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TITLE: 鐵、鋼 AUTHOR: QUENCY DATE: 02/11/2013 04:43:49 PM CATEGORY: 設計理論 STATUS: publish ---- BODY:

1.鐵(音同：帖)，iron[ˋaɪɚn] ，Fe

　　最常用的金屬。有鐵磁性。溶點1811K(1538°C)，莫氏硬度4，密度為7.874 g·cm⁻³，熱導率為80.4 W/m·K。

　　鐵是地球上分布最廣的金屬之一。約佔地殼質量的5.1%，居元素分布序列中的第四位，僅次於氧、矽和鋁。

　　鐵礦石是地殼主要組成成分之一，在自然界中分布極為廣泛，但人類發現和利用鐵卻比黃金和銅要遲。首先是由於天然的單質狀態的鐵在地球上非常稀少，而且它容易氧化生鏽，加上它的熔點（1811K）又比銅（1358K）高得多，就使得它比銅難於熔煉。

早期人類對鐵的發現

　　人類最早發現的鐵是從天空落下來的隕石，絕大部分的隕石都是石隕石，只有6%的隕石是鐵隕石或混雜著岩石和金屬的石鐵隕石。鐵隕石中含鐵的百分比很高，占80%以上，鎳一定會存在，濃度在5%至25%之間(鎳的成分可以用來區別鐵隕石的真假)。鐵隕石是鐵和鎳、鈷等金屬的混合物，在溶化鐵礦石的方法尚未問世，人類無法大量獲得生鐵的時候，鐵一直被視為一種帶有神秘性的最珍貴的金屬。

　　1972年河北藁城台西村商代遺址出土的商代鐵刃青銅鉞。全鉞殘長11.1cm，闌寬 8.5cm，鐵刃寬6cm，外刃部斷失，殘存刃部包入銅內約 1cm，已全部氧化。北京科技大学冶金史研究室鑒定為隕鐵所製成，殘刃中沒有人工冶鐵的特徵；鎳的分佈表明，該刃為隕鐵鍛造成薄刃後，澆鑄青銅柄部而成。

　　1977年在中國北京市(河北省)平谷縣劉家河商墓出土了一件商代鐵刃青銅鉞，殘長8.4釐米，呈長方形，有上下闌，鐵刃嵌入鉞身內約 1釐米，已全銹蝕。

　　1985年山西省靈石縣旌介村商墓出土鐵刃青銅鉞。

1972年河北藁城台西村商代遺址出土的商代鐵刃青銅鉞

(http://p.blog.csdn.net/images/p_blog_csdn_net/aimingoo/194000/o_%E5%95%86%E4%BB%A3%E9%93%81%E5%88%83%E9%93%9C%E9%92%BA(%E9%99%A8%E9%93%81).jpg)

1977年在中國北京市平谷縣出土的商代鐵刃青銅鉞，中國國家博物藏。

(http://www.wlqz.cn/system/ewebeditor/uploadfile/2006328171245309.jpg)

(http://www.chinabaike.com/article/sort0525/sort0533/2007/20070727148038.html)，(http://www.baike.com/wiki/中国古代陨铁刃青铜兵器)

　　這表明中國在商朝以前就認識了鐵，熟悉了鐵的鍛造性能，識別了鐵與青銅在性質上的差別，把鐵鑄在銅兵器的刃部，加強銅的堅韌性。隨著青銅熔煉技術的成熟，逐漸為鐵的冶煉技術的發展創造了條件。
 
　　鐵的發現和大規模使用，是人類發展史上的一個光輝里程碑，它把人類從石器時代、青銅器時代帶到了鐵器時代，推動了人類文明的發展。鐵器時代是考古學中三時代系統（Three-age System）中第三的主要時期，三時代系統是丹麥考古學家Christian Thomsen(1788–1865)在1836年時所提出，用來分類古代社會和史前時期所取得的進展，共分為石器時代、青銅器時代與鐵器時代。最早發現的年代是在西元前1300年，在近東的克里特島、愛琴海、希臘、安那托利亞(今土耳其境內)。(QUENCY註：鐵器時代是個專有名詞，它是指史前時期的一種分類。)

(http://news.xinhuanet.com/tech/2008-03/30/content_7884290.htm)

冷鍛->熱鍛->塊煉(海綿鐵)->生鐵冶煉(pig iron smelting)->滲碳鋼煉鋼法、百煉鋼工藝、生鐵煉鋼法(炒鋼)、灌鋼

　　在古代，煉鐵的原料主要是富鐵礦石(赤鐵礦)。 把它與木炭混合後，放在煉爐中點火鼓風，進行冶煉。 木炭燃燒，既造成高溫，又生成還原氧化鐵的一氧化碳。 實際上需要的冶煉溫度要在1000℃以上。

　　原始的冶鐵可能只是利用自然通風或用皮橐鼓風，溫度不會太高。 生成的鐵不致液化，所以產品是半熔融狀態的鐵塊，礦石中的其他未還原物質和岩石類雜質(礦渣)不能離析出來，便與鐵形成一個熔塊，因此得趁熱反覆鍛打，擠出其中大部分的夾雜物。 這種鐵就叫做塊煉鐵。 生產這種鐵費工多，勞動力大，生產效率也低。但它含炭極低，接近於純鐵，熔點雖高，但質地柔韌，易於鍛造加工。

　　塊煉鐵工藝是種低溫固態還原法，煉出的鐵呈海綿狀，結構疏鬆，且與煉渣和未被還原的礦石混雜在一起，需要反覆加熱鍛打擠出渣滓，因此有很大的局限性。塊煉鐵質地較青銅軟，使用受到限制。

　　隨著冶煉技術的提高，人們不斷加高煉鐵爐的高度，強化鼓風，煉鐵爐逐步從地坑式發展成豎爐式，燃燒強度就會加大，產率就會提高。 但也引起新的問題，隨著冶煉溫度的升高，鐵中滲入的炭量也會增加，礦石中的矽、硫、磷經過還原後也會滲入鐵中，這樣便會得到另一品種的鐵，即生鐵。 因含矽、硫、磷等雜質，熔點會降到1150℃左右。 固然容易獲得鐵水，與爐渣可以較好地分離，也便於鑄造，而且生鐵質地堅硬耐磨。但也出現了嚴重的缺點，即非常脆，幾乎完全失去了鍛造的性能。

　　生鐵冶煉採用的是高溫固態還原法，即在爐溫提高到1150～1300℃的條件下冶煉出來的。它出爐時便呈液體狀態，不僅可以連續生產，而且可以澆鑄成型，促進了鑄鐵技術的發展。

　　值得重視的是中國生鐵與塊煉鐵居然同時出現，而在歐洲，雖然很早就掌握了塊煉鐵技術，但到14世紀才利用生鐵。 我國所以能在較早的時期就煉出了生鐵，大概與我國青銅冶煉技術的高度發展有關。 因為像銅綠山冶銅遺址中所發現的那種鼓風式豎爐如果強化鼓風，那麼在加入鐵礦石的情況下就有可能煉出生鐵來。

　　 塊煉鐵雖然工效低，但工藝和設備簡單，產品又有優良的鍛造性能，在炭火中進行滲炭，即可成鋼，因而是古代鍛造鐵和鋼的重要原料，它符合了當時社會鍛製兵器和工具的需要。自春秋晚期以後，歷​​代的以塊煉鐵或以​​它為原料的滲炭鋼所鍛造的器物幾乎都發現了。例如大冶銅綠山古礦井出土了鍛製鐵工具；西安半坡戰國中晚期墓葬出土了鐵鑿；河北易縣燕下都出土了各類鍛造兵器；河北滿城漢墓出土了鐵兵器，包括中山靖王劉勝的鎧甲(由2859片鍛鐵甲片綴成)，它們都是塊煉鐵的製品。即使在西漢末期發展出了炒鋼技術以後，塊煉鐵仍然流行，例如北京順義縣東漢磚石墓出土的鐵器、陝西唐代懿德太子墓出土的鐵剪、北京元大都順承門外(今宣武門內)出土的長鐵刀，還都是用塊煉鐵(或夾炒鋼)鍛製的。

　　中國古代的生鐵則先後發展出了四個品種。 白口鐵出現最早，前述六合縣程橋出土的鐵丸和長沙出土的鐵鼎都是典型的白口生鐵製品。其中所含的碳以碳化鐵狀態存在，這種生鐵質硬而脆，斷口呈銀白色。 它的優點是耐磨，所以適合製作犁鏵之類的農具。 我們的祖先很快就給它找到了恰當的用武之地。第二種生鐵是灰口鐵，因為其中含矽較多，而它能促使鐵中的碳石墨化。因此小片的石墨使這種鐵的斷面呈灰色，而基體變成了含碳低的鐵，所以其脆性減小。 這種鐵的鑄造性能好，凝固收縮小，適用於鑄造較精巧的物品。目前最早的灰口鐵出自滿城漢墓，是用來製作車上的鐧(軸承)。由於灰口鐵中含有石墨片，有一定的潤滑作用，所以製作軸承正是它的專長。第三種是麻口鐵，其性能介於上述兩種生鐵之間，在銅綠山和滿城漢墓都出土了麻口鐵製品。第四種是韌性鑄鐵，當把白口鐵加熱、保溫，緩慢冷卻時，其中的碳便會以團絮狀石墨析出，而基體相當於低碳鋼或中碳鋼，這種過程現在叫「退火」，我國古代把這種工藝叫做「柔化處理」，所得的生鐵就是韌性鑄鐵，這是冶金史上的一項重大發明。 這種處理技術，先民早在戰國時期就開始摸索，在兩漢至南北朝期間得到了廣泛的發展。 出土的韌性鑄鐵器物則不勝枚舉。

　　歷來的生鐵主要消耗在鑄造各種農具、車具上。另外還有一些別的利用，說來饒有趣味。南宋以後曾用生鐵大量鑄造砲身，有的砲身長達數米，重量從數百到數千斤；西漢中山靖王墓的夾牆裡、唐代乾陵墓道的砌石間、著名的隋代趙州橋的石塊間原來都澆灌了生鐵水，難怪堅固無比，這種工藝叫做「冶金固隙」；河北滄州後周所造的鐵獅子是用10餘萬斤生鐵鑄造的；山西晉祠的四個大鐵人則是趙宋時的大型生鐵鑄件；浙江雁蕩山能仁寺的大鐵鍋，直徑達2.2米，註明宋代元祐七年(公元1092年)造，重達27000斤。此外，古代鑄造的鐵塔很多，泰山有一座明代嘉靖間鑄造的鐵塔，13層，全高竟達10多米。

　　可以說中國是世界上最早生產鋼的國家之一，確鑿的記載和出土文物可以證實，早在春秋晚期，即冶鐵誕生不久，就已向煉鋼過渡。

　　從長沙楊家山65號楚墓(春秋晚期)中曾出土一把銅格鐵劍，經金相檢驗，證明它是鋼製的，這是目前發現最早的鋼器。在易縣戰國時期的燕下都也出土過鋼劍，經過檢驗，揭開了戰國時期煉鋼技術的奧秘。它是以塊煉鐵為原料的，把它放在炭火上加以鍛打，在排擠出其中夾雜物的同時，炭從表面滲進去，所以形成表面炭多，內部炭少的現象。 鍛打後鐵片延伸，工匠便折疊起來繼續鍛打，並打製若干片鍛接成劍身。因此在劍的橫截面上就形成了含炭高低相間的分層結構。這就是中國最古老的所謂滲炭鋼的煉鋼方法。工藝比較簡易，所需溫度也比較低，當然生產效率也較差，質量也不大好。 還值得一提的是，燕下都出土的滲炭鋼有的業經淬火。可能初時是工匠們為了使鍛成的刀劍冷卻得快些，便趁熱把它浸到冷水中，後來發現這樣做可使鋼變得堅硬，於是便逐步形成了一項專門的淬火工藝過程。

　　工匠們在煉製滲炭鋼的過程中，當然會發現反覆加熱鍛打，次數越多鋼件就越堅韌，於是便發展出了百煉鋼工藝。「百煉」可以使鋼的成分均勻化，夾雜物減少和細化，使鋼的質量顯著提高。這種鋼可算是我國古代鋼鐵材料中質量最高的品種。 冶金史家們曾檢驗了滿城漢墓中的劉勝佩劍，就是百煉鋼製品，而且刃部經過局部淬火，所以背部柔韌而刃部堅硬、鋒利，可謂柔剛結合。 這正是《漢書‧王褒傳》中所說：「巧冶鑄干將之樸，清水淬其鋒。」這表明淬火工藝在西漢時已達到成熟階段。 這種鋼質量固然很高，但可以想像，「千錘百煉」是十分艱辛的工作。據說， 曹操曾請名匠為他煉製五把寶刀，竟費了三年之久。 他把這種刀稱為「百辟刀」，意思是說它極為鋒利，連妖魔鬼怪都會被它嚇跑。 也正因為這類製品鍛造辛苦，手藝精湛，所以備受後人稱頌。 浙江省龍泉縣相傳是歐冶子曾經造劍的地方，後人建有歐冶廟，至今仍是「龍泉寶劍」的產地，享譽中外，也正因為那裡的匠師們繼承和發揚著我國兩千多年來的百煉鋼傳統工藝。

　　西漢後期，在我國煉鋼史上出現了一次重大的技術革新，創造了以生鐵煉鋼的新工藝，那就是「炒鋼」。 炒鋼是把生鐵加熱到熔化或基本熔化以後，放在陶質熔池中繼續加熱並不斷攪拌，借助空氣中的氧把生鐵中的碳及硫、磷等部分地氧化掉而成為鋼(圖2-4)。 當然，在古代的技術條件和知識水平上，炒鋼中的碳含量很難控制在理想的狀況，而往往是一炒到底，把生鐵炒成了熟鐵，所以炒熟鐵與炒鋼實質上是一回事，熟鐵就是含碳已極少的炒鋼。 在東漢以後，隨著炒鋼一熟鐵這種新工藝的出現，有些百煉鋼就轉而改用熟鐵為原料了。在山東臨沂地區蒼山出土過一把東漢永初六年(公元112年)造的「三十煉」大刀，是目前發掘到的最早的以炒鋼為原料的百煉鋼類型製品。這種百煉鋼質量極高，東漢後歷代名劍寶刀多是用這種工藝鍛造的。《晉書》記載，有一種名叫「大夏龍雀」的百煉鋼刀，被譽為「名冠神州」、「威服九區」，大約就是以炒鋼為原料鍛造的。

　　大約在晉一南北朝時期，又有一種別開生面的「灌鋼」技術問世。這種煉鋼工藝的科學原理是根據生鐵含碳分過高，質硬而脆，熟鐵含碳又過低，質柔不堅。而生鐵較熟鐵相對來說熔點相當低，如果把生鐵與熟鐵相互配合，放在一起加熱，則生鐵熔化，滲入熟鐵中，兩者性質便會折中起來，所以「生熟相加，煉成則鋼」(宋應星語)。 這種煉鋼工藝到了南北朝時期就有了明確的記載，當時南朝的一位醫藥與煉丹大師陶弘景就說過：「鋼鐵是雜煉生鍒〔rou柔，指柔軟的鐵，即熟鐵〕作刀鐮者。」東魏的一位道士綦〔qi其〕毋懷文曾用這種鋼鍛造了一把寶刀，稱之為「宿鐵刀」，據說極為鋒利，他作過一次表演，把鐵甲疊成30札，手起刀落，竟截為兩半。那麼又為什麼叫宿鐵刀呢？ 《北齊書‧方伎列傳》有所說明：這種刀所用的鋼是使生鐵與熟鐵同宿一起，如兩性交配一樣，把生鐵精燒熔後灌注到熟鐵中去，連宿數次，於是成鋼。當時的匠師們對鋼和鐵還沒有多少科學知識，居然能從祖祖輩輩的長期煉鋼經驗中總結出這種巧妙的方法，實在令人驚嘆佩服。到了宋代，灌鋼工藝更趨成熟，北宋學者沈括的名著《夢溪筆談》對它的介紹就更清楚了。 那時是把熟鐵條屈繞成盤，把生鐵塊嵌陷在盤條間，用泥封固起來，入爐燒煉，煉成後取出鍛錘成鋼。他說這種鋼也叫「團鋼」。 這種工藝一直到明代仍很流行。 宋應星的《天工開物》中也有翔實的介紹。

圖2-4生鐵炒鋼 (採自喜詠軒版《天工開物》)

(http://yw.eywedu.com/wenhua/ShowArticle.asp?ArticleID=4627)

　　英文「iron」和中文「鐵」都有堅硬的語意，實際上，其莫氏硬度4，不過是中等級硬度值。鋼的硬度值為4.5；若為硬化鋼可達7.5-8，這種硬化鋼指的是中碳鋼或高碳鋼，並經熱處理，淬火和回火。

　　至今鐵仍然是現代工業的基礎，人類進步所必不可少的金屬材料。

2.鋼(音同：綱)，steel [stil]

　　是一種合金，其主要成分以鐵為主，占98%。再加入碳(C)、錳(Mn)、矽(Si)、磷(P)、硫(S) ，此五種元素稱為鋼的五大元素。

碳對鋼的性質影響

錳對鋼的性質影響

矽對鋼的性質影響

磷對鋼的性質影響

硫對鋼的性質影響

氮、氧

熱處理

鋼可分為碳銅和合金鋼。

鋼的保護

  油漆

  鍍鋅

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