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你了解钢吗,什么冶金,钢铁,热处理,铸造-2
  • 作者:锐鑫特殊钢材
  • 发布时间:15-11-14 13:16
  • 点击数:97
  • 文章来源:东莞市锐鑫特殊钢材有限公司
------东莞市锐鑫特殊钢材有限公司
        钢是谜样物质
        我告诉布莱恩,现代剃刀也是合金制成的,而且是一种非常特别的合金,我们的祖先花了几千年还是不了解它——它就是钢。钢是加了碳的铁, 比青铜还硬,而且成分一点也不稀有。几乎每块岩石都含铁,而炭更是生火的燃料。我们的祖先不知道钢是合金,更不知道以木炭形式出现的碳, 不只是加热和锻造铁的燃料,还能嵌入铁晶体里。炭在加热黄铜时不会产生这种现象,加热锡和青铜时也不会,只有对铁会如此。我们的祖先一定觉得这种现象非常神秘,我们也是在学会了量子力学后,才明白背后的道理。

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        钢里的碳原子并未取代晶格内的铁原子,而是挤在铁原子之间,把晶体拉长。
        还有一个麻烦:要是铁里掺了太多碳,例如比例达到百分之四而非百分之一,形成的钢就会极为易碎,根本无法用来制作工具和武器。这会是很大的麻烦,因为火里的含碳量通常不低,铁加热太久甚至液化后,晶体内就会掺入大量的碳,形成易碎的合金。高碳钢制成的刀剑在战斗中很容易折断。
        一直到20 世纪,人类在彻底掌握合金形成的原理后,才明白为什么有些炼钢法行得通,有些不行。过去的人只能靠着尝试错误,找出成功的炼钢法,然后代代相传,而且这些方法往往是行内机密。但这些不外传的方法实在太过复杂,因此就算遭到窃取,成功复制的概率也非常低。某些地区的冶金技术非常闻名,可以制造出高质量的钢,当地文明也因而发达。
         
         钢铁是珍贵的军事力量
         1961 年,牛津大学的里士满(Ian Richmond)教授发现了一处古罗马坑洞, 这坑洞大约是公元89 年时挖掘的,里头埋了763,840 根两英寸长的小钉子(1 英寸约合2.54 厘米)、85,128 根中钉子、25,088 根大钉子和1344 根16 英寸长的超大钉子。所有的钉子都由铁和钢制成的,而不是纯金,大多数人应该都对此满失望的,但里士满教授并不会,他一心追问:古罗马军团为什么要掩埋7 吨的钢和铁?
        古罗马军团当时在苏格兰一处名叫英赫图梯(Inchtuthil)的地方, 驻扎在阿古利可拉将军建筑的前进碉堡里。英赫图梯位于古罗马帝国的边界,军团的任务是捍卫边疆,不让他们视为蛮夷的凯尔特人进犯。
        这支军团在当地驻扎了6 年才撤离,同时遗弃了碉堡。撤退前他们想方设法不留下任何有利于敌人的东西,因此销毁了所有粮食和饮水容器, 还放火把碉堡夷为平地。但他们还不满意,因为碉堡灰烬中有铁钉残留, 铁钉太过珍贵,不能让凯尔特人挖走。古罗马就是靠着铁和钢打造了灌溉渠道、船只与刀剑,从而建立了帝国。把铁钉留给敌人,等于奉送对方武器,因此他们在南撤之前挖了一个大坑,把铁钉都埋起来。除了武器和盔甲,他们可能还带走了一些小铁器,包括代表古罗马文明巅峰的“诺瓦齐力” (novacili),也就是剃刀。靠着诺瓦齐力和手握剃刀的理发师,这群古罗马军人得以仪容整齐、不带胡髭地班师回朝,不跟赶走他们的蛮族混为一谈。
         炼钢有如谜团难以把握,许多传奇因之而起,而不列颠在古罗马军团撤退后的统一及复兴,更与其中一则永恒传奇脱不了关系,那就是亚瑟王的王者之剑。据传那把剑具有魔力,谁拥有它就能统治不列颠。由于当时的刀剑经常折断,让武士在战场上因手无寸铁而无法自卫,不难理解一把高品质的钢剑为何能成为文明战胜野蛮的象征。因此,炼钢过程当然高度仪式化,而这也解释了古人为何觉得钢铁具有魔力。
        情况在日本最为明显。铸造武士刀不仅需要数星期的时间,而且是一种虔诚的仪式。天丛云剑是日本名剑,武尊倭建命靠着它呼风唤雨,击败敌人。虽然故事中掺杂了许多幻想故事与仪式,但某些刀剑能比其他武器更硬、更利十倍,却不是神话而是事实。15 世纪时,日本武士制作的钢刃已经独步全球,而且称霸世界五百多年,直到20 世纪冶金科学大幅跃进才被超越。
 
         武士刀完成不可能的任务
         武士刀使用的特殊钢材称为玉钢,是由太平洋火山铁砂制成的。这些铁砂的主要成分为磁铁矿,是制作指南针的材料。炼造玉钢的土炉称为“吹炉”,宽、高各1.2 米,长3.6 米。首先在吹炉里“点火”,让黏土变硬, 成为陶瓷,接着再仔细铺上数层铁砂和黑炭,让它们在吹炉里焖烧。整个过程大约费时一周,需要四到五人轮流照看,并用风箱把空气灌入炉内, 确保炉火温度够高。最后工匠会把瓷炉敲碎,从灰烬和残余的铁砂及炭屑中取出玉钢。这些钢料的颜色晦暗,非常粗糙,但特点是含碳量的范围很广, 有些很低,有些很高。
        日本武士工匠的创新之处在于有能力分辨高碳钢和低碳钢,前者硬而易碎,后者软而强韧。工匠完全凭借外观、触感和撞击时的声音来判断两者。一旦分类完成,他们就用低碳钢制作刀身,让刀非常强韧,甚至有弹性, 在打斗中不会轻易折断。至于刀锋则使用高碳钢来制造,它虽然易碎但非常坚硬,因此可以磨得极为锐利。工匠用锐利的高碳钢包覆强韧的低碳钢, 以此完成了许多人眼中的不可能任务,制作出的武士刀,经得起与其他刀剑对砍、耐得住和盔甲碰撞,且常保锋利,能轻松斩人首级。这种武士刀是两全其美的最佳武器。
        人类直到工业革命,才有能力制造出比武士刀更强且更硬的钢料。这一回轮到欧洲国家开始进行更大、更夸张的工程,例如建造铁路、桥梁和船舰,而他们使用的材料是铸铁,因为铸铁可以大量制造,并可以使用模具铸形。只可惜铸铁在某些状况下非常容易破裂。由于工程愈来愈宏大, 使得破裂意外愈来愈常发生。
       最严重的一次意外发生在苏格兰。1879 年12 月28 日晚上,全球最长的铁道桥——泰河桥突然被冬季强风吹垮,致使载有75 名乘客的客运火车坠入泰河,所有人均不幸罹难。这场灾难证实了许多人先前的疑虑:铸铁不适合兴建桥梁。现在不仅需要做出和武士刀一样强韧的钢材,而且必须能大量制造。
 

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        贝塞麦法掀起工业革命
        英国科学促进会在某日开会时,一位名叫贝塞麦(Henry Bessemer) 的工程师起身发言,说他做到了前述的要求。这位来自谢菲尔德郡的工程师宣称,他可以制造钢水,而且方法不像日本武士的那么复杂。一场革命就此蓄势待发。
        贝塞麦法非常简单,简直天才到了极点。他把空气灌入熔铁,让空气中的氧和铁里的碳发生化学反应形成二氧化碳,以此把碳带走。这种方法需要有化学知识才想得到,这使得炼钢头一次成为科学事业。此外,氧和碳的化学反应非常剧烈,会释出大量热能,让炉内温度升高,使钢保持滚烫并呈现液态。这套方法直截了当又可以工业量产,正是我们想要的答案。
        贝塞麦法只有一个问题,就是它不管用,至少试过的人都这么说。气愤的钢铁制造商很快开始嚷着退钱,他们向贝塞麦买下使用权,投下大笔资金购买设备,结果血本无归。
        贝塞麦毫无办法。他其实也搞不清楚他的方法为何有时管用,有时无效。不过他还是继续尝试,并且在英国冶金家马希特(Robert Forester Mushet)的协助下努力改良他的方法。贝塞麦的原始步骤是移除碳到残留量正确为止,也就是剩下大约百分之一的碳。但这个做法很危险,因为每家炼钢厂购买的铁矿来源不同。因此,马希特建议先移除全部的碳,然后再把百分之一的碳掺回。这方法管用了,而且可以再现。
        贝塞麦试着推销他的新方法,然而钢铁制造商这回完全不理他,以为这又是骗局一场。他们坚称不可能用铁水炼钢,宣称贝塞麦是大骗子。贝塞麦最后别无选择,只好自己开设炼钢厂。几年后,贝塞麦钢铁公司制造出的钢铁比竞争对手便宜许多,产量更是惊人,逼得对手只好向他购买使用权。从此贝塞麦富甲一方,机器时代也自此正式到来。
        布莱恩会是贝塞麦第二吗?他会不会碰巧发现了一个可以运用磁场或电场重组刀锋晶体结构的方法,虽然他不知其所以然,但却非常管用呢? 毕竟我们听过太多嘲笑先知,结果却自取其辱的故事。许多人都笑说,比空气重的机器怎么可能在天上飞,但我们现在都搭飞机到处跑。电视、手机和计算机的构想也都曾遭人奚落。

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