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金屬材料與人類文明

大约在公元前5000年,人类从石器时代进入了铜器时代,后在公元前1200年又进入了所谓铁器时代,它们是标志人类生产力发展的里程碑,具有划时代的意义。金属材料的出现表明当时人们在获取高温和耐火材料(陶器)技术达到了一个新的高度,人们学会了用炽烈的火焰在陶质容器内把金属熔化,然后倒在模腔内,铸成剑和箭头。铜比铁先应用,主要因为在自然界中存在着天然铜,而且铜的熔点比铁低。在炼铜技术逐渐发展的过程中,人们事实上已经运用了“合金”的概念,最早的合金可能是青铜,它是由大约九成铜、一成锡融合而成的,人们发现随着锡的比例增大合金变硬,也就是说, “合金”比单一的金属更坚韧,因此人们制造出不同含锡量的青铜,以适于不同的用途,后来又出现了铜和锌的合金即黄铜。尽管工匠们这样做完全是凭其经验,并不知其所以然,但是也反映了人们的智慧和创造情神。

在古代,除了銅和鐵以外,人們還會制造鉛和錫的制品,同時也出現了金和銀。金和銀被稱爲“貴金屬”,因爲它們具有豔麗的光澤,而且長期不褪,此外它們可以經過反複熔化而重量損失甚少。正是由于這些特點,人們用它們做成首飾,美化自己。後來,貴金屬自然地成爲貨幣。使用貨幣,是人類生産力發展並有剩余物資流通的標志,是人類文明的一大進步,這時人們占有貴金屬的多少成爲衡量財富的尺度,人們追求的是它們作爲貨幣的身份而不是一般的使用價值了。從這一點上,也可反映金屬材料和人類社會經濟的發展有著多麽密切的關系。與金銀相對的其他金屬銅、鐵、鉛、錫等當時相對地被稱爲是“賤金屬”,古代人們並不清楚金屬爲什麽會有貴賤之分。人們很自然地設想,能不能把“賤”金屬變成“貴”金屬呢,這不是一個最好的生財之道嗎?不難理解,公元初期在中東興起的“煉金術”或“點石成金”的熱潮,當時認爲“點金石”可以把賤金屬變成貴金屬,直到17世紀末這種追求在中東和西歐仍然盛行。客觀地說,不能把古代的煉金術完全看成是一種愚昧的行爲,盡管有一些利令智昏的人,他們想憑借咒語乞求神的幫助點石成金,陷入了不切實際的夢想,然而與此同時,也有許許多多的工匠們他們不靠什麽咒語,而是在紮紮實實地做著各種各樣的試驗,最後創造了不亞于煉金術的奇迹,他們發現了把礦石轉變成金屬的方法,即用木炭把礦石還原成金屬的熔煉技術。在開始階段,由于雜質的影響,金屬的質量不高,有人把它歸咎于魔鬼作祟,然而隨著技術的進步,這些“魔鬼”一個一個地被征服了,這不能不說是人類文明的進步。哲學家弗朗西斯·培根做了一個很形象的比喻:煉金術可以比做一個老人告訴他的兒子說,他把留給他們的金子埋在葡萄園裏了,但他的兒子們翻遍了葡萄園的沃土,找不到任何金子卻獲得了葡萄的豐收。

從中世紀到工業革命的時期,金屬生産向著規模化的方向發展,一些效率更高的大型煉鐵爐被建造起來。據記載1711年英國出現了高6m和2.5m見方的“高爐”,日産鐵6t,這種爐子建在山坡上,工人們把礦石和木炭從半山腰的平台上倒入爐中。以後這些爐子改用焦炭,並加上鼓風,慢慢演變爲近代的高爐,這是煉鐵工業的起點。由于鐵的大規模生産,隨之而來的是人類物質文明的進一步提高,鐵軌、鐵橋、鐵船、鐵管、鐵塔如雨後春筍,遍地開花。

1856年8月一个叫亨利·贝塞尔的英国人宣布了他的把铁炼成钢的方法。他把空气直接鼓入铁水中,使杂质烧掉。贝塞尔是一个值得称赞的发明家,他遭受了许多失败和讥讽,但是他偿还了所有债务,继续坚持下去,直到成功。虽然他成功了,但他仍然遭到反对,人家不相信他的钢比铁好。有一次他劝说一位铁路工程师用钢建造铁路,得到的回答却是: “你想看到我因犯杀人罪而受审吗? ”20多年后,1879年12月29日夜,一列火车经过曾被称为世界工程奇迹之一的苏格兰泰河大铁桥时,大桥坍塌,78人丧生,桥断的主要原因是铸造缺陷和材质问题。血的教训使人们正视到当时己能大规模生产的钢是更适合的工程材料,于是,钢轨、钢桥、钢船、钢枪、钢炮……逐步取代了铸铁。

电的产生与应用是人类社会近代发展的最重大转折,但是应该记住,正是金属才是人类这一进步的阶梯。 1831年迈克尔·法拉第发现了电磁感应原理,解决了电动机、发电机的原理;1861年安东尼奥·帕西诺蒂发明了用铜做的环状绕组系统,使发电机的制造切实可行;1870年吉伯·格拉姆在上述基础上才做成了发电机;1879年一台发电机在柏林展览会上表演,驱动了一辆载有20名乘客的三节小型电气机车。正是由于金属材料优良的导电性,使得电的产生与应用成为现实,从而推动了人类电器化时代的车轮。

19世纪未到20世纪中叶,是合金钢和其他金属材料飞速发展的时代,低合金高强度钢、超高强度钢、合金工具钢、高速钢、不鏽鋼、耐热钢、耐磨钢、电工用钢等等相继研究成功,加上鋁合金、铜合金、钛合金、钨合金、钼合金、镍合金,以及各种稀有合金,全世界合金的品种达到数万种,生产量和消费量大幅度增长。在全社会的经济发展中发挥了主导的作用。1910年新的工具钢W18Cr4V的发明曾经震撼了世界,这种合金有很高的硬度,而且当温度达到600℃时硬度也不会下降,从而大大提高了刀具的耐用度,可使机床的切削速度成倍增长,所以这种钢被誉为“高速钢”,它对当时机械工业的发展起了极其重要的推动作用;不鏽鋼的发明是材料发展史上又一项重大成就,从20世纪20年代开始工业规模生产,为化学工业的发展做出了重大贡献,至今全世界不鏽鋼年产量近2000万吨,能满足许多重要部门的应用,并仍在不断发展,精益求精;超高强度钢从20世纪40年代开始,一直是合金钢发展中的热点之一,和钢的强韧性理论并驾齐驱,人们千方百计利用一切手段,如:固溶强化、细晶强化、位错强化、弥散第二相强化、相变强化等,提高钢的强度并维持良好的韧性,屡有新的突破,在制造固体火箭发动机壳体、高压容器、飞机起落架、飞机机身大梁、原子能离心分离机筒体等国防与高新技术领域中熠熠生辉,令人瞩目。这样的例子不胜枚举。没有金属材料哪能有蒸汽机、柴油机、发电机、电动机、切削机床?哪能有火车、汽车、拖拉机、远洋轮船和飞机?哪能有坦克、大炮、火箭、导弹和卫星?人们是否意识到,我们今天的物质文明和生活质量有多少是依赖于金属材料的呢?金属材料直到今天仍然是一切工业和现代科学技术的最重要的物质基础,虽然金属材料不是人类学会制造和应用的最早的材料,但可以说,在漫长的历史中,人类的物质文明主要取决于人们对金属的了解及使用。没有金属材料就没有现代的物质文明。  

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