第3节

19世纪以后的钢铁

长期以来，炼铁早已实现大规模生产，但较高等级的钢的产量往往仅限于坩埚大小，只够制作餐具或小刀。然而，11世纪亚洲的记载以及17世纪中国和日本的例子表明，如果材料相当纯净，就可以制造出更好的钢材。在19世纪中叶，贝塞麦（Bessemer） 意识到钢炮有巨大的市场，于是设计了一个带有黏土型内衬的熔化室，铁在其中被熔化。铁矿石中的杂质有碳、锰和硅等多种元素。贝塞麦熔炉采用的技巧（不一定是他的想法）是将空气吹入熔化物，从而去除以氧化物气体形式存在的杂质。获得了更纯净的熔化物后，加入一定量的锰和碳，以生产出高等级的钢。其他许多杂质则形成浮渣，很容易从钢中分离出来。事实上，这些矿渣还可以作为肥料使用。贝塞麦的钢铁工艺实现了低成本、高生产率的钢铁制造，使钢铁得以应用于大炮、铁路、桁架等。

合金与钢加工

刀剑的制造史令人着迷，因为它展示了人们可以通过实验和经验主义取得多大的进展。现代冶金学包含了有关金属与合金晶体结构更加翔实的内容。此外也涉及熔点更高的金属，以及制造以前不可行的材料组合。因此，我们才有可能制造出不锈钢或航空航天使用的轻质合金等。将炽热的材料浸入冰冷的液体中（称为“淬火”），表面的冻结速度比内部更快，从而产生永久应力，形成更加坚硬的外壳。铁匠们对这一过程都很熟悉。现代方法甚至可以在局部小范围内实现这种效果，只需使用高功率强激光脉冲来加热小面积的金属，如果需要的话，对附近区域不做加热处理。激光熔化或淬火使更多的材料可以放在一起使用，并抵消了20世纪热力学和物理学的许多规则，这些规则限制了可形成合金的金属组合。在这些案例中，表面应力和缺陷通常是有益的。

为电动汽车设计的电池需要高精度的焊接铜。熔炉和火焰都不适合，因为金属会流动或起泡。最新的解决方案是用蓝色激光束，因为铜吸收蓝光并能缓慢熔化和流动，从而形成非常整洁的焊缝。

现在我们已对热力学有了相当充分的理解，它可以解释为什么某些金属可以混合成为合金，合金中金属含量的范围是多少，不同的合金成分如何转变成不同的原子结构排列（即相和晶体学的变化）。这样的合金组成规则本身就具有限制性，因此我们未必总能满足竞争的需求。例如，剃刀刀片需要防锈，但不锈钢刀刃难以保持锋利。或者，髋关节置换部件可能需要使用一种合金，但理想的合金可能会受到身体化学防御机制的攻击。

钢的成分与温度问题

一般认为，钢是一种极其坚韧的材料。我们大多数人并非冶金学家，因此不知道，在较低的温度下，钢很容易出现脆性断裂，即裂纹扩展，导致材料开裂并作废。当两块钢板焊接的位置出现裂纹时，可能会出现断裂。冶金教科书（和网络图片）通常会用第二次世界大战中“S.S.斯克内塔迪号”（S. S. Schenectady）油轮的照片作为案例。这是一艘自由轮。人们在当时船舶短缺的情况下用了极短的时间（不到一个星期）便建造完成。其钢材、制造质量和焊接均有不足。在冷水中，钢材可能会产生裂纹并不断扩展，导致材料断裂和分裂。这种情况发生在“S.S.斯克内塔迪号”和其他一些自由轮上，它们在寒冷的天气下几乎分裂成两半。要解决这个问题，需要在钢中添加不同的微量杂质，并重新进行一些设计。避免类似的设计缺陷仍然是关键。例如，在核反应堆的安全壳与压力容器中，所使用的钢材不仅要经受住低温考验，同时必须完成高温和高压下的运行，并在反应堆运行期间承受对钢原子结构的大量核辐射损伤。不幸的是，脆裂问题随着暴露于辐射损伤而增加。因此，对钢的各种成分构成与加工进行试错并进行经验总结，是现代炼钢技术发展的核心。理解因缺陷、杂质和瑕疵而产生的性质显然存在潜在风险，因为看起来相似的缺陷可能会因应用上的差异而产生积极或消极的影响。

将杂质注入极薄的表层

在过去的50年里，在钢的表面添加杂质原子的工艺稳步发展。它可以解决对钢的应用需求上的冲突问题，并且不受热力学与合金形成规则的限制。常用的一种方法名为“离子束注入”。这个概念很简单，只需要用气体将我们所需原子固定在材料表面。金属气体可能只来源于沸腾的金属。气体可能是从一种金属（如金）到惰性气体（如氩）之间的任何物质。然后中性气体原子被电离（即原子失去一个电子，变成一个带正电荷的阳离子）。这种电离可以通过电子束或放电进行，就像在日光灯中一样。下一步是从放电区域提取一些阳离子，并施以极高的电压（如20万伏特，这并不难）进行离子加速。然后，离子以非常高的速度移动并冲击待处理的表面。在如此高的冲击能量下，离子陷入目标材料的表面（你可以想象将小石子扔到一大片冻硬的积雪里，或者把子弹发射到一盘糖浆里，或者将豌豆大小的鹅卵石扔到湿拌砂浆里，让鹅卵石嵌入建筑涂层）。最后可以获得一大块表面性质已经改变的材料。在金属物体中，主体金属提供物体所需的稳定性等特征，但其表层因植入物而产生不同的性质。这种混合物的制作非常简单，只需利用高能离子撞击表面，因此混合不受适用于稳定变化的正常热力学的限制。

早期有一种剃刀刀片（约1970年），在制作时注入铂离子。这种金属的添加量很小，几乎不会增加刀片成本，但可以生产出不生锈的锋利刀刃。髋关节置换术使用了几种替代方法，包括在不锈钢中添加钛。注入氮离子的钻头寿命至少是普通钢材寿命的两倍。尽管离子注入的成本很高，但这样的钻头可以打更多的孔，且在生产线上更换磨损钻头所需的劳动力成本远远高于钻头的价格，因此其经济效益仍然是可观的。

在航空工业中，通过离子束注入来提高钢垫片的韧性，这种钢垫片可用于直升机旋翼稳定器。这种改进垫片的方法似乎不可能实现且成本极高，但若不做改进，直升机在沙漠上低空飞行时会遭遇严重的问题。不仅窗户会遭到沙粒的猛烈撞击，而且沙子很快（几个小时）就会破坏旋翼稳定器中的垫片。垫片故障将导致直升机坠毁。由于军用直升机需要往返于出发地与目的地，因此，植入杂质造成表面瑕疵，使垫片的工作寿命延长一倍，这种做法非常有益且性价比极高。

冶金与烹饪的相似之处

冶金学令人生畏，因为冶金学家总是满口术语：众多名称不同的晶相，它们又可以形成不同的粒度，并随着加热周期而变化。金属的加工规模庞大，对我这样的非专家来说，要明白如何处理几乎无法控制的大量变量，实属不易。

为了获得一些自信，我需要做一个更通俗的类比。也许我们可以将冶金类比为烹饪。据众多厨师所说，烹饪是一门大学问，需要具有献身精神并经过系统的培训，但它也涉及一系列无法量化的材料和热处理。如果想要制作高品质的蛋糕，那么我们需要从最好的原材料开始。好的原材料大都是天然食材，因此它们变化不定。我们需要将原材料混合，在烤箱中加热，并仔细控制温度梯度、时间，以及温度变化，找出决定纹理或最终表面外观的具体因素。任何一个步骤的失败都可能导致蛋糕质地不均，水果沉在底部，或表面烤焦。当然，将同一项烹饪任务分配给六位厨师，他们会做出六种不同的美味蛋糕。你可能仍然认为我们不同于冶金学家，实际上厨师也会在烘焙中添加微量的盐、香料和调味剂，虽然这些添加物可能只占蛋糕质量的万分之一，却能对最终呈现的结果产生实际影响。这些微量成分都是关键的原料，会导致截然不同的成果。我们与厨师都会喜爱蛋糕的独特风味。但厨师不会将香料和微量成分描述为杂质和瑕疵。

前文曾提到过蛋白酥皮（由生蛋清和糖制成），优秀的厨师会在其中添加微量的酸性成分，如柠檬、醋或鞑靼奶油。现在我们已经知道，这些成分可以改变该过程的化学反应，产生更加均匀的泡沫状蛋白酥皮。但厨师们早在人类了解化学之前就会使用这种方法。

冶金学家会用完全不同的感情色彩词来描述这些微量材料。他们会将微小的成分变化称为缺陷和杂质，如果这些变化是无意的或不可控的，他们也会产生烦恼。因此，虽然厨师与冶金学家面对的问题似乎相似，但他们的态度和使用的语言并不一样。烹饪让我们感到很愉快，所以如果使用更加积极的术语，也许我们会发现冶金学也没有那么难了。