第2节

金属材料的发展

通过开发由金属制成的工具，人类开始从石器时代向前迈进。通过一系列试验、机缘巧合、新型矿石的出现以及加热或分离其中金属的方法，几千年来，冶金学一直在稳步发展。理论物理学家可能会认为这是纯粹的经验进步。的确如此，但实际上，面对如此复杂的问题，这也是唯一有效的途径。在石器时代，人们用火熔化矿物，从中分离出少量的金属。可能还有人在极少数情况下发现了金属陨石。认识了这些新材料后，人们需要进行实验将它们分离并加以利用。最初发现的金属可能包括铜、金、铁、锡等，但人们很快发现，将各种金属混合制成合金，用不同的方式对它们进行加热和冷却，都能对其特性产生重大的影响。从此我们走上了现代冶金之路。据了解，至少在6000年前，人类就可以用金属铸造完整的物体（例如在美索不达米亚出现的铜青蛙铸件）。同样，2000年前，青铜铸造已经很普遍。在冶炼青铜和钢时，我们并未改变纯粹务实的试错方法，但是到了21世纪，我们对科学已经有了充分的理解，可以用计算机预测哪些材料能够相互结合。现在我们也知道，如果改变常见金属的缺陷结构，或者在极端情况下，将单晶体与金属混合，那么由常见金属构成的薄片的强度就能得到提升。这是一个巨大的挑战，但它现在能够应用在航空航天工业中了。

航空发动机涡轮叶片的极端工作条件对材料的要求远高于普通材料。燃烧的气体环境温度可能高达1700摄氏度，涡轮轴转速达到12000转/分。在如此极端的条件下，叶片必须包含冷却通道（此处的冷却是指将温度降至大约1150摄氏度）。由镍/铝合金制成的单晶体叶片能够经受住这样的考验，但普通的多晶材料则做不到这一点。这是对石器时代用火技术的一次极端演变，只有对金属的缺陷结构和缺陷有充分的了解，才有可能实现这样的发展。

早期的青铜制造

人们将在地表发现的大块矿石（即未经任何开采）放在火上加热，由此发现的第一种金属是铜。铜是一种理想的原料，将其从原始矿物中分离出来后，人们可以发现，它的质地非常柔软，易于成形，因此它可能是人类最早进行加工的金属。它的硬度比不上燧石，但人们可以更加精细地塑造其形状，并将其敲打成各种类型的器具，如盘子或碗，这是燧石无法做到的。

铜是一种柔软的金属，但加入一定量的锡可以制成一种更加坚硬的合金，称为青铜。目前出土的最早的青铜工具距今大约有6000年的历史，对我来说，这是一个非常令人惊讶的发展。除了伊朗或泰国的少数地方外，铜矿和锡矿通常不会在同一地点共生。因此，现在看来，一些最古老的青铜器来自伊朗就不足为奇了。这种偶然的金属组合可能会让人们开始有意识地进行尝试，在铜矿石熔化阶段加入其他矿石来提高铜的硬度。我们可以单独将铜矿石和锡矿石混合，尝试不同的混合比例，从而形成硬度最佳的合金。从熔化金属的火或熔炉的温度来说，金属混合也有一定的好处。纯铜的熔点是1085摄氏度，但更柔软的锡的熔点要低得多，只有232摄氏度（这是它可用于焊接的原因之一）。重要的是，铜/锡青铜合金的熔点比纯铜的熔点低100摄氏度以上。较低的熔点恰好适合早期的熔炉技术。锡的含量越高，熔点下降的比例就越大，但锡的含量过多，合金的强度就会降低，所以10%的锡含量通常是极限值。青铜的发展引发了利润丰厚的锡贸易，例如将锡矿石从很远的地方［如英国康沃尔（Cornwall）等地］运送到青铜制造地，以及利用康沃尔的铜矿在当地制造青铜。对国际贸易而言，锡矿的运输优先于铜矿，因为在青铜中，铜的含量约占90%，而锡仅占10%。

与石头制品相比，早期的青铜制品更易于控制形状，但它也体现出“文明”的进步存在一些严重的缺点。图1.3展示的是一件中国的青铜制品，但青铜冶铸技术的应用不再仅是为了提高狩猎效率，而是为战争所用的武器奠定基础。不幸的是，随着相关技术的进步，世界各地都出现了类似的趋势。

图1.3 出土于中国的青铜时代早期青铜剑

合金中原子排列的特点

不同的金属熔化混合后形成的混合物都可以称为合金。由于成分和热处理方面的差异，它们的缺陷结构有所不同，特性也随之变化。对于铜/锡合金而言，溶解于铜中的锡的含量会显著影响金属中不同类型原子的排列。原子排列的不同方式称为“相”（phase）。我们可能难以理解固体中存在不同的原子排列方式，但我们可以通过水看到更加明显和熟悉的相变。水有固、液、气三相。了解特定相的具体结构需要借助X射线晶体学等技术，而这项技术直到120年前才得以实现。在固体中，原子有多种排列方式。假设将10%的金属A添加到主体金属B中，可以得到这样的排列：一行B原子中，每隔9个B原子有一个A原子。我想强调材料缺陷与人的缺陷之间的类比，所以我们可以想象，孤立的A原子可能会感到孤独，所以我更希望让A原子成对地排列在一起，一个A原子对与下一个A原子对之间相隔18个B原子。我们都有类似的体验，比如一个房间内有两位男士和18位女士。那么这两位男士可能会坐在一起，而不是随意落座。

9个B原子后跟一个A原子，然后再跟9个B原子，或者18个B原子后跟一对A原子，这两种情况就是由A原子与B原子组成合金的两种相。显然，人们可以想到各种各样的变体，每一种变体都会导致特性的细微差异。在铜中加入10%的锡，实际上会出现三种明显不同的原子排列方式。在室温到350摄氏度之间，原子稳定排列，温度上升至大约800摄氏度时变为第二个相，最后，温度上升至熔点时，出现第三种原子排列方式。

采用现代技术对加入铜中的锡（含量从0至100%）进行详细分析，这是非常复杂的过程。在室温到熔点之间有大约26个稳定且不同的相。此外，还有不稳定的相（称为亚稳相），它们会随时间变化，或者在一定的诱因下改变结构。对现代冶金学家来说，要理解这样的复杂性极其困难，对青铜时代的金属工匠来说，这种认识实属不可能，也不重要。

在缓慢加热或冷却几种金属，将其铸成合金的过程中，原子系统将在各相之间稳定切换，但如果材料的冷却速度非常快，可能会将高温相冻结在材料中。在烹饪中，与亚稳相类似的情况是一种烘烤而成的阿拉斯加甜点，快速烘烤外层的蛋白酥皮，而其内部的冰激凌仍然处于冷冻状态。对许多材料来说，被困住的相可能会产生令人惊讶的结果，因为它们具有不同的机械特性。传闻，在拿破仑出于经济目的攻打俄国时，法国军队下层士兵的衣服使用了锡合金纽扣，而不是常见的黄铜纽扣。俄国的冬天特别冷，据说锡合金发生了相变，纽扣碎裂。事实上，锡的再结晶温度仅为零下4摄氏度。因此，在俄国的冬季，法国军官们使用的黄铜纽扣仍然可以扣紧衣服，但锡合金很可能会变成粉末，让法国士兵的身体暴露在寒冷的空气中。

现代的青铜，比如用于制造硬币和弹簧的青铜，其中的锡含量较低。青铜制品与我们当前流行的工艺材料有关。铜和锌混合而成的合金实际上也属于青铜，只是其中10%的锡被锌取代，形成了另一种颜色的新合金，我们称之为黄铜。

砷和铜也能形成一种青铜，只是普及度似乎较低，但人们在“死海古卷” 中也发现了砷青铜器皿。砷青铜没有流行起来，可能是因为它的制造更加困难，或者是因砷合金的制造会产生大量有毒蒸气，导致青铜工匠英年早逝，因此砷青铜的制造工艺无法实现家族传承。

在许多方面，青铜比铁好得多，因为它具有与铁相似的硬度和密度，同时具备一项真正的优势。将青铜暴露在空气中，会产生一层氧化物（加上其他化学物质），这层氧化物起到保护涂层的作用。相比之下，铁表面的铁锈会继续生长和渗透，使物体变得更加脆弱。从某种程度上来说，我们的语言也接受了这一点，因为青铜表面形成的物质被命名为“铜绿”，它被视为一种理想的装饰性特征，而铁表面的“铁锈”只被视为一种负面因素和问题。究竟是审美观还是实用性决定了这些语言差异，对此我们尚不清楚。

一些历史学家认为，青铜时代被铁器时代取代，并非因为冶金上的进步，而是因为大约3000年前锡的价格上涨。铁制品成为主流以后，开启了铁合金的发展，从而出现了一系列比青铜更加便宜的钢铁，并最终在性能上超越了青铜。

初窥钢铁

人们有一种自负的心理，总是倾向于认为铁器时代是一个非常原始和经验主义的时代，而现代钢铁工业则以深厚的科学知识为基础。这并不完全正确。事实是，钢铁经历了4000年的稳步发展，在这个过程中，我们不断尝试新的合金成分、不同的熔化和硬化热处理，并用一些非常精细的设备研究钢的晶体结构中元素的组成和晶格排列。这种具有巨大实用价值、商业价值和军事应用价值的材料不断进步，带动了铸铁、高强度钢和不锈钢的生产取得新的进展，此外航空航天和军事中使用的许多强度极高、质量极轻的奇特金属合金也取得了突破。冶金是非常困难的。但这是一门备受推崇的科学，有教科书专门描述金属晶粒的结构和成分，合金形成的理论模型，以及促成新合金生产的大量数据。冶金的成果离不开知识与研发，但知识与研发完全基于根据经验的杂质添加和热处理，只不过它们需要接受严格的控制和执行。即使对我们所制作的东西进行详细分析，也不意味着我们就能完全了解发生了什么。我有一个老朋友，年轻时曾在一家钢材厂工作，工人们会在熔炉颜色发生视觉变化时加入生材来调整钢的碳平衡。同样，温度测量依靠的是技巧和直觉，而不是精密仪器。仪器和在线分析技术已有所改进，但现代钢铁生产仍然依赖于经验与杂质控制，而不是对工艺的全面了解。由于变量众多，这种情况不会发生彻底的改变。

武士刀的利刃

虽然我们对技术进步的理解还不全面，但实事求是地说，进步是所有技术的固有特点。虽然剑有多种形式，但剑的具体用法以及可用材料决定了它们的形状与尺寸。罗马人使用短剑，因为他们可以制造这种短剑。在与身穿铠甲的对手作战时，需要一把带有利刃的重型长剑，而在街头格斗时，则普遍使用尖头短剑或轻巧细长的双刃剑。武士刀有一定的弧度（这是由其制法导致的），但事实上，这样的形状更加理想，在实战方面也比直剑更优越。在击打时，刀身曲线的中心与打击的中心相吻合，会产生更大的压力，切口更深，随着刀身弧度的不断改良，这种优势也保持了下来。

有人认为这种久经考验的形状是骑兵和步兵的理想选择。从军刀到廓尔喀弯刀、短弯刀（中东地区）、塔瓦弯刀（印度）等刀身弯曲的武器都从弧形设计中获得了优势。然而，英国1908式骑兵剑被陆军委员会设计为直插式，是十分少见的。在骑兵冲锋时，这样的骑兵剑具有很强的穿透力，但骑兵很可能会被拉下马或扭伤手腕。

武士刀的设计很有挑战性，因为它需要足够轻，以便快速挥动，同时又能做出切和刺的动作。这在设计上产生了巨大的冲突，因为最初可用的钢材要么有锋利的边缘，要么非常坚固，在冲击下不易折断，但难以二者兼顾。解决方案是使用复合结构的材料，内核选用坚固的钢材，外层使用硬钢，通过打磨使其锋利。

这是一个复杂的结构，涉及多种金属加工技术，每把刀身的生产时间可能长达六个月，造价不菲。但如果在战斗中用刀剑打了败仗，损失会更大，所以价格不是决定性因素。与许多电影中展现的情况相反，使用武士刀可以快速结束战斗。武士从刀鞘中拔出弯曲的武士刀后，通常只需一次击打，就可以顺利完成一个动作。刀身弯曲的一个主要优点是提高了动作的速度，并且在对手拔出武器之前将其制服。事实上，居合术就是讲求快速出击和一击必杀的剑术。

为了强调问题的复杂性，我将概述制造过程中的关键步骤。如果某种科学看起来很困难，我们也不必灰心。相反，应该惊讶于人们在重重困难和对科学缺乏了解的情况下，仍然取得了成功。知识可以提供帮助，但它只能作为指南。科学家都需要资金支持，因此我们会宣称自己已有深刻的理解，只是需要更多的研究资金，才能充分了解正在发生的事情，然后预测下一步的方向。这是科学家、资助机构和政府之间的博弈，但对于武士刀的制作，恐怕只有最天真的人才会相信他们能完全参透和控制整个过程。相反，科学家能够获得资金，是因为他们有望取得一些进展。特别是在武器方面，人人都认为这符合国家或个人的利益，因此必须支持研究。实际上，武士刀是一个典型的技术进步案例，其中涉及复杂的难题，相关因素超出了我们的理解。

制刀的第一步是确定最佳原料。显然，含有大量杂质的铁质量很差。最佳方法可能是尽量用纯铁制造，然后有控制地加入必要的杂质（这与半导体或光纤的制造过程类似）。对钢材来说，能够使用的纯度最高的铁通常来自铁砂，而不是含有更多污染物的开采矿石。偶尔也可以在铁陨石中找到几乎未经处理的大块铁。事实上，来自陨石的铁会被列入极高的等级。当然，这种源自陨石的铁也用结果支持了这一看法，因为使用这种剑的人会信心倍增，如果对手也知道这一点，可能会更加紧张，最后战败。一般来说，我们拥有控制行动的精神力量，因而能够影响结果。信心和能力之间的联系很复杂，即使在医学领域，相信自己会好转的癌症患者的生存率也明显高于那些对自己丧失信心的患者。

钢的热处理与改进

铁的熔点（1538摄氏度）明显高于铜的熔点（1085摄氏度），因此需要一个能达到该温度且由木炭制成的熔炉。但是，与木炭接触所得的碳含量存在差异，会导致钢铁的强度和性质发生巨大的变化。事实上，熔化铁时所遇到的困难反而带来了好处，因为完全熔化的铁会导致钢的性能下降，这与我们的第一直觉相反。我们必须非常小心，只让铁软化（而不是熔化）。这背后的科学原理是，当铁没有完全熔化时，只有有限的碳能从木炭向铁的内部扩散。有限的碳含量才能生成更高等级的钢。与此同时，氧化铁分解，氧从原料中向外扩散和损失（这也是一个理想的结果）。一般来说，这意味着钢的品质更高。将碳吸收到铁中的化学过程非常复杂，它会因其他杂质而发生变化，并形成各种不同的粒度和组合方式。更令人困惑的是，颗粒内碳含量的百分比也会与颗粒间的碳含量比例不同。因此，控制是一个非常棘手的过程，因为它取决于原材料、温度、熔炉中的背景气体以及在数天软化过程中的严密监控。高碳含量（比如1.5%）的钢非常坚硬，将其打磨锋利，可用作剃刀等工具。低碳含量（比如约0.5%）的钢不适合打磨，但能承受较强的冲击作用。

在高温下加入适量的碳只是解决方案的一部分，因为混合物需要冷却至室温，且冷却熔炉的速度至关重要。这个过程存在诸多变数，现代冶金学家已用复杂的图表证明冷却过程中可能会产生多少种结果和结构相。即使在21世纪，人们可以用计算机控制熔炉，冷却速度依然是一大难题，而早期的日本铸造工人只有经验上的优势。经过熔炉处理后，按照可被敲击的方式，钢分为硬钢和软钢两种类型。这是一项极其乏味的任务，需要加热和锤打才能从矿石中去除残留的炉渣。同时，金属被反复折叠，以促进某些类型的晶体生长。如此数周的努力只是为了制作一把刀。

正如前文所说，武士刀的设计造成了一项冶金上的难题，因为这件武器既要经得住击打，又要足够锋利以便进行切割。就碳含量而言，这两个要求是无法兼顾的。于是人们采取了一个充满智慧和创造性的方法，即在硬钢中留出一条通道，用韧性更高的低碳钢来填充。然后在外层涂上黏土，为下一个加热阶段提供保护。即使在这个阶段也需要技巧，因为锋利的刀刃处只薄薄地涂一层黏土。这一阶段后会产生两个结果：第一是当刀刃最后被抛光和打磨时，由于前面的折叠步骤，它会形成波浪形图案；第二个特征不太明显（即使对现代物理学家来说也是如此），但它意味着最后快速冷却所产生的组织应力导致刀身弯曲。这一步成功即可带来最终的理想结果，但刀身的弯曲往往会导致灾难性的后果，即刀片碎裂。日本的刀匠可能会用一个词来形容这类事件，但我相信这个词语肯定不适合刊印出来。

我们需要认识到，这些技术是在1000年前开发的，因此它是一项了不起的成就。我们可能会认为，只有日本的刀匠才具备这样的技能，但在挪威的贝奥武夫（Beowulf） 传说中，他所使用的剑刃上也有蛇形图案（就像日本武士刀上的图案）。贝奥武夫的年代更早，这个人物形象大约从6世纪开始出现，所以当时可能存在某些相同的制剑技术，只是后来失传了。现代技术或许能保证更高的一致性，但我们仍然不了解其中的细节。整个过程完全由杂质、一系列铁碳晶体材料、它们的粒度分布、界面材料和众多热处理的步骤主导。控制这些缺陷的确是一项技术上的奇迹，但这似乎也是文明发展的不幸，因为其目的是制造更好的武器。也许我应该将此视为冶金的进步，因为它也能制造出更好的犁铧。技术本身并不具有破坏性，有缺陷的是偏好杀戮而非农业发展的社会。

图1.4（a）展示了一把拥有华丽手柄的太刀，刀身弯曲，刀刃在下。在制刀过程中，刀刃处只覆以极少量的黏土，淬火后刀刃处形成波浪形图案，但从这张照片中几乎看不出刃纹。因此，图1.4（b）采用绿色滤光器拍摄，凸显出刀刃处的图案。

图1.4 日本武士刀示例

注：（a）刀身有自然形成的弧度；（b）削弱照片中的其他颜色，从而清晰呈现刀刃处的波浪图案。