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不屈不挠的钢【迷人的材料】

中科院物理所2019-02-16 07:57:02

材料名称

感官感受坚硬、坚韧、不屈不挠

代表事物

剃须刀片、餐具、武器
发明历史

钢是种很晚熟的材料。虽然锻铁这门技术已经代代相传了数千年,但即使在19世纪,人类对天文、物理和化学已经有了惊人的理解,工业革命所仰赖的铸铁和炼钢还是全靠经验、直觉和运气。这是因为当时人们还无法精确掌握铁里面的含碳量,铁的含碳量只有在大约百分之一的范围内才能成为钢,含量太低则太软,含量太高则太脆。直到19世纪中叶之后英国人贝塞麦发明了贝氏炼钢法,人们才能大量制造合格的钢材。

日本三神器之一的天丛云剑(草薙剑)



15世纪时,日本武士制作的钢刃已经独步全球,而且称霸世界五百多年,直到20世纪冶金科学大幅跃进才被超越。


制造工艺

贝塞麦炼钢法

贝塞麦法非常简单,简直天才到了极点。他把空气灌入熔铁,让空气中的氧和铁里的碳发生化学反应形成二氧化碳,以此把碳带走,然后再把百分之一的碳掺回铁里。这套方法直截了当又可以工业量产,使得炼钢头一次成为科学事业。


1903年,美国商人吉列决定采用贝塞麦法制造的廉价工业用钢来制作抛弃式刀刃,第一年他卖出了51把剃须刀和168枚刀片;1915年,售出的刀片超过七千万枚。


材料知识

曲别针为什么会弯曲?

金属由晶体组成,虽然它们不像钻石一样透明。不要奇怪,因为金属的晶体特质从表面看不到,而且晶体构造非常小。使用电子显微镜观察金属晶体,感觉就像看到铺得毫无章法的地砖,晶体内则是驳杂的线条,称为位错。位错是金属晶体内部的瑕疵,表示原子偏离了原本完美的构造,是不该存在的原子断裂。位错听起来很糟,其实大有用处。金属之所以能成为制作工具、切割器和刀刃的好材料,就是因为位错,因为它能让金属改变形状。

位错示意图。一般金属内的位错数量惊人,而且会重叠交错


当你拗曲别针时,就是把金属晶体弄弯。金属的可塑性来自位错在晶体内的移动。位错移动会带着微量的这种物质,以超音速从晶体的一侧移向另一侧。虽然每个位错只移动一小块晶体(相当于一个原子面),但已经足以让晶体成为超级可塑性的物质,而非易碎的岩石了。



材料故事

误打误撞不锈钢

一战期间,英国人布雷尔利受雇钻研合金,以便改良枪管。他把不同的元素掺入钢里来模铸枪管,再用机械测试硬度,但尝试了无数次都毫无进展。新铸的枪管如果不够硬,他就扔到角落。有一天,他突然发现那堆生锈的枪管里有东西在闪闪发亮,他敏锐地意识到了它的重要性。那块东西正是世界上第一块不锈钢。


布雷尔利掺入的两种成分是碳和铬,因为比例刚好,意外创造出非常特别的晶体结构,让碳原子和铬原子同时嵌入铁晶体内。钢接触到空气和水时形成氧化铁,即铁锈。铁锈剥落后,新的钢面又会受空气和水侵蚀,使得生锈成为钢铁的痼疾。但铬能解决这一问题,当氧气还没来得及碰到铁原子,铬就抢着先跟它反应形成氧化铬。氧化铬是透明坚硬的矿物质,对铁的附着力极强。所以它不会剥落,从外表又看不见,有如一道隐形的化学保护膜把钢铁完全包住,而且这层膜会自我修复,即使表面磨到了,它也会自行复原。


不锈钢表面干净光亮似乎永不褪色,感觉坚不可摧却又非常亲民,短短一百年,从厨房水槽到餐具,从剃须刀片到艺术作品,它的身影已经遍布我们周围。


英国雕塑家安尼施•卡普尔(Anish Kapoor)在芝加哥千禧公园的作品“云门” 是不锈钢材料的绝佳例子。不锈钢反映了我们对现代生活的感受:利落明快,对抗肮脏、污秽与混乱。它还反映出,我们如它一般坚强不屈。




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文=老边 | 编辑=乔安

版权信息

图片来自于网络

本文内容根据《迷人的材料》一书内容编辑

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