《迷人的材料》精读5

№4 第一章 钢铁是怎样炼成的（1）

作者的一个朋友布莱恩，神秘地向他兜售自己伟大的发明计划——电动磨刀机。如果这个发明能够成真，将会引起“剃刀革命”——人们不需要再更换刀片了，而他也将一夜暴富。那么，这个想法有无可能实现呢？

（一）晚熟的科技

在地壳上只有两种金属是自然存在的：铜和金。其他金属都必须从矿石中提炼。虽然人类炼铁的历史已历时数千年，但直至19世纪，炼钢技术依然处在经验阶段而缺乏理论认识。从经验角度来看，与其他材料如木头、石头等相比，金属的特点很明显：

金属具有可塑性，通过加热能够变软甚至流动；

同时，金属还能通过敲打变得更强韧。

从以上两点来看，这种软硬自如还能重复利用的材料，岂不是制作工具的最佳材料？

那么，金属的结构是怎样的呢？金属由晶体组成，晶体则是由原子按特定方式堆积而成的立体晶格，而原子之间则由金属键所固定，这便是金属之所以坚韧的关键。那么，一把刀为什么在长期使用后会变钝呢？这是因为在反复撞击后，金属键被打断了，晶体产生位移，结构发生改变。回到磨刀机上来，磨刀的基本原理就是反转上述过程，恢复晶体结构。

接着，作者为我们介绍了“位错”的概念。所谓位错，即原子因断裂而偏离了原本的构造。如下图：

图片发自App

但要注意的是，位错并非一种“错”，恰恰相反，我们之所以能改变金属形状，就是利用了它的位错。譬如回形针，它之所以能够被随意掰弯而不会像木棍一样断裂，就是因为位错的移动。换句话说，位错决定了金属的可塑性。如何使金属产生位错呢？加热。金属熔点的高低代表了金属键的强度，也代表了其产生位错的难易程度。因此，加热成为了提炼金属的关键方法。而人类对这个方法的掌握则终结了石器时代。

（二）金字塔与铜

金字塔是用大量岩石砌成的，与铜有什么关系呢？这无数形状规整、大小相似的岩石，难道是天然生成的吗？显然不是。为了造金字塔，古埃及人制造出了约三十万把铜凿子，以此来凿出理想的岩石形状。光铜凿子这个成就本身也足够伟大了。因此我们也可以说，没有金属铜就造不出金字塔。但是铜的硬度并不够大，因此容易变钝；同理，金的硬度也不大，因此很少有纯金的戒指，不然很容易刮坏变形。但人们发现，只要加入百分之几的其他金属，形成合金，就能改变金属的颜色、硬度。

合金的原理是什么呢？譬如金银合金，即是用外来的少量银原子取代了每个晶格里一个金原子的位置，由于外来原子的大小、结构、性质不同，扰乱了原本金属晶体的结构，从而使位错更难发生，因此金属才变得更坚硬。合金还能改变金属的颜色，例如原本透明的纯氧化铝晶体，如果加入铁原子，就变成了所谓的蓝宝石；如果加入了铬原子，则变成红宝石。

从黄铜时代到青铜时代，再到铁器时代，合金越来越坚硬，其背后便是合金技术的进步。青铜其实便是铜加入了少量的锡和砷。