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花上十分钟，了解一个工业常识。 我们常说的钢铁，到底是一码事还是两码事？ 钢和铁可以是一码事，因为两者间并没有本质性的差别，都是以铁元素为主的金属，而且其中的杂质含量都不高。 从外观上也不好分，亮铮铮的，由机器加工出来的钢铁件，多半是钢做的，而铁匠铺手工打造的锄头剪刀之类，到底是铁还是钢，我就吃不准了。 如果把铁和钢看做一码事，那么钢这个字的含义就可以理解为'好铁’，好用的铁就是钢。 铁和钢也可以说是两码事，因为两者有明确的划分标准，你只要把准确的成分含量告诉我，我就能明确地回答那是铁还是钢。 铁和钢的区分，主要在于含碳量的不同，含碳量很低，在0.1%以下的铁，叫做熟铁，比较软，含碳量很高，在2%以上的铁，叫做生铁，又硬又脆，含碳量在两者之间的铁，硬而不脆，好用，就叫做钢了。 到这里，铁和钢到底算一码事还是两码事，基本上就说清楚了。 如果你的好奇心更强一点，我们就可以聊得再细一点，不过也就是走马观花，不会聊得太专业，我也没那本事，不是搞冶金的。 钢铁看上去很均匀致密，但在显微镜下，就能够看到细微的晶体结构，这些微晶体有不同的类型，它们的类型和比例，就会影响到钢铁的力学性能，也就是好用或者不好用。 纯铁里的微晶体叫做铁素体，下面是铁素体的显微照片，你可能看不懂，没关系，我也看不懂，只是想告诉你它真的看得见。
铁素体的特性就是纯铁的特性，硬度强度都低，但塑性很好。 这里提到了强度、硬度和塑性，就稍微解释一下。 一根一平方毫米截面积的铁丝，用200牛顿的力刚好把它拉断，我们就说它的抗拉强度是200，强度数值越高，材料就越结实。 除开抗拉，还有抗压、抗弯，抗剪以及抗扭等强度，有不同的测量方法，数值也有所不同。 把一个特硬的钢珠放在铁块表面，用很大的压力去压它，会在表面留下一个凹坑，同样压力下，凹坑的深度越浅，说明硬度越高。 不过这个方法拿来测量玻璃的硬度就不行，就算把玻璃压碎了，都压不出凹坑，所以硬度有许多不同的测量方法和标准。 硬度是材料抵抗局部变形和破坏的能力，对于针尖和刀刃，我们在乎的就不是强度而是硬度了，另外，硬度和耐磨性有关，在同样的润滑条件下，硬度越高越耐磨。 施加外力时，材料会变形，比如被拉长或者弯曲，外力消失后如果变形也消失，就叫做弹性变形，外力消失后一直保留下来的变形，就叫做塑性变形，塑性就是'可塑造性’的意思。 有些材料一开始是弹性变形，受力大到一定程度，就会出现塑性变形了，这个转折点对应的力，叫做屈服强度，它的强度值就有两个，屈服强度要比导致破坏的极限强度低，这样的材料就称为有塑性，有塑性的材料不那么'坚强’，它会屈服，会在外力下被迫改变自己的形状。 有些材料直到被拉断都不会发生塑性变形，就说它没有塑性。 铁素体可以固溶一些碳，固溶的意思是溶解在固体中，但铁素体的溶碳能力很低，一般不到0.1%，铁的含碳量小于0.1%时，内部基本上全是铁素体，就是熟铁了，所以熟铁的力学性能和纯铁差不多，软的，当然这是和别的金属比，你不能把熟铁想象成橡皮泥。 如果把铁的温度提升到几百上千度，就会产生奥氏体，下面是奥氏体的照片，至少能够看出它和铁素体不一样。
奥氏体比铁素体更软，塑性更好，更容易变形，所以打铁时要把铁烧红。 奥氏体可以固溶更多的碳元素，冷却后它会变成别的微晶体，如果铁中的含碳量高于0.1%，冷却时就不会全部变成铁素体了，这时会产生一部分渗碳体。 下面是渗碳体的晶格示意图：
渗碳体是三个铁原子加一个碳原子组成的晶体，你可以理解为一种铁碳化合物，因为它的碳在里边不是固溶状态而是结合状态，有固定的含碳量6.69%，渗碳体硬度极高，基本没有塑性和韧性，极脆。 这里提到了韧性，再来说明一下。 给一根钢丝慢慢加力到强度极限，它肯定会断，但如果瞬间加力到强度的1.2倍，然后立即撤销外力呢？它会不会断？ 如果这种钢是没有韧性的，它就会断，因为受力超过极限了，如果是有韧性的，多半就不会断，它能把瞬间超标的冲击力'让’过去，韧性越好，受力时间越短，就越能够让过更大的力，甚至可能瞬间承受超过强度极限成倍的力也不断。 韧性是材料耐受冲击力的指标，没有韧性的材料，只能降低强度指标来用，因为没有冲击的使用情况太少了，一个人骑在自行车上，车架需要承受的力只有几十公斤，但在崎岖不平的道路上行驶时，瞬间冲击力有可能达到几百公斤。 好吧，渗碳体既然没有韧性，即便它的强度和硬度很高，我们也不喜欢，好在渗碳体不怎么单独存在，会和周围的铁素体形成更大的微晶结构，其中一种叫做珠光体，力学性能介于铁素体和渗碳体之间，强度和硬度比铁素体高很多，又保留了一定的韧性，是个好东西。 下面是珠光体照片，还真有点发亮。
珠光体的平均含碳量大约0.77%，因此铁中的含碳量在0.1%以上又没有超过这个含量的时候，铁的微晶结构应该是铁素体和珠光体的混合物，随着含碳量增加，珠光体比例会增加，强度和硬度会提升，塑性和韧性随之下降。 含碳量在0.1~0.25之间时，强度和硬度比熟铁增加很多，而塑性和韧性还保留了很多，这样的铁就比较好用了，叫做低碳钢，典型的钢号是20钢，含碳量在0.2%左右。 20钢以前叫做a3钢，应该读作'阿三钢’，这是一个暴露年龄的称呼，谁这么说低碳钢，就代表他是个老套筒。 低碳钢保留了很大的塑性和韧性，可以把低碳钢板折弯成形，做成铁皮箱柜，或者冲压成形，做成碗和碟子等等，折弯和冲压成形都属于塑性变形，需要材料有塑性。 低碳钢也很容易焊接，但它有点'绵’，容易粘住刀具，所以切削加工就比较麻烦。 含碳量继续增加，达到0.25~0.6%之间，珠光体比例越来越高，塑性慢慢减少，就不再适合冷变形加工了，但焊接性能和韧性都还能够继续保留下来，而且随着强度和硬度增加，适合进行切削加工了，这个范围的铁，叫做中碳钢，典型的中碳钢是45钢，含碳量0.45%上下。 中碳钢钢比低碳钢还多了一个好处，它可以通过淬火来提升硬度和强度，改善耐磨性等等。 这里说到淬火，又得解释一下。 把钢铁加热到高温，微晶结构又变成了奥氏体，这时不让它慢慢冷下来，而是在水或者油里急速冷却，就会形成一种新的微晶体，叫做马氏体。 马氏体的照片是这样的。
马氏体是一种过饱和溶碳结构，有片状马氏体（上图）和板条状马氏体（下图），两种马氏体强度和硬度都很高，片状马氏体塑性和韧性很差，板条状马氏体就有很不错的韧性，如果含碳量不太高，淬火降温时温度曲线控制得合适，就可以更多地获得板条状的马氏体，又结实又坚硬，还不失韧性，所以淬火是一种常见而且很有用的热处理方式。 因为马氏体是过饱和溶碳结构，含碳量比较高，所以对低碳钢淬火就没啥用，能够产生的马氏体太少了。 中碳钢更硬更结实，还适合机械切削加工，所以用来做机器零件很合适，也称为碳素结构钢。 含碳量继续增加，就进入高碳钢的范围了，比较典型的规格有65钢和碳素工具钢。 65钢含碳量0.65%左右，主要微晶体是珠光体，因为强度高而且没有塑性，弹性受力范围大，可以用来制造各种弹簧。 碳素工具钢含碳量1%上下，超出珠光体的含碳量比例了，会汇聚出一些点状或者小块的渗碳体，更硬也更脆，是一种低成本的工具钢，可以用来做一些要求不高的刀具。 高碳钢是不适合焊接的，除开做弹簧做工具，基本不会用来做零件和结构件。 含碳量超过2%以后，铁中会出现莱氏体，如下图：
莱氏体也是铁素体和渗碳体的混合物，但和珠光体不同，它几乎完全没有韧性，特别脆，好像看照片都觉得它很脆。这样的铁焊接和切削加工都不行，还不耐冲击，很不好用，只适合做炼钢原料，这就是生铁的特点了。 上面提到的低碳钢中碳钢高碳钢，都称为碳素钢，铁中的杂质都只有碳元素，其他元素都只能是残余含量，硫和磷高了性能会不合格，而添加别的一些成分后，就应该叫合金钢了。 往铁里加锰，会提高韧性，比如16Mn钢，俗称十六锰，它的含碳量低于0.2%，含锰量为1~1.6%，常温下韧性很好，它用途很广，比如用来做自行车车架，还可以用来造船和做桥梁结构件。 如果对零件性能有更高要求，就会使用合金结构钢，一般通过加入锰、铬、镍等元素来提高各种性能，但合金结构钢的含碳量一般和低碳钢差不多，在0.25%以下，比如16CrMnh钢，俗称十六铬锰，就是一种低碳的含铬含硅含锰的合金结构钢，铬能够提高淬火的淬透性，因此改善淬火后的硬度和强度，另外加铬还提升耐腐蚀性，所以不锈钢里要加铬，表面镀铬也可以防锈。 碳素工具钢韧性不好，容易脆裂，可以在高碳钢里加入硅、锰、铬、钒、钨等合金原料提高韧性、耐磨性，耐冲击性以及进一步提高硬度等等，这就是合金工具钢了。 合金钢要么是低碳钢底子的合金结构钢，要么是高碳钢底子的合金工具钢，很少有中碳钢底子的合金钢。 关于钢铁的微晶结构和合金知识，我就卖弄这么一点，再多就会露馅了，因为我也不怎么懂，我老爸是这方面的顶级专家，这些术语我从小就听得耳朵起茧子了，但它们具体的含义，有很多还是现炒现卖百度来的。 拉拉杂杂说了不少，都只是些工业常识而已，算不上专业知识，不过，看完这篇文字，也不过需要十分钟而已，不算太耽误事哈。 预告一下，下一次我准备聊一聊古人是怎么炼铁炼钢的…… |
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