáng)度較高，硬度適中，有一定的塑性。

奧氏體：鋼中存在的鐵和碳的合金，加熱到高溫時(shí)獲得。強(qiáng)度和硬度比鐵素體高，塑性和韌性良好。

馬氏體：與鐵素體相似但硬度更大，不過馬氏體塑性很差，幾乎不能承受沖擊。

德里鐵柱

位于印度首都新德里的一座寺廟廢墟前，一根鐵柱已經(jīng)矗立了1600多年。根據(jù)碑文上的布拉赫米文字，人們知道這根鐵柱是為了紀(jì)念印度教中的毗濕奴神。鐵柱高約7.3米，重約6.5噸，由含鐵量98%的鍛鐵制成，至今幾乎沒有任何銹蝕。最近，科學(xué)家才發(fā)現(xiàn)，鐵柱外表上由鐵、氧和氫構(gòu)成的薄膜阻止了鐵柱生銹。這層薄膜從鐵柱豎立后的三年內(nèi)開始形成。它的形成十分緩慢：1600多年過去了，其厚度只有2毫米。鐵柱中的鐵板含有1%的磷。在磷的催化作用下，鐵柱的表面形成了一層保護(hù)層。此外，信眾也經(jīng)常為鐵柱涂亞麻籽油和羊脂防銹。

四種常見鋼材

不銹鋼

不銹鋼配方的發(fā)明純屬偶然。20世紀(jì)初期，一位名叫哈利·布雷爾利的冶金學(xué)家希望尋找一種用于提高槍管強(qiáng)度的合金鋼配方，以降低子彈底火爆炸對槍管造成的損壞。在經(jīng)過了多次失敗后，他注意到地面上大多數(shù)合金鋼碎片都開始生銹，但是某些碎片沒有生銹。這種鉻、鎳含量較高的合僉鋼被命名為“不銹鋼”。

碳素鋼

全球鋼產(chǎn)量中至少80%是碳素鋼。含碳量低于0.25%的是低碳鋼（硬度低、易成形），碳含量0.6%～2%的是高碳鋼（硬度高、性脆）。碳素鋼的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，汽車、船舶和飛機(jī)制造，甚至建筑行業(yè)都需要碳素鋼。

合金鋼

除鐵和碳外，合金鋼還含有一種或多種其他元素，如鉻、銅、錳、鎳、硅或釩。與普通碳素鋼相比，這些額外的元素讓合金鋼的耐用性、硬度和韌性等方面優(yōu)于碳素鋼。

工具鋼

工具鋼是用于制造工具、模具和機(jī)器零件的高硬度合金鋼。其中含有鎳、鉬或鎢等元素。為了兼顧硬度和韌性，工具鋼都要經(jīng)過淬火和回火處理。