发信人: emacs (In the Name of Love), 信区: Science
标 题: 元素·金属·铁和钢
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年08月03日12:52:22 星期六), 站内信件
金属
在周期表中大部分元素都是金属。事实上，102种元素中，
只有大约20种可明确地看成非金属。然而，在人类历史上，金属
的使用却比较迟。其中一个原因是除了少数金属外，金属在自然
界都与其他元素结合成化合物，而且不容易辨认与提取。原始人
起初只使用那些经过简单加工，如刻、削、砍和磨，就能使用的
材料。这样他们的材料只限于兽骨、石块和木头。
最初，人们可能是通过发现陨石、小块黄金或含有铜矿的石
头在燃烧后的灰烬中留下的金属铜，才认识了金属。无论是哪一
种情况，好奇（或幸运）的人们发现这些陌生的新物质，研究使
用它们的方法，发现它们有许多优点。金属不同于岩石，当磨光
时，它有吸引人的光泽。它可打成薄片和拉成丝，还可以被熔化，
灌入模子中凝固。它比岩石漂亮多了，可塑性较强，适于作装饰
品。很可能
远在金属得到其他应用以前它们就已经被用来铸成装饰品了。
因为金属稀有而且吸引人，又不会随着时间而改变，所以这
些金属在它们变成公认的交换媒介之前就已被当作珍贵的东西以
物易物了。起初一块块的金属（金、银或铜）在买卖交易上，必
须分开称重。但到了公元前700年，在小亚细亚的赖狄亚王国和
爱琴海上的厄吉那岛，发行了一种铸有官方政府标记且具标准重
量的金属，这就是沿用至今的硬币。
发现有些金属可做成比石头更锐利的切削工具，即使用来砍
毁石斧砍不动的东西仍能保持锋刃后，全属才站住了脚。此外，
金属很坚韧，你使用力打击，木棍或石斧破裂了，类似大小的金
属物体却只稍微变形。这些优点，大大补偿了金属比石头重且较
难得到的缺点。
较大量得到的第一种金属是铜。这种金属在公元前 4000年
就已被使用了。铜本身制成的武器或铠甲太软（尽管它能制成美
丽的装饰），但发现它通常与少量砷或锑形成的合金却比纯金属
还硬。在铜矿样品中，且发现含有锡。铜—锡合金（青铜）对做
武器是足够硬的。人们很快就学会有意地往铜里加锡。大约公元
前3000年在埃及与西亚，和公元前200O年的东南欧。青铜时代取
代了石器时代。荷马史诗中的《伊利亚特》和《奥德赛》成为这
时期文化的纪念。
很早以前人们就知道铁和青铜一样，但在一段很长的时间内，
陨石是它惟一的来源。直到发现了冶炼铁矿的方法可大量获得生
铁后，铁才不再是一种贵重的金属。困难在于怎样处理足够热的
炉火，怎样用适当的方法把碳加入铁中、以及怎样使它变得更坚
硬成为现在所谓的钢。约在公元前1400年，于小亚细亚的某处首
先出现了熔铁技术，后来才慢慢发展传播开来。
因为用铁铸成的剑可以砍断青铜制品，所以一个以铁器武装
的军队可以击溃以青铜器武装的军队、小亚细亚的赫梯族首先在
某种程度上使用铁制武器，曾统治西亚较长一段时间。在公元前
800年，亚述人才继之而起。他们有完全使用铁制武器的部队，
统治西亚、埃及长达两个半世纪。大约在同时，多利安人入侵希
腊，打败抱住青铜武器不放的阿凯亚人，把铁器传入欧洲。
铁和钢
铁基本上是由铁矿（通常是二氧化二铁）和碳加热而得到的。
碳原子夺去三氧化二铁中的氧，而留下块状的纯铁。在古代所用
的温度不足以使铁熔化，因此产品是一种坚韧而可借助锤击做成
所需形状的金属——这就是熟铁。在中世纪才大规模炼铁。当时
使用了一种专门的炉子得到较高的熔化铁的温度。这种熔融的铁，
可灌入模子，形成铸体，又称铸铁。它比熟铁更便宜也更硬，但
它很脆不能锤击。这两种铁需要量的增加，导致大规模森林的砍
伐，例如英国就曾把它的森林消耗在炼铁炉里。1780年，英国铁
匠达比指出，焦炭（碳化了的煤）效果与木炭（碳化了的木材）
一样好，甚至更好。在这方面减轻了对森林的压力，从而开始了
长达一个多世纪的煤为主要能源的时期。
迟至18世纪，多亏法国物理学家列奥米尔，化学家们才认识
到，原来是碳的含量支配着铁的韧度和硬度。要增强这些性质，
碳的含量应该在0．2％～1．5％之间，于是制成了钢。钢的硬度、
韧度一般都比铸铁或熟铁强。但是，直到19世纪中期，才能借助
小心增加适量的碳到熟铁（它本身比较贵）中这种繁杂的过程制
造出高品质的钢。因此，钢仍然是一种奢侈的金属，只能用在不
能找到代替品的地方——如剑和弹簧等。
英国工程师贝色麦引进了钢的时代。起初他对大炮和射弹很
有兴趣。为了使大炮能射得更远、更准确，他发明了膛线系统。
法国拿破仑三世对此也相当有兴趣，并且提供了进一步实验的经
费。但是后来一位法国炮兵指出，贝色麦所构想的膛线系统会损
毁当时所使用的铸铁大炮。贝色麦很懊恼，便转而研究如何生产
更高强度铁的问题。他完全不懂冶金学，因此带着一种很好奇的
心理来接触这个问题。由于铸铁的碳含量关系，所以是脆的。因
此，问题在于如何来减低碳的含量。
为什么不能使用边熔化铁边送气的方法把碳燃烧掉呢？乍看
起来，这似乎是个非常荒谬的观念。吹空气难道不会使熔融的金
属冷却面凝固吗？贝色麦努力以各种方式去尝试，发现实际上完
全相反。当空气使碳燃烧时，燃烧放出热量，铁的温度会上升，
而不是下降。假如这样，碳就恰好烧掉了。通过适当地控制，可
以制造出大量的钢，价格也较便宜。
1856年，贝色麦公布了他的鼓风炉。铁匠们都兴致盎然地采
用这种方法。后来他们发现这样只能生产次等钢，就很生气地放
弃了它。贝色麦发现工业用的铁矿中含有磷（而磷在他自己的矿
石样品中是没有的）。虽然贝色麦向铁匠们解释是磷辜负了他们，
但他们仍拒绝再次受骗。因此，贝色麦只好借钱，然后在设菲尔
德建立自己的钢铁工厂。他从瑞典进口不含磷的铁矿，快速生产
钢，再以低于其他铁匠的价钱出售。
1875年，英国冶金学家托马斯发现，在鼓风炉里村以石灰石
和镁氧，便可容易地把磷从熔融的铁中除去。此后，几乎任何铁
矿均能用来炼钢。1868年，德国出生的英国发明家西门子研究出
乎护法，在平炉里将生铁与铁矿一起加热，这种过程也能够控制
磷的含量。
于是人类进入了钢铁时代，钢铁时代不再只是说说而且。若
没有钢，摩天大楼、吊桥、大船、铁路和许多其他现代建筑物的
建造几乎是不可思议的。尽管其他金属不断增加，但在许多日常
用途中，从汽车车身到刀子，钢仍被认为是较好的金属。
（认为任何个别的进展都能导致人类生活方式发生巨大的改
变是错误的，这种改变总是全部彼此有关的进展相互结合的结果。
例如，如果没有常见的电梯装置，世界上所有的钢也不能建成实
用的摩天大楼。1861年美国发明家奥蒂斯取得一种水压电梯的专
利。1889年，他创办的公司在纽约商业大楼内装置了第一座电动
电梯。）
由于钢廉价又平常，因此有可能进行往钢里加入其他金属
(合金钢）的实验，看是否还能进一步改进。英国的冶金学家哈
德菲尔德首先开创了这个研究方向，他于1882年发现把锰加入钢
达到13％的含量，可制成一种较硬的合金。它可以用来制造于粗
活的机器，如碎石机。1900年又发现一种含钨和铬的合金，在高
温下，甚至炽热时，仍保持它的硬度。这种合金成为高速机床有
用的东西。现今，有无数像铝、镍、钴和钡一类金属的其他合金
钢供特殊工作使用。
钢的主要困难是容易腐蚀——铁还原成原矿石状态的过程。
防止该现象的方法之一是将金属涂上或镀上一层不易被腐蚀的金
属——如镍、铬、钢和锡。最有效的方法是制造一种不腐蚀的合
金。
1913年，英国冶金学家布里尔利意外地发现了这种合金。他
本来想寻找一种适合做枪身的钢合金。在他认为不太适合而抛弃
的样品中有一种镍铬合金，几个月后，他偶然发现，在这堆废料
堆里，这些特殊的合金块明亮如前，而其余的都生锈了。不锈钢
就是这样诞生的。它用在大规模的构件中太软太贵，但极适合于
刃具和小工具那些防锈比硬度更重要的地方。
全世界每年大约要花上10亿美元来防止铁和钢的腐蚀，但并
不大成功。因此，人们在继续不断地寻找一种普遍的防锈剂。一
种值得注意的最近发现是高锝酸盐（含有锝的化合物），可防止
铁生锈。当然。这种稀有的人造元素绝对不够用在相当大的规模
上，但是它提供了非常宝贵的研究工具。它的放射性使化学家能
跟踪它的结局，并观察它在铁表面上发生的情况。
铁最有用的一个性质是它的强大的铁磁性。铁本身是软磁体
循一个实例。它在电场或磁场的感应下容易被磁化——也就是它
的磁畴（见第五章《大气》）容易排列整齐。当磁场移去时，它
容易退磁，其磁畴再变成混乱的排列。这种易去磁性的性质是可
以利用的，像在电磁铁中，电磁铁的铁心通电时容易被磁化，而
断电时也应该容易退磁。
自从第二次世界大战以来，已经研制出一种新品种的软铁磁
体，就是铁氧体。例如，镍铁氧体（NiFe2O4）和锰铁氧体
（MnFe2Q4），它们用作计算机中各种容易磁化和迅速退磁的元
件。
硬磁体的磁畴不易排齐取向，但一旦排齐，则有磁性，而且
可以保持一段长时间。各式各样的钢合金是最常见的例子。但是
强的硬磁体已在含有少量铁或不含铁的合金中发现。最著名的例
子是1931年发现的吕臬古（alnico），它主要是由铝、镍、钴再
加一点钢制成的（英文名称取自各物质前面的两个字母）。
在20世纪50年代提出了用铁粉做成磁铁的技术。这些铁粉非
常细小，以致可形成许多单个的小磁畴。可以让这些破畴在熔融
的塑料中定向，然后使塑料固化，磁畴的定向排列便保留下来。
这样的塑料磁铁非常容易成形塑造，而且强度相当好。
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