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十一、钢铁的含碳量、可锻性和苏轼的“何劳锻”

使用金属是人类文明的标志,而钢铁的使用是金属重要的部分.正如恩格斯所说:“铁已在为人类服务,所以它是在历史上起过革命作用的各种原料中最后和最重要的一种原料。”今天的铝,钛等等金属和非金属材料的使用在相当程度上替代了钢铁,但是铁仍然是最重要的一种金属原料之一.

铁替代了铜,正如恩格斯说:“铁给手工业工人提供了一种极其坚固和锐利的非石头或当时所知道的其他金属所能抵挡的工具。”铁的冶炼和使用比铜有更大的难度.首先铁的熔点比铜高,需要更高的温度和消耗更多的碳,而铁又容易和碳生成铁碳合金.不同含碳量的铁碳合金有不同的性能和加工方式,一般的钢铁工具常常需要热处理.在今天的工科的材料力学教材中, 铁碳合金的状态图是很基本的,但是这个状态图是在精确的成分分析,温度测量,精密的金相显微镜观察,集中大量的数据才能做出的,有很强的指导意义,在古人不可能做到,只能凭经验摸索.

我们作为文理法商背景的,如果想理解古人对于钢铁材料技术的应用,不要全面掌握铁碳合金的状态图,只需要了解最下面的横坐标即铁的含碳量就可以了.我们从最左边开始:数据各种教材有不同,是大概的.

1, 含碳量<0.02%,这是纯铁,(理论上含碳量等于0的纯铁在工程上是做不到的,电解法也只能到含碳量<0.0008%.)俗称熟铁,特点是软而有延展性矫顽力低而导磁率高,常常应用于高频铁芯,变压器,发电机铁芯.

2, 含碳量<0.2%~0.3%,低碳钢,一般称为结构钢如建筑钢筋,容器钢板,不要求高强度,要求加工性能好.一般不需要热处理.

3, 含碳量<0.3%~0.7%,强度高于低碳钢,一般经过热处理以后发挥其综合性能,做轴,螺栓等等.

4, 含碳量>0.7%~1.5%,含碳量高所以强度高,但是硬,脆.其硬脆的程度已经不能应用于机器设备,只能通过热处理作为钻头,刀具,锉刀等等使用,称为工具钢.

5, 含碳量2%,更加硬脆,应用很少,可以举例的冲模,拉丝模.超过2%含碳量的称为生铁了。

6,含碳量2.0%到4% ,生铁,一般称为铸铁,(铁碳合金的状态图含碳量达到6.67%,这是理论上的)没有经过处理的没有可锻性。

我们综合起来看,含碳量低的钢铁材料软而韧(例如铁丝),含碳量高的硬而脆(例如刮脸刀片)。在一定范围内,随着含碳量的增加,钢的硬度和强度得到提高,但其塑性和韧性降低。古人做钢铁工具,只能摸索,特别是刀剑的时候,钢材含碳量只能在很窄的范围内(含碳量>0.7%~1.5%),过犹不及。还需要配合热处理,淬火,回火等等。

我们再回过头来看看古人,干将「采五山之铁精,六合之金英」,以铸铁剑。三月不成。莫邪「断发剪爪,投于炉中」,莫邪的动作就是增加含碳量。

在苏东坡时期,已经有炒钢,百炼钢,灌 钢等等工艺但是都需要反复加热锻打以脱除碳,因为反复操作铁首先成为氧化皮而消耗。《梦溪笔谈》介绍凡铁之有钢者,如面中有筋,濯尽揉面,则面筋乃见;炼钢亦然,但取精铁锻之百余火,每锻称之,一锻一轻,至累锻而斤两不减,则纯钢也,”效率低而耗时费力。苏东坡在徐州白土发现煤炭以后立刻作石炭并引:彭城旧无石炭,元丰元年十二月,始遣人访获取于州之西南白土镇之北,以冶铁作兵,犀利胜常云。

他想到::

南山栗林渐可息,北山顽矿何劳锻。

为君铸作百炼刀,要斩长鲸为万段。

 

树林可以得到保护,利国的铁矿石冶炼可以减少工作量。甚至设想直接铸造“百炼刀”接近近代工艺了。

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