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铁器时代在继续，正如我们已经说过的那样，人类历史的时代是根据制造劳动工具主要要用什么材料来命名的。如果遵照这一传统，那么，我们这个时代仍然应当叫做铁器时代。即使是现在，全部结构材料至少有90%是以铁为基础制造出来的。所以，当我们从金属学的一般问题，转到谈各种金属时，总要从铁谈起。因为，正如列宁所说，铁是文明的基础之一。 古埃及人称铁为“瓦埃别尔”，意思是“天生的”。科普特人也称它为“天石”。然而，从宇宙来的东西同这里所说的天石毫不相干。人们最早知道的铁就是陨铁。早在远古时候，已经制出陨铁制品。人类学会从矿石中提炼出铁则要晚得多，这是因为人们不是一下子就获得了熔化铁所需要的高温的。（1539°C） 曾经有过一个时期，铁的价钱比金子还贵。例如，古希腊的地理学家和历史学家斯特拉波恩在他的《地理学》中说，某些非洲人为生产铁所付出的代价，按重量计比生产金子要贵10倍。荷马在他所著的《奥迪赛游记》中说道，对竞技优胜者给金块和铁块的事。埃及的一位法老在写给赫迪国王的信中要求给他寄铁来交换黄金。在斯堪的纳维亚半岛的陵墓中所发掘的武器也可以说明，在古代，铁的价值是非常高昂的，因为，只有剑刃是铁做的，其余部分都是青铜的。 铁在人类历史上所起的作用，在古代就已经为人们所理解。古罗马的学者老普宁里在他著的《自然史》中写道：“铁矿开采工为人类提供了最优良也是就危险的工具。因为我们用它开恳土地，栽植灌木林和种植果园，用它给葡萄树剪枝，使其每年更新。我们用心建造房屋和击碎石块。我们用铁制造我们所需要的东西。但是，也正是用铁来进行大大小小的战争和掠夺，不仅用于近处，也用于远方。有的用大炮发射出去的，有的是从强而有力的手扔出去的，有的是以带羽毛的箭矢射出去的。” 铁制工具可以把农民的劳动生产率提高许多倍。没有铁也不可能有手工业的发展。然而所有这一切只不过是铁器时代以前的历史。铁这种金属到了十九世纪才开始胜利进军（尽管历史学家们认为，铁器时代早在本世纪开始前不久就结束了）。实际上，如果说在1800年，全世界铁的生产量还不到50万吨，那么到了十九世纪末已经达到大约350万吨，而今天则已超过7亿吨，并且还在迅速增长。按照一些美国科学家的大胆推测，2000年有可能达到30亿吨！ 今天，有了铁，就意味着有了水电站，输电线路的支架，建筑物的骨架和桥梁的构架。有了铁，就有了水管，输油管，煤气管。有了铁，就有了汽车，拖拉机和铁路。有了铁，整个工业就有了核心——金属加工机床；如果没有机床，无论汽车，电视机和宇宙飞船都造不出来。有了铁，就意味着有了房屋的房顶以及罐头盒，摇篮车，刀子，钉子，针等等。 但今日的铁也意味着坦克的装甲，火炮的炮管，步枪和机关枪的枪管。铁也意味着核潜艇，飞机和火箭。铁还意味着炮弹，地雷，炸弹以及其他许多破坏性的和致命的武器。 一个国家，不仅他的经济实力，而且它的军事实力，都首先取决于它所生产的铁——这个主要的现代化材料的数量。 地球上铁的蕴藏量是非常丰富的。它的分布量仅次于铝。铁在地壳中的含量在7750000000亿吨以上。 纯铁呈银白色。它是一种富于韧性而可以锻造的金属。它是如此的柔软和易于压延，以致可以将其制成比卷烟更薄的薄片。正如我们已经讲过的那样，铁在1539°C时溶化，而在大约3200°C的温度下就要沸腾。 铁在自然界有4种稳定的同位素。最多的是原子量为56的同位素（占91.68%）。 在铁原子最外层轨道上有两个电子，次外层有14个电子。当然，这种原子容易放在最外层的两个电子。因此铁可以是两价的。但次外层的14个电子中有一个电子也能离开自己的轨道。这就是为什么铁常常是三价的原故。 纯铁像金子一样，在空气中不氧化。然而它的强度不大。通常所谓的铁制品实际上全都是由钢或生铁制成的，即由铁碳合金制成的。 铁是“变化多端”的金属之一，它在不同温度下按不同的方式结晶。如果对铁缓慢的加热，则在某几个温度下，它的表现是非常奇怪的——因为对它继续加热时，它的温度不再升高。对纯铁来说，第一个这样的温度停顿点是769°C，第二个是910°C，第三个是1401°C。到1539°C铁就溶化了。 在这些温度停顿情况下，热量究竟消耗到哪里去了呢？当然，能量守恒定律是颠扑不破的。在769°C时，铁失去了自己的磁性，a铁变成b铁。在910°C时，出现了铁的再结晶。这时它的体心立方晶格重新排列成面心立方晶格，这就是y铁。在1401°C时，又出现了一次重新排列，晶格又重新变成体心立方晶格，但是它的尺寸已经比a铁大些。这种最终的变体叫做s铁。能量正是消耗在这些重新排列上，这时尽管不断供给热量，但铁的温度不升高。当熔融的铁冷却时，一切按相反的顺序变化。 碳黑赋于铁以硬度 我们已经知道，纯铁是非常软，不仅不适于制造机械，桥梁或建造骨架，而且也不适于做房顶。在铁中添加碳黑使铁变成了结构材料。的确，柔软的碳黑或木炭能把柔软的铁变成坚硬的钢和生铁。然而在现代治金中，由于许许多多原因，人们利用焦炭来使铁变成钢和生铁。 所有的生铁和钢，都是铁同碳的合金。 如果铁中含碳0.05%至0.3%，则这种钢在不加热的状态下很容易轧制成板材，很容易挤压，冲压和拉伸。用刀具很容易从这种钢上切削下长而不断的屑。这种钢特别易于焊接和火焰切割，但几乎不能淬火。人们用含碳0.3%至0.45%的钢制造各种轴，用含碳0.5%至0.7%的钢可制造钢轧。这两种钢叫做结构钢。而含有0.7%至1,3%的钢被称为工具钢，因为人们用它来制造工具以加兴金属。这种钢经过很好的淬火，将变得异常的坚硬。 如果含碳量大于2%，那就不再是钢而是生铁了。 生铁应用很广。人们用它铸造机床的机座，发动机的机体及其他许多铸成后不需要加工的大型制件。由于生铁容易充满铸模，人们用它铸造公园的栏杆，还用它铸造各种各样的塑像。 究竟为什么铁中的含碳量变化不大，却会导致铁合金的性质发生如此显著的变化呢？ 铁的每一种变体都是按自己特有的方式来溶解碳的。在a铁晶格中能容纳碳原子的位置很少，而在y铁中有完全足够的位置来溶解碳原子，因此碳在y铁中的溶解度要比在a铁中的溶解度大很多倍。在同一温度下，比方说在723°C下，a铁中只能溶解0.02%的碳，而在y铁中能溶解0,8%的碳，即比前者大40倍。在1130°C下，y铁能溶解碳的数量最大，为2%。 如果取含碳量0.8%的钢，将其加热至铁转化成y铁变体的温度，则所有的碳都转入溶液。当缓慢冷却时，这个过程又按相反的顺序进行，即铁又重新排列成a变体，过剩的碳以碳化铁的形态析出，并形成铁素体的晶粒和渗碳体薄片的均匀混合物。铁素体是溶于铁的体心立方晶格中的铁固熔体，其中含碳量不超过0.01%。 在使钢迅速冷却时，例如，当把要淬火的钢投入冷水中时，则将发生另外一种完全不同的情况。这是无论对晶格的重新排列，还是对从晶格析出碳来说，所需要的铁原子和碳原子的扩散，都来不及进行。一切如同在高温下的晶体结构。因为根据“冻结”的命令，每个活动作的原子立即停留在命令到达它所在的地方。结果，在低温下保持着碳溶于y铁中的固体溶液状态。具有这种组织的钢叫奥氏体钢。然而，在低温下，y铁的面心立方晶格很不稳定，就像白锡在严寒中不稳定那样。它的晶格中就会发生改组（重新排列），尽管很困难，但是晶格同时发生扭曲，故成一种拉长了的晶格，接近于a变体。诚然，它含有通常只是在y铁中可能存在的那样大量的碳。这就是被称为马氏体的钢淬火后的基本组织。 所有这一切早在1926年就由苏联学者用X光结构分析法查明了。但是马氏体为什么具有如此高的强度在那时仍是个谜。这个谜前不久被F.B库尔久莫夫院士揭开了。 马氏体形成之后，金属最初的晶粒分成大量极细微的晶块，其大小约为200——300A（A——埃，是一毫米的一千万分之一）。 每一个细微的晶块都有自己的界面。我们已经知道，正是这些界面这妨碍位错运动。在过饱和溶液中的大量碳原子以及在细微晶块界面之间的碳化铁微粒也很妨碍位错运动。所有这些赋于淬火后的钢以硬度和强度。 马氏体通常是在200°C时形成的。因此，在淬火时就应当把钢冷却到这个温度。 在谈点提高强度的问题 利用高频电流可以将钢零件的薄薄的表层迅速加热。淬火之后，这个表层的硬度和强度提高了，而零件的内部仍然保留韧性和塑性。采用渗碳法（使钢零件表面碳饱和）或渗氮法（使钢零件表面氮饱和）也可以取得同样的效果。同时，将钢零件表层渗铝，使其具有耐热性；渗硼，使其具有耐磨性；渗硅使其在酸中具有化学稳定性等等。 马氏体不仅很硬，而且也很脆，几乎同玻璃一样。这是因为在马氏体形成时晶格内产生了过大的内应力。它不稳定。如果将淬过火的钢再加热至200°C以上，则马氏体分解生成由铁素体晶粒和渗碳体小薄片构成的质软而带韧性的混合物。淬过火的的钢的第二次加热叫做回火。 为了避免工具过脆，将它加热至150——200°C。此时马氏体只有部分分解，但却消除了脆性，同时又使金属保持足够的硬度。对于机械零部件，建筑构件和其他制件来说，重要的不仅仅是硬度，而且需要有塑性和韧性。为此，将它们加热至500——600°C。这种加热称为高温回火。此时马氏体完全分解，所获得的铁素体晶粒和渗碳体薄片的混合物具有很高的塑性和韧性，同时保持足够大的强度。能保持足够大的强度是因为组成混合物的细微晶块具有许多界面。由于淬火和回火，钢的硬度和强度变得大多了。 我们已说过，生铁不同于钢的地方就在于它的含碳量大。如果生铁缓慢冷却，则碳就在其中以石墨形态析出。灰口铁的强度差，就是因为在这种生铁中到处都是填满了石墨的裂缝。显然，具有这种裂缝的表面愈少，则金属强度愈大。 我们知道球体的表面积最小。苏联科学家查明，如果使石墨颗粒变为球体，则生铁的强度大得多。在液态金属中加进少量的镁或铯就可以做到这点。这种生铁称为变性铸铁。用它可以浇铸耐压铁管，甚至可以制造内燃机（例如，拖拉机和内燃机车）的铸造曲轴以及其它许许多多不久前还只能用钢来制造的零件。 少量杂质可以显著地改变金属性质的事，已经不应该使我感到奇怪了。因此，优质钢中含 碳，锑，磷应当很少，因为这些杂质易熔。而相反，其他某些杂质（人们称之为合金成分的杂质）的存在，则使人们所希望的。钨的存在使钢具有硬性；钼使钢具有耐热性；镍是刚具有韧性；硅使钢具有弹性；锰使钢具有耐磨性；铬使钢具有耐酸性。例如，含铬18%，镍8%的钢甚至在海水中也不生锈；而含铬18%，镍25%和硅2%的钢不仅不生锈，而且在高温下几乎不降低强度。 钢铁在低温中变脆是由于其中含有碳和其它一些杂质，例如，氧，氮和氢。弄清原因之后，人们可以制造出含碳和其他杂质极低的高镍钢和铬镍钢。这两种钢不仅不怕南北两极的严寒，而且不怕宇宙空间的酷寒。 如果将钢坯加热到碳在y铁中形成均匀溶液时那样的高温，然后迅速冷却，但又不像淬火时那样投入冷水，而是浸在温度为300——550°C的熔融盐中，则此时马氏体尚未形成，同时保持着溶液中含有大量碳的y铁晶格。此后对钢坯进行轧制或挤压，然后再淬火。这样的处理叫做热机械处理，可以十分显著提高钢的强度。但是，只能用这种方式处理合金钢。因为在塑性变形的温度下，碳索钢中y铁的不稳定的晶体结构是保持不住的。此外，大多数钢在300——550°C下还不具有足够的塑性，因此难于使它变形。为了避免这些困难，采用了另外一种处理方法，就是将钢坯加热到800——900°C之后，先进性变形加工，然后再淬火。 然后，这种方法也有缺点。在这样高的温度下加工处理，金属原子具有和大的活动性。因此，在塑性变形时造成的晶格扭曲，本身会矫正过来，同时，机械加工造成的强化效应部分地丧失掉。但是这样的结果是钢的塑性和韧性比前一种方法更大些。这种钢的冷脆性以及对应力集中的敏感性都减少。 在上述两种情况下，淬火时马氏体都已经是在被变形弄得很碎的晶粒中形成的。在这样的条件下所形成的晶体比一般的要小得多，只有几分之一。这样，在塑性变形和淬火之后，就得到晶粒极细的金属组织。晶块只有一般晶块的四分之一大，因此使金属具有很高的强度。 热机械处理可使钢的强度极限提高到300千克 / 毫米2，即等于前不久所公认的高度强结构钢的强度极限的1.5~2倍。 然而，科学家并不停留在已经取得的成就上，他们许偌说，就在不久的将来制造出强度极限达700千克/毫米2的钢来！然而看起来，这也不是极限。 难怪“铁”这个词成了强度的同义词。而铁还有其他一些极宝贵的性质，例如，磁性。 铁这种金属是文明基础之一。就是在今天，铁仍然是现代化技术装备的主要材料。 |
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