化工史話2:百鍊成鋼——鐵基材料介紹

來自專欄 YEBOSS的化工知識大雜燴

上回書說道，經過漫長的發展，人類終於掌握了鐵的煉製技術，而我們終於能夠獲得一種強度高，經濟性好的材料，並且一直沿用至今。在這一講中，我想給大家介紹一下鐵基材料的特性，以及在化工中的應用，繼續想到哪寫到哪，最後會在重要的知識上加粗表示。

首先，我們現在已經很少能見到真正的純鐵了，我們概念中的鐵實際上都是鐵基合金。真正的純鐵柔韌性特別好，和我們上一篇中說的鉛類似，這種材料顯然是不能作為建築材料為設備提供強度的。但是偏偏非常幸運的是，在早期人類是無法煉出純鐵的，古人煉出的鐵或多或少都含有雜質，主要是碳含量大概在2%-4%之間。而碳的加入反而讓鐵有了一定的強度，可以作為工具與設備材料，我們煉出了一個不純的東西，可是偏偏它就有用，可謂是歪打正著。之所以煉出的鐵中含碳，那是因為煉鐵的過程實際上是用木炭還原鐵的氧化物，木炭本身就作為還原劑，因此不可避免的殘留在鐵中。

鐵基合金含碳量對材料性質的影響可謂是非常複雜，涉及到非常多的晶體與固體材料的知識，在這裡我們把這個問題簡化簡化再簡化，單純以含碳量對鐵基合金來做個分類。

首先，我們要知道，自然狀態下，我們煉出來的鐵，其含碳量在2%-4%左右。一般來說，含碳量高的鐵硬度大，但韌性也差，表現出來的特點就是易脆。由於材料脆性比較大，因此機加工性能特別差，比如說給鑄鐵板鑽孔，一不小心就能把整塊板都鑽裂了。因此，要把這種材料加工成我們想要的形狀，最可行的辦法就是倒模。把鐵融化以後變成鐵水，然後倒進位定形狀的模具里成型。這種加工方法叫做鑄造加工，因此我們一般吧含碳2%-4%的鐵稱為鑄鐵。

鑄鐵實際上在生活中非常少見，好像我們比較熟悉的就是大鐵鍋了，其他的我們認為是鐵的東西實際上都是鋼。但是在化工生產中，鑄鐵還是比較常見的，主要是用來製造各種各樣的閥門和管件。

鑄鐵的耐腐蝕性能尚可，至少比碳鋼好一點，之所以如此是因為鑄鐵本身純度不高，還含有一些其他元素，最終提高了它的耐腐蝕性能。此外鑄鐵家族裡還有一個耐腐蝕性妖孽級別的存在，那就是高硅鑄鐵，這種鑄鐵裡面含硅可以到10%以上，據說在顯微鏡下觀察可以發現材料表面覆蓋著一層二氧化硅。該材料耐腐蝕性能幾乎和玻璃一樣，百毒不侵。

在獲得了鑄鐵之後人類還不滿足，因為鑄鐵的缺點非常明顯，由於質地非常脆，因此鑄鐵不適宜作為工具和武器。試想古代戰爭，你拿著你家祖傳的鑄鐵大寶劍，和敵人對了一劍，然後寶劍就碎了，你心裡一定是崩潰的。或是因為巧合，或是因為有意為之，人們發現，對鐵進行反覆鍛造後，鐵的韌性和強度都能得到明顯增強，一種新的鐵基合金——鋼被製造了出來。

鋼材這裡指碳鋼，一般要求碳含量在0.02%-2%之間，低於鑄鐵。根據含碳量不同可以分為低碳鋼，中碳鋼和高碳鋼。一般來說碳含量越高剛才越硬，碳含量越低鋼材的韌性越好。剛才可以說是人類發現的最完美的材料，首先是鋼材非常便宜，因為鐵本身在地殼內丰度就很高，不同與銅，銀，金等稀有金屬，鐵礦還是相當常見的。此外就是鋼材的力學系能太好了，強度與鋼度完美平衡，恰到好處，而且關鍵是可以調節，只要變動含碳量，就能得到不同力學性能的產品。在化工生產中碳鋼的應用是非常廣泛的，既可以做管道，也可以做設備主體，還可以用來做鋼結構，用於支撐設備，簡直就是萬金油一般的存在。

碳鋼用途這麼廣泛就沒有缺點嗎？你別說，缺點是真的有的而且非常嚴重，那就是碳鋼的腐蝕比鑄鐵嚴重很多，上面這張圖你看到的罐子都刷了漆，一方面是為了好看一方面也是防腐作用。碳鋼直接暴露在空氣中會產生嚴重的腐蝕，主要是由空氣，水分共同作用導致的。實際上碳鋼在乾燥條件下的腐蝕並不嚴重，在中性與鹼性條件下如果隔絕空氣也可以有效阻止腐蝕。例如在純鹼工業里由於物料是鹼性的且不接觸空氣，大部分設備都可以用碳鋼。

鑒於碳鋼的耐腐蝕性問題，人們又開始孜孜不倦地尋找新型材料了，在一個非常巧合的情況下，一種可以耐受腐蝕的鐵基合金——不鏽鋼誕生了，關於不鏽鋼誕生的故事我們下回再說吧。

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