張雨晨

導(dǎo)言：

從街上的大眾汽車(chē)到遨游星海的神舟飛船，從萬(wàn)噸巨輪到微米電極，我們的現(xiàn)代生活已經(jīng)充斥著各種各樣的金屬制品?？梢哉f(shuō)，我們的人類(lèi)社會(huì)從整體看來(lái)，早就是一個(gè)“鐵比肉多”的機(jī)械改造人了。但是，對(duì)于這些從文明伊始就伴隨我們一路走來(lái)的“鐵疙瘩”，我們又究竟了解多少呢？

下面就讓我們來(lái)認(rèn)識(shí)一下這些熟悉又陌生的沉默朋友吧。

一、星 骸

金屬是星辰凝固的余暉。

正如我們所熟知的那樣，支持恒星發(fā)光發(fā)熱，同時(shí)不被自身巨大引力壓垮的原動(dòng)力，就是能夠帶來(lái)巨大能量的核聚變。最為典型、常見(jiàn)的核聚變，就是太陽(yáng)上發(fā)生的氫聚變。在恒星的極端環(huán)境中，四個(gè)氫原子會(huì)被強(qiáng)行“合體”成一個(gè)氦原子。而這個(gè)過(guò)程中丟失的質(zhì)量，則會(huì)按照質(zhì)能方程的描述，轉(zhuǎn)化為磅礴爆發(fā)的能量。無(wú)盡的聚變能量中的九牛一毛，就足以養(yǎng)活地球上的億萬(wàn)生靈。

核聚變的力量是如此狂暴，以至于人類(lèi)至今仍然無(wú)法將其馴服，只能用來(lái)制作帶來(lái)混沌與毀滅的氫彈。不過(guò)反過(guò)來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)作為一顆主序星，本身就是一顆超大氫彈。

如果我們的好奇心再接著往前多走一步，一個(gè)很有趣的問(wèn)題就會(huì)出現(xiàn)：核聚變的鏈條是否會(huì)一直傳遞，或者有一個(gè)黑色的終點(diǎn)潛伏在元素周期表上，為這些看似無(wú)上神圣的光芒巨物帶來(lái)永恒的死亡？

以我們的太陽(yáng)為例，當(dāng)核心的絕大部分氫元素轉(zhuǎn)化為氦元素后，原本穩(wěn)定燃燒的太陽(yáng)將會(huì)膨脹為一顆紅巨星。而隨著溫度與壓力的持續(xù)上升，星球核心的環(huán)境條件終將越過(guò)氦聚變的閾值。此時(shí)，原本已經(jīng)暗淡的巨星將再次爆發(fā)出名為“氦閃”的耀眼回光，并最終化作一顆密度頗高的超級(jí)鉆石——白矮星，從此與寒冷和黑暗永世為伴。

但對(duì)于一顆質(zhì)量遠(yuǎn)大于太陽(yáng)的巨型恒星，情況又將變得更加復(fù)雜。巨大的體積帶來(lái)了更多的重燃機(jī)會(huì)，一個(gè)比一個(gè)“沉重”的元素如同一代又一代的帝王，不斷傳遞著聚變的火焰，推遲著毀滅的時(shí)刻。但每一次，聚變的條件都更加苛刻，釋放的能量卻越來(lái)越微茫。

終于，當(dāng)聚變的薪火傳遞到鐵的時(shí)候，這個(gè)茍延殘喘多時(shí)的體系終于迎來(lái)了積蓄已久的崩潰。這種有著極高比結(jié)合能、原子核極為穩(wěn)定的26號(hào)元素，在聚變反應(yīng)中釋放的能量根本入不敷出。因此，當(dāng)巨型恒星形成了一個(gè)超高壓氣態(tài)鐵核后，命運(yùn)就不可避免地走向了毀滅。在這最后的時(shí)刻，趨于瘋狂的核心環(huán)境將會(huì)讓鐵元素繼續(xù)進(jìn)行飲鴆止渴的聚變，誕生出許多在元素周期表上排位更靠后的重元素。最終，一場(chǎng)堪與群星爭(zhēng)輝的超新星爆發(fā)將會(huì)終結(jié)巨型恒星那短暫而燦爛的一生。而這些重元素物質(zhì)，或是被巨大的引力俘虜、壓成中子星甚至黑洞，或是借助爆發(fā)的力量逃離引力陷阱，成為散布寰宇的磅礴星云。

宇宙中幾乎所有的重元素，都是由此而來(lái)。當(dāng)大漢天子拔出腰間的錯(cuò)金環(huán)首鋼刀時(shí)，根本不會(huì)想到，為了湊集這些重元素，至少有一顆比他頭上的太陽(yáng)大出十倍——甚至百倍、千倍的恒星為此粉身碎骨，并在黑暗的宇宙中綻放出令萬(wàn)千星辰黯然失色的盛大光華。

二、青銅時(shí)代

不過(guò)，最早為人類(lèi)撬開(kāi)文明大門(mén)的，卻并不是堪稱(chēng)“弒星者”的鐵，而是比它更加“沉重”的銅。

實(shí)際上，論在地殼中的儲(chǔ)量，銅并不如鐵。但地球表面的絕大部分鐵都在20多億年前可能與早期生命有關(guān)的“大氧化”事件中被氧化，因此鐵礦的開(kāi)采冶煉難度比起銅礦要高不少。

目前的考古科學(xué)表明，人類(lèi)使用銅的歷史頗為悠久。早在6000-7000年前，剛剛誕生早期文明的西亞兩河流域就已經(jīng)出現(xiàn)了大規(guī)模使用銅器的證據(jù)。這種比起石器更好用的全新材料，很快就引起了一輪上古時(shí)期的技術(shù)革命。在經(jīng)過(guò)大量有心無(wú)心的摸索后，一種熔點(diǎn)較低、便于加工而且硬度很不錯(cuò)的合金——青銅，被人們發(fā)現(xiàn)。

青銅時(shí)代開(kāi)始了。

在現(xiàn)代語(yǔ)境下，很多銅合金都被泛稱(chēng)為青銅。不過(guò)在幾千年前，我等先祖所大量使用的青銅主要是銅與錫、鉛混合的銅錫合金。經(jīng)過(guò)這樣的混合，青銅有了更低的熔點(diǎn)和更好的流動(dòng)性，成了理想的鑄造材料。蓮鶴方壺、云紋銅禁、后（司）母戊鼎、四羊方尊、三星堆立人像等國(guó)寶級(jí)文物，都是用青銅鑄造的。

與大部分現(xiàn)代人根據(jù)出土文物想當(dāng)然得出的印象不同，未經(jīng)氧化摧殘的青銅并不“青”；相反，不管是在溫泉關(guān)力戰(zhàn)波斯不死軍的斯巴達(dá)勇士，還是乘著駟馬戰(zhàn)車(chē)馳騁疆場(chǎng)的春秋公爵，他們身上披掛的青銅鎧甲都是耀眼的金黃色。

此外，青銅的硬度也比柔軟的黃銅高出很多，足以鑄成鋒利的武器。不過(guò)，青銅武器在戰(zhàn)士們看來(lái)仍然稍嫌脆弱，在狂野廝殺的戰(zhàn)場(chǎng)上很容易就磕得滿身崩缺甚至“折戟沉沙”。因此，用青銅鑄造的武器，往往都是厚重的戰(zhàn)斧、寬闊的槍頭以及短小精悍的單手刀劍。一些過(guò)于修長(zhǎng)的青銅刀劍，往往都是用于儀式的禮器，而非實(shí)戰(zhàn)武器。

為什么青銅明明很硬卻不夠結(jié)實(shí)呢？這就要從硬度的基本定義說(shuō)起了。

工程領(lǐng)域所說(shuō)的硬度，是指材料表面抵抗更硬物體壓入的能力。不管是用鋼球（布氏硬度）還是鉆石（洛氏硬度），硬度的測(cè)量都無(wú)法與我們?nèi)粘＠斫獾摹敖Y(jié)實(shí)”直接掛鉤。在實(shí)際應(yīng)用中，硬度這個(gè)指標(biāo)，主要是用于描述物體的耐磨性。

舉個(gè)例子，我們認(rèn)為很“脆弱”的玻璃，實(shí)際上有著頗高的硬度，因此需要鑲有金剛石的專(zhuān)用玻璃刀才能將其切割。但玻璃在受到外力時(shí)，卻很容易出現(xiàn)斷裂。這種“寧折不彎”的特性，就是脆性。與之對(duì)應(yīng)的，則是在外力作用下產(chǎn)生形變但不會(huì)斷裂的“塑性”。至于真正用于形容物體“結(jié)實(shí)”、在外力載荷下抵抗變形斷裂的屬性，則有著自己獨(dú)立的名字“強(qiáng)度”。而青銅鑄造的武器，恰恰就是強(qiáng)度稍顯不足。

不過(guò)，當(dāng)火藥驅(qū)動(dòng)的身管火器開(kāi)始噴吐致命的彈幕時(shí)，青銅卻重返戰(zhàn)場(chǎng)。經(jīng)過(guò)仔細(xì)配比成分的青銅，有著在鑄造件中非常優(yōu)秀的性能。在近代工業(yè)鋼材出現(xiàn)前的近古時(shí)期，鑄造巨型火炮的主要材料，一直是青銅。奧斯曼帝國(guó)在1453年攻破君士坦丁堡的關(guān)鍵武器，就是用青銅鑄造的“烏爾班巨炮”。這臺(tái)戰(zhàn)爭(zhēng)巨獸的駭人威力，相信所有讀過(guò)《三體Ⅲ·死神永生》的科幻迷都會(huì)記憶猶新。

當(dāng)歷史進(jìn)入工業(yè)時(shí)代后，銅的很多理化特性開(kāi)始讓它在現(xiàn)代生活中大顯身手。銅良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性，使其成為制作電線和散熱片的重要材料。我們手邊的現(xiàn)代電器，隨便拆開(kāi)一個(gè)都能翻出不少銅制元器件。銅良好的延展性，則非常適合批量制造子彈殼這樣的沖壓件。而銅不易磁化的特性，對(duì)于機(jī)械表游絲等需要精密運(yùn)作的機(jī)械部件來(lái)說(shuō)也是個(gè)大好消息。此外，經(jīng)過(guò)現(xiàn)代冶金技術(shù)“重塑”的青銅，更是老當(dāng)益壯，在各種機(jī)器中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

不過(guò)，我們環(huán)顧身邊，最常見(jiàn)的金屬，恐怕還是終結(jié)恒星的鐵。

三、鋼鐵咆哮

“鋼鐵是怎樣煉成的？”

這個(gè)問(wèn)題恐怕很多天天接觸鋼鐵的人都不好回答。拜“大氧化”事件所賜，地球表面的大量鐵礦石對(duì)于古典時(shí)期的先民來(lái)說(shuō)頗為雞肋。最早被人類(lèi)利用的鋼鐵，是來(lái)自外太空的隕鐵。這些在宇宙中飄流的現(xiàn)成鐵塊，天然有著很高的純度，并會(huì)在酸洗后顯露出極其漂亮的獨(dú)特結(jié)晶花紋——那是隕鐵在太空中以百萬(wàn)年為單位緩慢降溫才能形成的特殊結(jié)構(gòu)。

而最早將鐵礦石轉(zhuǎn)化為鋼鐵的，則是赫梯人。早在4000多年前，這個(gè)居住在安納托利亞半島的尚武民族就率先突破了鋼鐵冶煉的技術(shù)難關(guān)，并立刻借此開(kāi)始了對(duì)外擴(kuò)張。雖然赫梯帝國(guó)一直將鋼鐵冶煉視為鎮(zhèn)國(guó)機(jī)密，但這個(gè)技術(shù)還是如烈火般傳遍了亞歐非三大洲。從此，人類(lèi)開(kāi)啟了綿延至今的“鋼鐵時(shí)代”。

不論古往今來(lái)的冶煉技術(shù)有著多么翻天覆地的變化，基本原理都是完全一致的。在冶煉時(shí)，需要將鐵礦石、焦炭、石灰石（助熔劑）按一定比例投入高爐。經(jīng)過(guò)持續(xù)加溫后，氧化鐵將被還原，產(chǎn)物即為我們一般語(yǔ)境下的“生鐵”。

有趣的是，生鐵雖然名字里有個(gè)“鐵”字，實(shí)際上卻并非純鐵，反而含有大量的碳以及其他雜質(zhì)。而且生鐵的機(jī)械性能也不夠好，尤其是現(xiàn)在已經(jīng)不太常用的鑄造生鐵，又硬又脆——家里用過(guò)老式鑄鐵炒鍋的朋友們可能還有印象，偌大一個(gè)黑鍋，往往一摔就碎，甚至炒菜用力太猛了都可能捅個(gè)窟窿。也正因如此，即便到了近代，像大炮這樣最好能整體澆鑄的大型金屬件，還是常常需要用銅來(lái)制造。

面對(duì)這種“恨鐵不成鋼”的情況，我們就需要對(duì)生鐵進(jìn)行二次加工，把它重新丟進(jìn)高氧、高溫的轉(zhuǎn)爐甚至電爐中脫碳，并同時(shí)脫去硫、磷等不利于鋼材性能的有害元素。經(jīng)過(guò)這樣的“煉鋼”步驟，我們熟悉的鋼材就正式出廠了。

根據(jù)含碳量的不同，鋼材的性能也有著明顯的變化。低碳鋼韌性很好，但不夠“堅(jiān)強(qiáng)”；中碳鋼性能最為平均，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活，我們?nèi)粘Ｗ畛Ｒ?jiàn)的45號(hào)鋼，就是含碳量0.45%的中碳鋼；至于堅(jiān)硬的高碳鋼，則主要用來(lái)作為切削工具以及模具。

當(dāng)然，鋼鐵一經(jīng)發(fā)明，最先就被用于戰(zhàn)爭(zhēng)。目前年代最早的鐵器，就是一把赫梯短刀。

雖然修辭上經(jīng)常會(huì)用“鑄劍”來(lái)形容刀劍的制造，但在進(jìn)入鋼鐵時(shí)代后，這個(gè)沿用自青銅時(shí)代的術(shù)語(yǔ)已經(jīng)不再準(zhǔn)確。相對(duì)鑄造，鍛造技術(shù)能夠更好地改善鋼鐵造物的力學(xué)性能。反復(fù)的折疊鍛打可以使金屬內(nèi)的晶粒變得細(xì)密均勻，同時(shí)也能排除冶煉時(shí)混入的雜質(zhì)和氣孔。古代煉出的鋼材往往含碳量不勻，更需要折疊鍛打脫碳來(lái)穩(wěn)定含碳量，所以才有了“百煉成鋼”的說(shuō)法。而這些如揉面般反復(fù)折疊鍛打的好鋼，往往會(huì)在表面形成飄逸細(xì)密的花紋，也就是各種演義小說(shuō)中常說(shuō)的“鑌鐵”。

既然合格的鋼錠已經(jīng)準(zhǔn)備完畢，下一步就是要把“好鋼用在刀刃上”了。自青銅時(shí)代起，刀劍在選材上就有一個(gè)矛盾，刃口需要高硬度，才能盡量不卷刃崩刃，但劍身又希望韌性強(qiáng)一些，免得在暴力使用下折斷。以古代的冶煉技術(shù)，單一鋼材顯然難以同時(shí)兼顧這兩種要求。所以世界各地都紛紛采用了“硬包軟”的包鋼或者“軟夾硬”的夾鋼技術(shù)，通過(guò)組合不同性能的鋼材，同時(shí)兼顧刃口的硬度與劍身的堅(jiān)韌。

在鍛打成型之后，新鮮出爐的鋼條還需要進(jìn)一步的熱處理，其中尤為重要的，就是在水或油中進(jìn)行的淬火。這個(gè)快速降溫的過(guò)程可進(jìn)大大增加刀劍的硬度。此外，對(duì)于經(jīng)過(guò)反復(fù)鍛打才成形的刀劍來(lái)說(shuō)，有時(shí)還需要“回火”——也就是重新加熱軟化，來(lái)消除積累在材料內(nèi)部的強(qiáng)大應(yīng)力。

為了進(jìn)一步強(qiáng)化刀劍性能，古人甚至在熱處理上也動(dòng)起了腦筋。比如以精良鋒銳聞名于世的日本刀，就有著極為獨(dú)特的“覆土燒刃”技術(shù)。這個(gè)技術(shù)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是在成形的刀條上包裹泥土，只留出刃區(qū)在外。這樣在淬火降溫的過(guò)程中，包覆泥土的刀身降溫速度較為緩和，韌性更好，而裸露刃口則迅速降溫，硬度顯著提升?，F(xiàn)代檢測(cè)結(jié)果表明，優(yōu)質(zhì)的日本刀在刀刃區(qū)域硬度會(huì)急劇上升，甚至可達(dá)刀背硬度的幾倍，確實(shí)堪稱(chēng)寶刀。日本刀上那個(gè)標(biāo)志性的“波浪紋”，就是覆土的分界線——刃紋。

不過(guò)，即便是千錘百煉的神兵利器，因鋼鐵易于氧化而產(chǎn)生的銹蝕依然難以避免。這個(gè)惱人的問(wèn)題對(duì)于古人來(lái)說(shuō)，除了殷勤擦拭上油之外，還真沒(méi)什么更好的辦法。想要一勞永逸將這個(gè)難題解決，就得靠最近兩百年內(nèi)突飛猛進(jìn)的現(xiàn)代材料科學(xué)。

我們熟悉的不銹鋼，實(shí)際上是含有較高比例鉻的合金鋼。不銹鋼一旦接觸到空氣，其中摻雜的鉻就會(huì)在表明形成1-2納米厚的鈍化膜，從而隔絕了空氣對(duì)鋼鐵的進(jìn)一步氧化；即便表面有磕碰磨損，斷面上也會(huì)迅速形成新的氧化膜。因此，不銹鋼廣泛應(yīng)用于工程、醫(yī)療和生活領(lǐng)域，也就毫不奇怪了。

除了不銹鋼之外，我們的生活中還有很多合金鋼。比如說(shuō)錳鋼，就在硬度、強(qiáng)度和韌性等指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了全面發(fā)展，除了一次鑄造成形后不便于二次加工的小毛病外，幾乎滿足了古人對(duì)鋼材的全部幻想，堪比傳說(shuō)中的“玄鐵”。在坦克裝甲、履帶、挖掘機(jī)鏟斗等需要長(zhǎng)期“艱苦勞動(dòng)”的部件上，都能看到錳鋼的身影。而硬度頗高的鎢鋼，則可以作為優(yōu)質(zhì)的高速切削鋼，即便在高速摩擦的高溫狀態(tài)下，鎢鋼依然可以保持堅(jiān)硬鋒利，甚至能用于制造足可將坦克一擊必殺的穿甲彈。

而隨著科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。人們對(duì)鋼材的研究也深入到了微觀晶體結(jié)構(gòu)的層面，冶煉技術(shù)也有了極大的進(jìn)步，出現(xiàn)了將鋼水霧化成粉后再通過(guò)高溫高壓重新結(jié)為一體的“粉末鋼”。這種造價(jià)不菲的鋼材內(nèi)部結(jié)構(gòu)高度均一，其驚人的機(jī)械性能，古人怕是想都不敢想的。

不過(guò)，鋼鐵再怎么“超進(jìn)化”，卻依然擺脫不了自身密度過(guò)大的問(wèn)題。對(duì)于新興的高速車(chē)輛、飛機(jī)甚至宇宙飛船來(lái)說(shuō)，堅(jiān)韌的鋼鐵顯然太過(guò)沉重了。

四、秘 銀

托爾金的傳世名著《指環(huán)王》中，這位幻想文學(xué)泰斗在中土大陸創(chuàng)造了一種極為稀有的神奇金屬——秘銀。用它編織的鎖子甲刀槍不入、水火不侵，卻又輕若鴻毛，是矮人王國(guó)的無(wú)價(jià)國(guó)寶。

現(xiàn)實(shí)中究竟有沒(méi)有這樣一種兼顧重量、強(qiáng)度以及理化穩(wěn)定性的金屬呢？

那就是鈦合金。

鈦是一種頗為神奇的金屬，雖然本身化學(xué)性質(zhì)挺活潑，但表面卻可以形成類(lèi)似不銹鋼的鈍化膜，從而表現(xiàn)出極佳的穩(wěn)定性。現(xiàn)在常用的鈦，基本都是含有鋁等其他金屬的鈦合金。有趣的是，鈦和鋁這兩種輕質(zhì)金屬，在剛被人類(lèi)發(fā)現(xiàn)時(shí)，都曾因難以制備而貴過(guò)黃金。在近代歐洲宮廷里，鋁制餐具一度是超越金銀的至尊規(guī)格，令生活在現(xiàn)代的我們啼笑皆非。

如今，隨著科學(xué)的發(fā)展，鈦合金已經(jīng)有了足以大規(guī)模應(yīng)用的產(chǎn)量。鈦合金輕盈、耐冷耐熱且足夠堅(jiān)固的特性，使其成為航空航天載具的理想材料，甚至一些高檔賽車(chē)都會(huì)用它制作。此外，這種銀白的金屬與我們的身體組織也有著極好的相容性，植入體內(nèi)的鈦合金醫(yī)療部件，可以在體內(nèi)安然存留幾十年；而且鈦沒(méi)有磁性，體內(nèi)有鈦合金植入物的患者可以安心趟進(jìn)核磁共振儀內(nèi)進(jìn)行影像學(xué)檢查，完全不受影響。

正如科幻動(dòng)畫(huà)《全金屬狂潮》中那個(gè)以“秘銀”為名的黑科技傭兵團(tuán)一樣。想要讓幻想中的秘銀走入現(xiàn)實(shí)，唯有依靠我們自己的雙手和大腦。那些連超新星都無(wú)法“壓制”、在宇宙中幾乎不存在的超重元素，現(xiàn)在紛紛在人類(lèi)的對(duì)撞機(jī)中誕生。隨著科學(xué)與技術(shù)的攜手發(fā)展，未來(lái)的金屬材料，將會(huì)繼續(xù)陪伴我們創(chuàng)造一個(gè)又一個(gè)全新的奇跡。

【責(zé)任編輯：劉維佳】