鐵制工具可以把農(nóng)民的勞動生產(chǎn)率提高許多倍。沒有鐵也不可能有手工業(yè)的發(fā)展。然而所有這一切只不過是鐵器時代以前的歷史。鐵這種金屬到了十九世紀才開始勝利進軍（盡管歷史學(xué)家們認為，鐵器時代早在本世紀開始前不久就結(jié)束了）。實際上，如果說在1800年，全世界鐵的生產(chǎn)量還不到50萬噸，那么到了十九世紀末已經(jīng)達到大約350萬噸，而今天則已超過7億噸，并且還在迅速增長。按照一些美國科學(xué)家的大膽推測，2000年有可能達到30億噸！

         今天，有了鐵，就意味著有了水電站，輸電線路的支架，建筑物的骨架和橋梁的構(gòu)架。有了鐵，就有了水管，輸油管，煤氣管。有了鐵，就有了汽車，拖拉機和鐵路。有了鐵，整個工業(yè)就有了核心——金屬加工機床；如果沒有機床，無論汽車，電視機和宇宙飛船都造不出來。有了鐵，就意味著有了房屋的房頂以及罐頭盒，搖籃車，刀子，釘子，針等等。

          但今日的鐵也意味著坦克的裝甲，火炮的炮管，步槍和機關(guān)槍的槍管。鐵也意味著核潛艇，飛機和火箭。鐵還意味著炮彈，地雷，炸彈以及其他許多破壞性的和致命的武器。

          一個國家，不僅他的經(jīng)濟實力，而且它的軍事實力，都首先取決于它所生產(chǎn)的鐵——這個主要的現(xiàn)代化材料的數(shù)量。

         地球上鐵的蘊藏量是非常豐富的。它的分布量僅次于鋁。鐵在地殼中的含量在7750000000億噸以上。

         純鐵呈銀白色。它是一種富于韌性而可以鍛造的金屬。它是如此的柔軟和易于壓延，以致可以將其制成比卷煙更薄的薄片。正如我們已經(jīng)講過的那樣，鐵在1539°C時溶化，而在大約3200°C的溫度下就要沸騰。

          鐵在自然界有4種穩(wěn)定的同位素。最多的是原子量為56的同位素（占91.68%）。

          在鐵原子最外層軌道上有兩個電子，次外層有14個電子。當(dāng)然，這種原子容易放在最外層的兩個電子。因此鐵可以是兩價的。但次外層的14個電子中有一個電子也能離開自己的軌道。這就是為什么鐵常常是三價的原故。

          純鐵像金子一樣，在空氣中不氧化。然而它的強度不大。通常所謂的鐵制品實際上全都是由鋼或生鐵制成的，即由鐵碳合金制成的。

           鐵是“變化多端”的金屬之一，它在不同溫度下按不同的方式結(jié)晶。如果對鐵緩慢的加熱，則在某幾個溫度下，它的表現(xiàn)是非常奇怪的——因為對它繼續(xù)加熱時，它的溫度不再升高。對純鐵來說，第一個這樣的溫度停頓點是769°C，第二個是910°C，第三個是1401°C。到1539°C鐵就溶化了。

           在這些溫度停頓情況下，熱量究竟消耗到哪里去了呢？當(dāng)然，能量守恒定律是顛撲不破的。在769°C時，鐵失去了自己的磁性，a鐵變成b鐵。在910°C時，出現(xiàn)了鐵的再結(jié)晶。這時它的體心立方晶格重新排列成面心立方晶格，這就是y鐵。在1401°C時，又出現(xiàn)了一次重新排列，晶格又重新變成體心立方晶格，但是它的尺寸已經(jīng)比a鐵大些。這種最終的變體叫做s鐵。能量正是消耗在這些重新排列上，這時盡管不斷供給熱量，但鐵的溫度不升高。當(dāng)熔融的鐵冷卻時，一切按相反的順序變化。

        我們已經(jīng)知道，純鐵是非常軟，不僅不適于制造機械，橋梁或建造骨架，而且也不適于做房頂。在鐵中添加碳黑使鐵變成了結(jié)構(gòu)材料。的確，柔軟的碳黑或木炭能把柔軟的鐵變成堅硬的鋼和生鐵。然而在現(xiàn)代治金中，由于許許多多原因，人們利用焦炭來使鐵變成鋼和生鐵。

          所有的生鐵和鋼，都是鐵同碳的合金。

         如果鐵中含碳0.05%至0.3%，則這種鋼在不加熱的狀態(tài)下很容易軋制成板材，很容易擠壓，沖壓和拉伸。用刀具很容易從這種鋼上切削下長而不斷的屑。這種鋼特別易于焊接和火焰切割，但幾乎不能淬火。人們用含碳0.3%至0.45%的鋼制造各種軸，用含碳0.5%至0.7%的鋼可制造鋼軋。這兩種鋼叫做結(jié)構(gòu)鋼。而含有0.7%至1,3%的鋼被稱為工具鋼，因為人們用它來制造工具以加興金屬。這種鋼經(jīng)過很好的淬火，將變得異常的堅硬。

        如果含碳量大于2%，那就不再是鋼而是生鐵了。

       生鐵應(yīng)用很廣。人們用它鑄造機床的機座，發(fā)動機的機體及其他許多鑄成后不需要加工的大型制件。由于生鐵容易充滿鑄模，人們用它鑄造公園的欄桿，還用它鑄造各種各樣的塑像。

          究竟為什么鐵中的含碳量變化不大，卻會導(dǎo)致鐵合金的性質(zhì)發(fā)生如此顯著的變化呢？

         鐵的每一種變體都是按自己特有的方式來溶解碳的。在a鐵晶格中能容納碳原子的位置很少，而在y鐵中有完全足夠的位置來溶解碳原子，因此碳在y鐵中的溶解度要比在a鐵中的溶解度大很多倍。在同一溫度下，比方說在723°C下，a鐵中只能溶解0.02%的碳，而在y鐵中能溶解0,8%的碳，即比前者大40倍。在1130°C下，y鐵能溶解碳的數(shù)量最大，為2%。

            如果取含碳量0.8%的鋼，將其加熱至鐵轉(zhuǎn)化成y鐵變體的溫度，則所有的碳都轉(zhuǎn)入溶液。當(dāng)緩慢冷卻時，這個過程又按相反的順序進行，即鐵又重新排列成a變體，過剩的碳以碳化鐵的形態(tài)析出，并形成鐵素體的晶粒和滲碳體薄片的均勻混合物。鐵素體是溶于鐵的體心立方晶格中的鐵固熔體，其中含碳量不超過0.01%。

           在使鋼迅速冷卻時，例如，當(dāng)把要淬火的鋼投入冷水中時，則將發(fā)生另外一種完全不同的情況。這是無論對晶格的重新排列，還是對從晶格析出碳來說，所需要的鐵原子和碳原子的擴散，都來不及進行。一切如同在高溫下的晶體結(jié)構(gòu)。因為根據(jù)“凍結(jié)”的命令，每個活動作的原子立即停留在命令到達它所在的地方。結(jié)果，在低溫下保持著碳溶于y鐵中的固體溶液狀態(tài)。具有這種組織的鋼叫奧氏體鋼。然而，在低溫下，y鐵的面心立方晶格很不穩(wěn)定，就像白錫在嚴寒中不穩(wěn)定那樣。它的晶格中就會發(fā)生改組（重新排列），盡管很困難，但是晶格同時發(fā)生扭曲，故成一種拉長了的晶格，接近于a變體。誠然，它含有通常只是在y鐵中可能存在的那樣大量的碳。這就是被稱為馬氏體的鋼淬火后的基本組織。

             所有這一切早在1926年就由蘇聯(lián)學(xué)者用X光結(jié)構(gòu)分析法查明了。但是馬氏體為什么具有如此高的強度在那時仍是個謎。這個謎前不久被F.B庫爾久莫夫院士揭開了。

         馬氏體形成之后，金屬最初的晶粒分成大量極細微的晶塊，其大小約為200——300A（A——埃，是一毫米的一千萬分之一）。

           每一個細微的晶塊都有自己的界面。我們已經(jīng)知道，正是這些界面這妨礙位錯運動。在過飽和溶液中的大量碳原子以及在細微晶塊界面之間的碳化鐵微粒也很妨礙位錯運動。所有這些賦于淬火后的鋼以硬度和強度。

            馬氏體通常是在200°C時形成的。因此，在淬火時就應(yīng)當(dāng)把鋼冷卻到這個溫度。

           利用高頻電流可以將鋼零件的薄薄的表層迅速加熱。淬火之后，這個表層的硬度和強度提高了，而零件的內(nèi)部仍然保留韌性和塑性。采用滲碳法（使鋼零件表面碳飽和）或滲氮法（使鋼零件表面氮飽和）也可以取得同樣的效果。同時，將鋼零件表層滲鋁，使其具有耐熱性；滲硼，使其具有耐磨性；滲硅使其在酸中具有化學(xué)穩(wěn)定性等等。

         馬氏體不僅很硬，而且也很脆，幾乎同玻璃一樣。這是因為在馬氏體形成時晶格內(nèi)產(chǎn)生了過大的內(nèi)應(yīng)力。它不穩(wěn)定。如果將淬過火的鋼再加熱至200°C以上，則馬氏體分解生成由鐵素體晶粒和滲碳體小薄片構(gòu)成的質(zhì)軟而帶韌性的混合物。淬過火的的鋼的第二次加熱叫做回火。

         為了避免工具過脆，將它加熱至150——200°C。此時馬氏體只有部分分解，但卻消除了脆性，同時又使金屬保持足夠的硬度。對于機械零部件，建筑構(gòu)件和其他制件來說，重要的不僅僅是硬度，而且需要有塑性和韌性。為此，將它們加熱至500——600°C。這種加熱稱為高溫回火。此時馬氏體完全分解，所獲得的鐵素體晶粒和滲碳體薄片的混合物具有很高的塑性和韌性，同時保持足夠大的強度。能保持足夠大的強度是因為組成混合物的細微晶塊具有許多界面。由于淬火和回火，鋼的硬度和強度變得大多了。

             

            我們已說過，生鐵不同于鋼的地方就在于它的含碳量大。如果生鐵緩慢冷卻，則碳就在其中以石墨形態(tài)析出?；铱阼F的強度差，就是因為在這種生鐵中到處都是填滿了石墨的裂縫。顯然，具有這種裂縫的表面愈少，則金屬強度愈大。

            我們知道球體的表面積最小。蘇聯(lián)科學(xué)家查明，如果使石墨顆粒變?yōu)榍蝮w，則生鐵的強度大得多。在液態(tài)金屬中加進少量的鎂或銫就可以做到這點。這種生鐵稱為變性鑄鐵。用它可以澆鑄耐壓鐵管，甚至可以制造內(nèi)燃機（例如，拖拉機和內(nèi)燃機車）的鑄造曲軸以及其它許許多多不久前還只能用鋼來制造的零件。

          少量雜質(zhì)可以顯著地改變金屬性質(zhì)的事，已經(jīng)不應(yīng)該使我感到奇怪了。因此，優(yōu)質(zhì)鋼中含 碳，銻，磷應(yīng)當(dāng)很少，因為這些雜質(zhì)易熔。而相反，其他某些雜質(zhì)（人們稱之為合金成分的雜質(zhì)）的存在，則使人們所希望的。鎢的存在使鋼具有硬性；鉬使鋼具有耐熱性；鎳是剛具有韌性；硅使鋼具有彈性；錳使鋼具有耐磨性；鉻使鋼具有耐酸性。例如，含鉻18%，鎳8%的鋼甚至在海水中也不生銹；而含鉻18%，鎳25%和硅2%的鋼不僅不生銹，而且在高溫下幾乎不降低強度。

             鋼鐵在低溫中變脆是由于其中含有碳和其它一些雜質(zhì)，例如，氧，氮和氫。弄清原因之后，人們可以制造出含碳和其他雜質(zhì)極低的高鎳鋼和鉻鎳鋼。這兩種鋼不僅不怕南北兩極的嚴寒，而且不怕宇宙空間的酷寒。

           如果將鋼坯加熱到碳在y鐵中形成均勻溶液時那樣的高溫，然后迅速冷卻，但又不像淬火時那樣投入冷水，而是浸在溫度為300——550°C的熔融鹽中，則此時馬氏體尚未形成，同時保持著溶液中含有大量碳的y鐵晶格。此后對鋼坯進行軋制或擠壓，然后再淬火。這樣的處理叫做熱機械處理，可以十分顯著提高鋼的強度。但是，只能用這種方式處理合金鋼。因為在塑性變形的溫度下，碳索鋼中y鐵的不穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)是保持不住的。此外，大多數(shù)鋼在300——550°C下還不具有足夠的塑性，因此難于使它變形。為了避免這些困難，采用了另外一種處理方法，就是將鋼坯加熱到800——900°C之后，先進性變形加工，然后再淬火。

          然后，這種方法也有缺點。在這樣高的溫度下加工處理，金屬原子具有和大的活動性。因此，在塑性變形時造成的晶格扭曲，本身會矯正過來，同時，機械加工造成的強化效應(yīng)部分地喪失掉。但是這樣的結(jié)果是鋼的塑性和韌性比前一種方法更大些。這種鋼的冷脆性以及對應(yīng)力集中的敏感性都減少。

          在上述兩種情況下，淬火時馬氏體都已經(jīng)是在被變形弄得很碎的晶粒中形成的。在這樣的條件下所形成的晶體比一般的要小得多，只有幾分之一。這樣，在塑性變形和淬火之后，就得到晶粒極細的金屬組織。晶塊只有一般晶塊的四分之一大，因此使金屬具有很高的強度。

         熱機械處理可使鋼的強度極限提高到300千克 / 毫米2，即等于前不久所公認的高度強結(jié)構(gòu)鋼的強度極限的1.5~2倍。

        然而，科學(xué)家并不停留在已經(jīng)取得的成就上，他們許偌說，就在不久的將來制造出強度極限達700千克/毫米2的鋼來！然而看起來，這也不是極限。

        難怪“鐵”這個詞成了強度的同義詞。而鐵還有其他一些極寶貴的性質(zhì)，例如，磁性。

      鐵這種金屬是文明基礎(chǔ)之一。就是在今天，鐵仍然是現(xiàn)代化技術(shù)裝備的主要材料。