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為何百煉才成鋼?

2020-06-17 16:41圖文來源: 新華網、科普中國

“百煉成鋼”這個成語,通常用來比喻經過長期艱苦的鍛煉,變得非常堅強。但是從字面意義上解釋,“百煉成鋼”是指生鐵經過反復錘煉才能成為堅韌的鋼。那么,究竟為何百煉才能成鋼呢?

首先我們要知道鋼的主要成分是什么?鋼是以鐵為主要成分,與碳和其他元素共同構成的合金。根據含碳量,鐵可分為生鐵和熟鐵。生鐵含碳量在2.11%至4.5%之間,熟鐵含碳量在0.0218%以下,而鋼的含碳量介于兩者之間(0.0218%至2.11%)。因此,我們可以通過除去部分碳將生鐵提純,或是在熟鐵中加入碳的方式,來制造鋼。

現代煉鋼方法主要以生鐵為原材料。19世紀下半葉,人們不斷嘗試,發明了多種煉鋼的方法,如貝塞麥轉爐煉鋼法、西門子平爐煉鋼法等。其生產過程基本類似,都是將生鐵融化為鐵水,然后在鐵水中加入一些物質,如氧氣、鐵礦石等,使其與鐵水中的碳發生反應,從而降低鐵水中的碳含量,之后再將提純過的鐵水灌入模具,冷卻后就制成了鋼。

現代煉鋼依靠標準化作業精準把控整個流程,煉鋼過程較為高效。但是對古人來說,煉鋼就復雜多了。

煉鋼的原材料——生鐵對古人來說并不易得。鐵元素主要以氧化物的形式存在于鐵礦石中。要使鐵礦石還原為生鐵,現代工藝是用焦炭、煤、重油、天然氣等燃料在高爐內燃燒,產生大量熱量和還原氣體,為鐵礦石的還原提供必要條件。而古人煉制生鐵,通常在相對較低的溫度下進行。具體方法是把鐵礦石和木炭一層疊一層地放入煉爐中,用低溫慢慢焙燒。在這種條件下,木炭發生不完全燃燒反應生成的一氧化碳,就能將鐵礦石中的氧化鐵還原成鐵單質,冷卻后形成鐵塊,就可以獲得生鐵。這種煉鐵方法被稱為塊煉鐵。然而這種方法煉得的鐵,鐵質較為疏松,還不能正常使用。為改善這一狀況,古人發現了高溫下通過反復鍛打提高鐵硬度的方法。

我國古代最優質的鋼材為百煉鋼。百煉鋼,顧名思義,就是通過上百次錘煉而成的鋼。其過程是把鐵加熱到一定溫度,然后反復鍛打,將鐵中的雜質物清除,使其組織和成分也在鍛打的過程中變得更加均勻、致密。用百煉鋼制成的工具性能優異,因此,古代刀、劍常用百煉鋼鍛制。

這些反復錘煉得出好鋼的方法反映了古人的智慧。宋代沈括在《夢溪筆談》中記載:“但取粗鐵,煅之百余火,每煅稱之,至累煅而斤兩不減,則純鋼也,雖百煉不耗矣。”有的時候,可以見到鐵匠師傅們在反復錘煉一塊燒紅的鐵之后,會放到冷水里,等冷卻后,繼續燒紅,然后捶打,周而復始,要反復很多次。其中,將燒紅的鐵放到冷水里冷卻的過程叫淬火。淬火的目的是強化鋼件,充分發揮鋼材的性能,提高其耐蝕性等。

本文由北京市海淀區教師進修學校附屬實驗學校中學一級教師牟丹進行科學性把關。

本作品為“科普中國-科學原理一點通”原創,轉載時務請注明出處。

作者:劉暢 責任編輯:吳麗莉

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