烈火与利剑
——探秘金属材料
文/张雨晨
导言：
从街上的大众汽车到遨游星海的神舟飞船，从万吨巨轮到微米电极，我们的现代生活已经充斥着各种各样的金属制品。可以说，我们的人类社会从整体看来，早就是一个“铁比肉多”的机械改造人了。但是，对于这些从文明伊始就伴随我们一路走来的“铁疙瘩”，我们又究竟了解多少呢？
下面就让我们来认识一下这些熟悉又陌生的沉默朋友吧。
一、星骸
金属是星辰凝固的余晖。
正如我们所熟知的那样，支持恒星发光发热，同时不被自身巨大引力压垮的原动力，就是能够带来巨大能量的核聚变。最为典型、常见的核聚变，就是太阳上发生的氢聚变。在恒星的极端环境中，四个氢原子会被强行“合体”成一个氦原子。而这个过程中丢失的质量，则会按照质能方程的描述，转化为磅礴爆发的能量。无尽的聚变能量中的九牛一毛，就足以养活地球上的亿万生灵。
核聚变的力量是如此狂暴，以至于人类至今仍然无法将其驯服，只能用来制作带来混沌与毁灭的氢弹。不过反过来说，太阳作为一颗主序星，本身就是一颗超大氢弹。
如果我们的好奇心再接着往前多走一步，一个很有趣的问题就会出现：核聚变的链条是否会一直传递，或者有一个黑色的终点潜伏在元素周期表上，为这些看似无上神圣的光芒巨物带来永恒的死亡？
以我们的太阳为例，当核心的绝大部分氢元素转化为氦元素后，原本稳定燃烧的太阳将会膨胀为一颗红巨星。而随着温度与压力的持续上升，星球核心的环境条件终将越重元素，至少有一颗比他头上的太阳大出十倍——甚至百倍、千倍的恒星为此粉身碎骨，并在黑暗的宇宙中绽放出令万千星辰黯然失色的盛大光华。
二、青铜时代
不过，最早为人类撬开文明大门的，却并不是堪称“弑星者”的铁，而是比它更加“沉重”的铜。
过氦聚变的阈值。此时，原本已经暗淡的巨星将再次爆发出名为“氦闪”的耀眼回光，并最终化作一颗密度颇高的超级钻石——白矮星，从此与寒冷和黑暗永世为伴。
实际上，论在地壳中的储量，铜并不如铁。但地球表面的绝大部分铁都在20多亿年前可能与早期生命有关的“大氧化”事件中被氧化，因此铁矿的开采冶炼难度比起铜矿要高不少。
但对于一颗质量远大于太阳的巨型恒星，情况又将变得更加复杂。巨大的体积带来了更多的重燃机会，一个比一个“沉重”的元素如同一代又一代的帝王，不断传递着聚变的火焰，推迟着毁灭的时刻。但每一次，聚变的条件都更加苛刻，释放的能量却越来越微茫。
目前的考古科学表明，人类使用铜的历史颇为悠久。早在6000-7000年前，刚刚诞生早期文明的西亚两河流域就已经出现了大规模使用铜器的证据。这种比起石器更好用的全新材料，很快就引起了一轮上古时期的技术革命。在经过大量有心无心的摸索后，一种熔点较低、便于加工而且硬度很不错的合金——青铜，被人们发现。
终于，当聚变的薪火传递到铁的时候，这个苟延残喘多时的体系终于迎来了积蓄已久的崩溃。这种有着极高比结合能、原子核极为稳定的26号元素，在聚变反应中释放的能量根本入不敷出。因此，当巨型恒星形成了一个超高压气态铁核后，命运就不可避免地走向了毁灭。在这最后的时刻，趋于疯狂的核心环境将会让铁元素继续进行饮鸩止渴的聚变，诞生出许多在元素周期表上排位更靠后的重元素。最终，一场堪与群星争辉的超新星爆发将会终结巨型恒星那短暂而灿烂的一生。而这些重元素物质，或是被巨大的引力俘虏、压成中子星甚至黑洞，或是借助爆发的力量逃离引力陷阱，成为散布寰宇的磅礴星云。
青铜时代开始了。
在现代语境下，很多铜合金都被泛称为青铜。不过在几千年前，我等先祖所大量使用的青铜主要是铜与锡、铅混合的铜锡合金。经过这样的混合，青铜有了更低的熔点和更好的流动性，成了理想的铸造材料。莲鹤方壶、云纹铜禁、后（司）母戊鼎、四羊方尊、三星堆立人像等国宝级文物，宇宙中几乎所有的重元素，都是由此而来。当大汉天子拔出腰间的错金环首钢刀时，根本不会想到，为了凑集这些都是用青铜铸造的。
与大部分现代人根据出土文物想当然得出的印象不同，未经氧化摧残的青铜并不“青”；相反，不管是在温泉关力战波斯不死军的斯巴达勇士，还是乘着驷马战车驰骋疆场的春秋公爵，他们身上披挂的青铜铠甲都是耀眼的金黄色。
此外，青铜的硬度也比柔软的黄铜高出很多，足以铸成锋利的武器。不过，青铜武器在战士们看来仍然稍嫌脆弱，在狂野厮杀的战场上很容易就磕得满身崩缺甚至“折戟沉沙”。因此，用青铜铸造的武器，往往都是厚重的战斧、宽阔的枪头以及短小精悍的单手刀剑。一些过于修长的青铜刀剑，往往都是用于仪式的礼器，而非实战武器。
为什么青铜明明很硬却不够结实呢？这就要从硬度的基本定义说起了。
工程领域所说的硬度，是指材料表面抵抗更硬物体压入的能力。不管是用钢球（布氏硬度）还是钻石（洛氏硬度），硬度的测量都无法与我们日常理解的“结实”直接挂钩。在实际应用中，硬度这个指标，主要是用于描述物体的耐磨性。
举个例子，我们认为很“脆弱”的玻璃，实际上有着颇高的硬度，因此需要镶有金刚石的专用玻璃刀才能将其切割。但玻璃在受到外力时，却很容易出现断裂。这种“宁折不弯”的特性，就是脆性。与之对应的，则是在外力作用下产生形变但不会断裂的“塑性”。至于真正用于形容物体“结实”、在外力载荷下抵抗变形断裂的属性，则有着自己独立的名字“强度”。而青铜铸造的武器，恰恰就是强度稍显不足。
不过，当火药驱动的身管火器开始喷吐致命的弹幕时，青铜却重返战场。经过仔细配比成分的青铜，有着在铸造件中非常优秀的性能。在近代工业钢材出现前的近古时期，铸造巨型火炮的主要材料，一直是青铜。奥斯曼帝国在1453年攻破君士坦丁堡的关键武器，就是用青铜铸造的“乌尔班巨炮”。这台战争巨兽的骇人威力，相信所有读过《三体Ⅲ·死神永生》的科幻迷都会记忆犹新。
当历史进入工业时代后，铜的很多理化特性开始让它在现代生活中大显身手。铜良好的导电和导热性，使其成为制作电线和散热片的重要材料。我们手边的现代电器，随便拆开一个都能翻出不少铜制元器件。铜良好的延展性，则非常适合批量制造子弹壳这样的冲压件。而铜不易磁化的特性，对于机械表游丝等需要精密运作的机械部件来说也是个大好消息。此外，经过现代冶金技术“重塑”的青铜，更是老当益壮，在各种机器中发挥着关键作用。
不过，我们环顾身边，最常见的金属，恐怕还是终结恒星的铁。
三、钢铁咆哮
“钢铁是怎样炼成的？”
这个问题恐怕很多天天接触钢铁的人都不好回答。拜“大氧化”事件所赐，地球表面的大量铁矿石对于古典时期的先民来说颇为鸡肋。最早被人类利用的钢铁，是来自外太空的陨铁。这些在宇宙中飘流的现成铁块，天然有着很高的纯度，并会在酸洗后显露出极其漂亮的独特结晶花纹——那是陨铁在太空中以百万年为单位缓慢降温才能形成的特殊结构。
而最早将铁矿石转化为钢铁的，则是赫梯人。早在4000多年前，这个居住在安纳托利亚半岛的尚武民族就率先突破了钢铁冶炼的技术难关，并立刻借此开始了对外扩张。虽然赫梯帝国一直将钢铁冶炼视为镇国机密，但这个技术还是如烈火般传遍了亚欧非三大洲。从此，人类开启了绵延至今的“钢铁时代”。
不论古往今来的冶炼技术有着多么翻天覆地的变化，基本原理都是完全一致的。在冶炼时，需要将铁矿石、焦炭、石灰石（助熔剂）按一定比例投入高炉。经过持续加温后，氧化铁将被还原，产物即为我们一般语境下的“生铁”。
有趣的是，生铁虽然名字里有个“铁”字，实际上却并非纯铁，反而含有大量的碳以及其他杂质。而且生铁的机械性能也不够好，尤其是现在已经不太常用的铸造生铁，又硬又脆——家里用过老式铸铁炒锅的朋友们可能还有印象，偌大一个黑锅，往往一摔就碎，甚至炒菜用力太猛了都可能捅个窟窿。也正因如此，即便到了近代，像大炮这样最好能整体浇铸的大型金属件，还是常常需要用铜来制造。
面对这种“恨铁不成钢”的情况，我们就需要对生铁进行二次加工，把它重新丢进高氧、高温的转炉甚至电炉中脱碳，并同时脱去硫、磷等不利于钢材性能的有害元素。经过这样的“炼钢”步骤，我们熟悉的钢材就正式出厂了。
根据含碳量的不同，钢材的性能也有着明显的变化。低碳钢韧性很好，但不够“坚强”；中碳钢性能最为平均，广泛应用于生产生活，我们日常最常见的45号钢，就是含碳量0.45%的中碳钢；至于坚硬的高碳钢，则主要用来作为切削工具以及模具。
当然，钢铁一经发明，最先就被用于战争。目前年代最早的铁器，就是一把赫梯短刀。
虽然修辞上经常会用“铸剑”来形容刀剑的制造，但在进入钢铁时代后，这个沿用自青铜时代的术语已经不再准确。相对铸造，锻造技术能够更好地改善钢铁造物的力学性能。反复的折叠锻打可以使金属内的晶粒变得细密均匀，同时也能排除冶炼时混入的杂质和气孔。古代炼出的钢材往往含碳量不匀，更需要折叠锻打脱碳来稳定含碳量，所以才有了“百炼成钢”的说法。而这些如揉面般反复折叠锻打的好钢，往往会在表面形成飘逸细密的花纹，也就是各种演义小说中常说的“镔铁”。
既然合格的钢锭已经准备完毕，下一步就是要把“好钢用在刀刃上”了。自青铜时代起，刀剑在选材上就有一个矛盾，刃口需要高硬度，才能尽量不卷刃崩刃，但剑身又希望韧性强一些，免得在暴力使用下折断。以古代的冶炼技术，单一钢材显然难以同时兼顾这两种要求。所以世界各地都纷纷采用了“硬包软”的包钢或者“软夹硬”的夹钢技术，通过组合不同性能的钢材，同时兼顾刃口的硬度与剑身的坚韧。
在锻打成型之后，新鲜出炉的钢条还需要进一步的热处理，其中尤为重要的，就是在水或油中进行的淬火。这个快速降温的过程可进大大增加刀剑的硬度。此外，对于经过反复锻打才成形的刀剑来说，有时还需要“回火”——也就是重新加热软化，来消除积累在材料内部的强大应力。
为了进一步强化刀剑性能，古人甚至在热处理上也动起了脑筋。比如以精良锋锐闻名于世的日本刀，就有着极为独特的“覆土烧刃”技术。这个技术简单来说，就是在成形的刀条上包裹泥土，只留出刃区在外。这样在淬火降温的过程中，包覆泥土的刀身降温速度较为缓和，韧性更好，而裸露刃口则迅速降温，硬度显著提升。现代检测结果表明，优质的日本刀在刀刃区域硬度会急剧上升，甚至可达刀背硬度的几倍，确实堪称宝刀。日本刀上那个标志性的“波浪纹”，就是覆土的分界线——刃纹。
不过，即便是千锤百炼的神兵利器，因钢铁易于氧化而产生的锈蚀依然难以避免。这个恼人的问题对于古人来说，除了殷勤擦拭上油之外，还真没什么更好的办法。想要一劳永逸将这个难题解决，就得靠最近两百年内突飞猛进的现代材料科学。
我们熟悉的不锈钢，实际上是含有较高比例铬的合金钢。不锈钢一旦接触到空气，其中掺杂的铬就会在表明形成1-2纳米厚的钝化膜，从而隔绝了空气对钢铁的进一步氧化；即便表面有磕碰磨损，断面上也会迅速形成新的氧化膜。因此，不锈钢广泛应用于工程、医疗和生活领域，也就毫不奇怪了。
除了不锈钢之外，我们的生活中还有很多合金钢。比如说锰钢，就在硬度、强度和韧性等指标上实现了全面发展，除了一次铸造成形后不便于二次加工的小毛病外，几乎满足了古人对钢材的全部幻想，堪比传说中的“玄铁”。在坦克装甲、履带、挖掘机铲斗等需要长期“艰苦劳动”的部件上，都能看到锰钢的身影。而硬度颇高的钨钢，则可以作为优质的高速切削钢，即便在高速摩擦的高温状态下，钨钢依然可以保持坚硬锋利，甚至能用于制造足可将坦克一击必杀的穿甲弹。
而随着科学与技术的进一步发展。人们对钢材的研究也深入到了微观晶体结构的层面，冶炼技术也有了极大的进步，出现了将钢水雾化成粉后再通过高温高压重新结为一体的“粉末钢”。这种造价不菲的钢材内部结构高度均一，其惊人的机械性能，古人怕是想都不敢想的。
不过，钢铁再怎么“超进化”，却依然摆脱不了自身密度过大的问题。对于新兴的高速车辆、飞机甚至宇宙飞船来说，坚韧的钢铁显然太过沉重了。
四、秘银
托尔金的传世名著《指环王》中，这位幻想文学泰斗在中土大陆创造了一种极为稀有的神奇金属——秘银。用它编织的锁子甲刀枪不入、水火不侵，却又轻若鸿毛，是矮人王国的无价国宝。
现实中究竟有没有这样一种兼顾重量、强度以及理化稳定性的金属呢？
那就是钛合金。
钛是一种颇为神奇的金属，虽然本身化学性质挺活泼，但表面却可以形成类似不锈钢的钝化膜，从而表现出极佳的稳定性。现在常用的钛，基本都是含有铝等其他金属的钛合金。有趣的是，钛和铝这两种轻质金属，在刚被人类发现时，都曾因难以制备而贵过黄金。在近代欧洲宫廷里，铝制餐具一度是超越金银的至尊规格，令生活在现代的我们啼笑皆非。
如今，随着科学的发展，钛合金已经有了足以大规模应用的产量。钛合金轻盈、耐冷耐热且足够坚固的特性，使其成为航空航天载具的理想材料，甚至一些高档赛车都会用它制作。此外，这种银白的金属与我们的身体组织也有着极好的相容性，植入体内的钛合金医疗部件，可以在体内安然存留几十年；而且钛没有磁性，体内有钛合金植入物的患者可以安心趟进核磁共振仪内进行影像学检查，完全不受影响。
正如科幻动画《全金属狂潮》中那个以“秘银”为名的黑科技佣兵团一样。想要让幻想中的秘银走入现实，唯有依靠我们自己的双手和大脑。那些连超新星都无法“压制”、在宇宙中几乎不存在的超重元素，现在纷纷在人类的对撞机中诞生。随着科学与技术的携手发展，未来的金属材料，将会继续陪伴我们创造一个又一个全新的奇迹。
【责任编辑：刘维佳】
