钢铁的历史_参考网

钢铁的历史

2019-12-13邵峰

大自然探索 2019年10期

邵峰

图坦卡蒙的天铁匕首

在人类还无法利用铁矿石前，唯一可用的铁来自太空。1925年，英国考古学家霍华德·卡特在少年法老图坦卡蒙的一个墓葬中发现了一把黄金匕首和一把铁匕首。奇怪的是铁匕首上没有任何锈迹，这让考古学家十分疑惑。2016年，在X射线成像的帮助下，科学家发现铁匕首中含有较高比例的镍，这是典型的陨铁特征。而且，一块发现于距离墓穴以西200多千米的红海沿岸的陨石，拥有和制成匕首的钢近似的铁、镍和钴比例，这让匕首由陨铁制成的可能性大大提高。陨石中的镍能形成防锈的氧化膜，钴能增加抗磨损性。其实，使用陨铁制作武器的不止古埃及人，非洲努比亚的纳马夸兰人会收集掉落在纳米比亚吉丙地上的吉丙陨铁碎片，用于制作武器和工具。

铁器时代

来源很少而且极不稳定的陨铁并不能满足人们对金属制品的需求。渐渐地，人类发现一些矿石在高温下可以转化为金属。但是每种金属的熔点不同。常规条件下，木炭火焰的温度最高可达1200°C，足以冶炼熔点为1085℃的铜，但无法达到铁1538°C的熔点。因此，人类最初大量使用的金属是铜。3300多年前，地处黑海和地中海之间的赫梯王国率先掌握了铁器制造技术。黑海沿岸丰富的露天铁砂资源为赫梯人提供了充足的铁矿石来源。接下来，炼铁技术逐渐传入两河流域和古埃及。3200多年前，铁器在地中海沿岸国家普及，标志着人类进入了铁器时代。

铁器比铜器韧性更好，硬度更大。在当时的战场上，铁制武器的性能远胜铜制武器。3100多年前，手执铁刃的多里安入入侵古希腊历史上著名的迈锡尼城。包括特洛伊在内的许多希腊古城被毁，希腊的贸易路线消失，人口减少，物资匮乏。一些历史学家认为，贸易中断让地中海地区一度陷入铜矿石和锡矿石短缺，这导致地中海大部分地区完全弃铜用铁。此外，地球上铁矿石的储量比铜矿石大得多，并且全世界各处几乎都能找到可以利用的铁矿石，这是铁器取代铜器的另一个重要原因。但在铁器时代早期，炉温还不足以将铁矿石完全液化，因此最后得到的是表面多孔的海绵铁。

中国在2600多年前的春秋时期就已经比较成熟地掌握了炼铁技术，并将铁器运用到生产和生活中。战国中期时，铁制品数量逐渐增多。从西汉起，制铁技术在中国进一步传播。东汉时期，铁器几乎完全取代了铜器。

乌兹钢传奇

从铁制品到钢制品的转变，大大推进了人类文明的进步。钢是一类含碳量小于296的铁碳合金，其中也可以含有镍、钴和锰等其他金属。人类首次大规模炼钢始于2400多年前，印度南部铁匠发明了一种独特的坩埚熔炼法：用陶土制成坩埚，在其中放入小块的锻铁和木炭，并放入一定量的桂皮和树叶。然后，用黏土把坩埚密封好，并置于高炉中。接下来，铁匠们从高炉下方鼓入空气，锻铁受热熔化并吸收木炭中的碳元素。最后，待到坩埚完全冷却后，铁匠将坩埚从高炉中取出，去除黏土并取出已经冷却成块的成品乌兹钢锭（高碳钢）。得益于印度南部优质的铁矿石，乌兹钢具有媲美现代钨合金钢的硬度，同时具有良好的韧性。

乌兹钢经由贸易路线被运往世界各个角落。叙利亚大马士革的铁匠用乌兹钢锭打造成大名鼎鼎的大马士革钢剑，能斩断空中飘舞的丝巾或羽毛。今天，在显微镜下，人们看到大马士革剑的刃口有许多微型锯齿结构，这些锯齿赋予了大马士革剑极强的切割性能。乌兹钢锭甚至被阿比西尼亚商人运送到罗马古城托莱多，被用于打造性能优异的佩剑。不过，狡猾的阿比西尼亚商人不愿意透露乌兹钢的真正产地，故意误导罗马人，說钢锭来自“赛里斯”（拉丁词，意为“中国”）。

英国传说中，亚瑟王从湖中女妖手上获得了一把能斩断任何钢铁的“王者之剑”。不过，传说毕竟是传说。整个中世纪欧洲的钢铁制品质量一直处于相对落后的水平。即便是大名鼎鼎的维京艾斯博特剑，也依赖印度乌兹钢。公元5世纪，西罗马帝国瓦解，欧洲陷入混乱。同时期的印度并没有停止生产乌兹钢，但这种优质钢材从印度被运送到欧洲的一路上却充满了风险：商人们要长途跋涉，经常遭遇强盗伏击不说，一路上还容易感染各种疾病。为了摆脱对乌兹钢的过度依赖，西班牙加泰罗尼亚的铁匠开发出了一些类似印度熔炉的“加泰罗炉”，能够用于大量生产锻铁。加泰罗尼亚的骑士们手中挥舞的是一种特制剑，由条铁经扭曲、锻造而成，这种特殊工艺会在武器表面留下特殊的编织样图案，就好像由乌兹钢制成的刀剑纹样。

明代《明会典》中记载了一组有趣的数据：“日本国附进刀剑每把钞三贯”“镔铁大刀每把绢五匹”“大绢一匹值钞百贯”。照此计算，当时产自西域的镔铁大刀价格是日本刀的166倍。这里的镔铁大刀很可能就是大马士革刀。唐贞观年间，生于疏勒国（今中国喀什，疏勒国是丝绸之路的重要交汇点）的慧琳和尚编写的《一切经音义》记载：镔铁“以诸铁和合”，也就是说镔铁大刀可能是用多种铁经锻焊（将两片以上金属加热后锻打，使其融为一体）而成。

热处理调理钢材

当钢中的碳含量超过0.396时，硬度就会逐渐上升，但同时脆性也会渐渐增加，变得难以加工。在今天，为了得到硬度高且韧性强的钢材，人们会先将含碳量超过0.396的钢材加热到850～900℃，然后放入水中淬火（快速降温）。经过这道工艺后，钢变得更硬、更脆。接下来，将淬火后的钢重新加热到350～500℃，这个过程叫回火，能够提高钢材的韧性。最后，就能得到即硬又不容易断裂的钢。

热处理技术起源于何时？中国战国时期的普通士兵用剑有经过淬火处理的痕跡。著名的日本刀的制作过程需要经历“覆土烧刃”的局部热处理：制刀匠先用泥土包裹住刀身和刀脊等不需要高硬度的区域，然后再将刀放在炉中加热并淬火。这样不但可以只提高刀刃硬度，让其他部位保持韧性，还能赋予刀弯曲的外形。“覆土烧刃”是日本在唐朝时引进的热处理技术。值得一提的是，日本刀一般采用3层钢经多次折叠锻打制成，这也是来源于唐朝的“包钢法”。

费时费力的渗碳工艺

锻铁含碳量低于0.3%但经过渗碳提高碳含量可成为渗碳钢。中世纪的欧洲铁匠炼钢时，会在密闭窑炉内放入锻铁和木炭。在高温下，木炭中的碳元素融入锻铁表面，并留下气孔，所以这种渗碳钢也被称为“泡钢”。

渗碳钢工艺传遍了欧洲的各个角落，当时的欧洲最好的渗碳钢一定是用瑞典产的锻铁制造的。锻铁在渗碳、捶打、再渗碳的过程中，硬度和机械性能都会提高。一些欧洲铁匠会将渗碳和捶打过程反复进行约20次，最后钢剑还要进行局部热处理。在中世纪的英国，一把经过热处理的渗碳钢剑，其售价至少相当于一个雇农120天的收入。也因为如此，渗碳钢在当时被视为一种珍贵的金属材料。

炼钢技术的进步

进入近代，钢材逐渐从稀有的武器原料转变为寻常的工业原料。在这场转变过程中，英国人亨利·贝塞麦于1855年发明的贝塞麦法贡献巨大。用这种方法生产钢材，不需要耗时耗燃料的渗碳过程，只需要将熔化的铁水倒入转炉，并泵入高压空气，让铁水中的硅、锰、碳等杂质发生氧化反应。氧化反应放出的热量迅速将炉温提高，不需要焦炭等燃料。用贝塞麦法炼—炉钢只需要0.5小时，不需要复杂的渗碳过程就能得到大量含碳量适中的钢材。这种低成本的高效炼钢法大大地改变了钢铁制造业的面貌。

不过，虽然贝塞麦法大大降低了钢材制造成本，但钢材中的杂质磷始终让制钢企业十分头疼。钢材中的磷会让钢材出现冷脆现象，因而会大大降低钢材在低温时的可加工性和抗冲击性。1879年，英国人西德尼·托马斯和他的堂兄吉尔克里斯特·托马斯一同解决了这个难题。他们用碱性的石灰石吸收铁中的磷，形成炉渣排出。同时，两人大胆地将以往的酸性转炉衬底也改为碱性衬底，防止碱性炉渣侵蚀炉壁，杜绝了磷回到钢水中的可能性。19世纪80年代，钢材质量开始逐渐稳定，这为钢结构建筑的出现奠定了基础。

钢结构和轻钢结构建筑

1871年，美国芝加哥大火摧毁了数千座木结构建筑。火灾发生后，芝加哥政府颁布了更严格的建筑法规，要求新修建筑必须采用砖、石、大理石和石灰石等不可燃材料。随着城市人口越来越多，有限的城市空间渐渐不够用了，城市建筑向空中发展的需求越来越迫切。1885年，全世界第一栋钢筋混凝土结构的建筑首次出现在芝加哥。这座10层楼高的保险大厦的总重量仅为同等规模砖结构建筑的1/3。从此，越来越多的钢筋混凝土的高层建筑在世界各地竖立起来。

而今，越来越多的建筑开始采用轻钢龙骨结构。轻钢建筑的理念源于1849年全钢结构房屋的诞生。当时加利福尼亚州的大小金矿吸引全世界的淘金者前来。矿区附近人口数量猛增，需要新修大量住宅，可建造木结构建筑很费时费工。因此，一位名叫皮特·内勒的屋项维修工看到了商机，他在矿区四处张贴广告传单，出售全钢结构房屋——只需不到一天就能安装完成并入住。内勒的运气很好，因为他同时遇到了“冷弯型钢”技术研发成功和加州淘金热。所谓“冷弯”，顾名思义，就是指钢材可以在常温状态下被弯折塑形。这种工艺具有加工工艺简单、材料浪费少、施工周期短等优点。

1933年，芝加哥举办的世界博览会上出现了一栋完全钢结构的“未来之家”。20世纪40年代，一家名为“鲁斯特隆住宅”的轻钢建筑公司售出了约2500栋全钢建筑，每栋房屋用钢量为10～12吨。这些全钢制建筑不但框架结构是钢，连屋顶、建筑外蒙皮、天花板、内墙，甚至所有柜、桌、椅等家具都由钢制成。这些建筑中不少依然保留到了今天。

鲁斯特隆全钢住宅主体框架钢板厚度为5毫米，今天同样的低层轻钢结构建筑的承重钢板厚度可以控制在0.8～2毫米。经过冷轧处理的热镀锌钢板被弯折成c型龙骨，外形就像搭建木结构房屋的方木条，其最大屈服强度可达550兆帕。所谓屈服强度，就是钢材发生无法恢复的形变前，能够承受的最大压强。轻钢龙骨的屈服强度介于远洋货轮所用钢板和航母飞行甲板之间。2019年，央视《走近科学》栏目做了一次轻钢承重实验：在3根长6米、总重100千克的轻钢梁上放上将近10吨的重物，轻钢梁只在中央最薄弱处产生轻微形变。重物被撤走后，轻钢梁恢复到了原始形状。

汽车制造业不断挑战钢铁极限

进入20世纪，钢材成为汽车制造业最重要的原材料。汽车应具备很好的可靠性和耐用性，因此防锈很重要。20世纪70年代，汽车钢板加工工艺十分简单，只是冷轧蝴涂漆。许多新车几年后就出现大面积锈蚀，严重威胁驾驶安全。进入20世纪90年代后，汽车制造商开始使用双面镀锌钢板制造汽车。从此以后，新生产的汽车终于不太容易生锈了。汽车制造业使用镀锌板的同时，还要保持汽车的“A级曲面，”这是很有挑战性的。所谓A级曲面，指的是相邻曲面之间的过渡高度连续、光滑。为了实现这个目标，汽车制造商优化了钢板控制点分布和涂装等一系列工艺。

在汽车制造领域，钢材的抗冲击性更为重要。2018年，美国高速公路安全协会进行了一场别开生面的碰撞试验：—辆2009年生产的轿车以64千米/时的速度与一辆静止的1959年产的轿车4傩重叠正面相撞，两辆轿车属同一品牌。结果是1959年产的轿车驾驶室几乎全毁，而2009年产的轿车驾驶室几乎没有变形，原因主要是2009年产的轿车车架结构中使用了高强度钢、先进高强度钢，甚至是超高强度钢。

为了提高装配精度，从20世纪90年代末起，全球车企开始研发如何让钢材在化学特性、厚度和形状等指标上更一致：薄板坯连铸机能让钢液快速形成薄板，真空脱气机解决了钢板中氮、氢杂质引起的冷脆等问题，数控轧饥大大提高了钢板成型精度……不仅如此，各国政府日益严格的排放标准也不断催促车企提升燃油经济性。这就要求车企使用更轻钢材的同时，还要提供同等甚至更高的安全性。

钢铁被誉为—个国家工业发展的骨架。任何一个国家的工业化发展都离不开钢铁。钢铁伴随了人类3000多年，在可预见的未来，钢铁还将继续充当文明发展的骨架。

（责任编辑王川）

钢铁金相组织

同样是钢为什么有些非常硬而脆，而有些相对较柔软、易于加工？在电子显微镜下，可以看到不同的钢铁金相组织，它们可以通过热处理手段获得。以下是几种常见的钢铁金相组织。

铁素体：相对纯净的铁，含有少量碳，柔软且易于成形。铁素体赋予钢以磁性。

渗碳体：具有更多碳（有时是其他元素），非常坚硬且易碎，有类似陶瓷材料的特性。

珠光体：由交替的铁素体和渗碳体层组成的混合物，在显微镜下看起来像珍珠（因此称为“珠光体”）。珠光体强度较高，硬度适中，有一定的塑性。

奥氏体：钢中存在的铁和碳的合金，加热到高温时获得。强度和硬度比铁素体高，塑性和韧性良好。

马氏体：与铁素体相似但硬度更大，不过马氏体塑性很差，几乎不能承受冲击。

德里铁柱

位于印度首都新德里的一座寺庙废墟前，一根铁柱已经矗立了1600多年。根据碑文上的布拉赫米文字，人们知道这根铁柱是为了纪念印度教中的毗湿奴神。铁柱高约7.3米，重约6.5吨，由含铁量98%的锻铁制成，至今几乎没有任何锈蚀。最近，科学家才发现，铁柱外表上由铁、氧和氢构成的薄膜阻止了铁柱生锈。这层薄膜从铁柱竖立后的三年内开始形成。它的形成十分缓慢：1600多年过去了，其厚度只有2毫米。铁柱中的铁板含有1%的磷。在磷的催化作用下，铁柱的表面形成了一层保护层。此外，信众也经常为铁柱涂亚麻籽油和羊脂防锈。