張雨晨

導言：

從街上的大眾汽車到遨游星海的神舟飛船，從萬噸巨輪到微米電極，我們的現(xiàn)代生活已經充斥著各種各樣的金屬制品?？梢哉f，我們的人類社會從整體看來，早就是一個“鐵比肉多”的機械改造人了。但是，對于這些從文明伊始就伴隨我們一路走來的“鐵疙瘩”，我們又究竟了解多少呢？

下面就讓我們來認識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，同時不被自身巨大引力壓垮的原動力，就是能夠帶來巨大能量的核聚變。最為典型、常見的核聚變，就是太陽上發(fā)生的氫聚變。在恒星的極端環(huán)境中，四個氫原子會被強行“合體”成一個氦原子。而這個過程中丟失的質量，則會按照質能方程的描述，轉化為磅礴爆發(fā)的能量。無盡的聚變能量中的九牛一毛，就足以養(yǎng)活地球上的億萬生靈。

核聚變的力量是如此狂暴，以至于人類至今仍然無法將其馴服，只能用來制作帶來混沌與毀滅的氫彈。不過反過來說，太陽作為一顆主序星，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，一個很有趣的問題就會出現(xiàn)：核聚變的鏈條是否會一直傳遞，或者有一個黑色的終點潛伏在元素周期表上，為這些看似無上神圣的光芒巨物帶來永恒的死亡？

以我們的太陽為例，當核心的絕大部分氫元素轉化為氦元素后，原本穩(wěn)定燃燒的太陽將會膨脹為一顆紅巨星。而隨著溫度與壓力的持續(xù)上升，星球核心的環(huán)境條件終將越過氦聚變的閾值。此時，原本已經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鉆石——白矮星，從此與寒冷和黑暗永世為伴。

但對于一顆質量遠大于太陽的巨型恒星，情況又將變得更加復雜。巨大的體積帶來了更多的重燃機會，一個比一個“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，推遲著毀滅的時刻。但每一次，聚變的條件都更加苛刻，釋放的能量卻越來越微茫。

終于，當聚變的薪火傳遞到鐵的時候，這個茍延殘喘多時的體系終于迎來了積蓄已久的崩潰。這種有著極高比結合能、原子核極為穩(wěn)定的26號元素，在聚變反應中釋放的能量根本入不敷出。因此，當巨型恒星形成了一個超高壓氣態(tài)鐵核后，命運就不可避免地走向了毀滅。在這最后的時刻，趨于瘋狂的核心環(huán)境將會讓鐵元素繼續(xù)進行飲鴆止渴的聚變，誕生出許多在元素周期表上排位更靠后的重元素。最終，一場堪與群星爭輝的超新星爆發(fā)將會終結巨型恒星那短暫而燦爛的一生。而這些重元素物質，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。當大漢天子拔出腰間的錯金環(huán)首鋼刀時，根本不會想到，為了湊集這些重元素，至少有一顆比他頭上的太陽大出十倍——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萬千星辰黯然失色的盛大光華。

二、青銅時代

不過，最早為人類撬開文明大門的，卻并不是堪稱“弒星者”的鐵，而是比它更加“沉重”的銅。

實際上，論在地殼中的儲量，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的“大氧化”事件中被氧化，因此鐵礦的開采冶煉難度比起銅礦要高不少。

目前的考古科學表明，人類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出現(xiàn)了大規(guī)模使用銅器的證據。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期的技術革命。在經過大量有心無心的摸索后，一種熔點較低、便于加工而且硬度很不錯的合金——青銅，被人們發(fā)現(xiàn)。

青銅時代開始了。

在現(xiàn)代語境下，很多銅合金都被泛稱為青銅。不過在幾千年前，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。經過這樣的混合，青銅有了更低的熔點和更好的流動性，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、三星堆立人像等國寶級文物，都是用青銅鑄造的。

與大部分現(xiàn)代人根據出土文物想當然得出的印象不同，未經氧化摧殘的青銅并不“青”；相反，不管是在溫泉關力戰(zhàn)波斯不死軍的斯巴達勇士，還是乘著駟馬戰(zhàn)車馳騁疆場的春秋公爵，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，青銅武器在戰(zhàn)士們看來仍然稍嫌脆弱，在狂野廝殺的戰(zhàn)場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。一些過于修長的青銅刀劍，往往都是用于儀式的禮器，而非實戰(zhàn)武器。

為什么青銅明明很硬卻不夠結實呢？這就要從硬度的基本定義說起了。

工程領域所說的硬度，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），硬度的測量都無法與我們日常理解的“結實”直接掛鉤。在實際應用中，硬度這個指標，主要是用于描述物體的耐磨性。

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

不過，當火藥驅動的身管火器開始噴吐致命的彈幕時，青銅卻重返戰(zhàn)場。經過仔細配比成分的青銅，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)前的近古時期，鑄造巨型火炮的主要材料，一直是青銅。奧斯曼帝國在1453年攻破君士坦丁堡的關鍵武器，就是用青銅鑄造的“烏爾班巨炮”。這臺戰(zhàn)爭巨獸的駭人威力，相信所有讀過《三體Ⅲ·死神永生》的科幻迷都會記憶猶新。

當歷史進入工業(yè)時代后，銅的很多理化特性開始讓它在現(xiàn)代生活中大顯身手。銅良好的導電和導熱性，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，隨便拆開一個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，對于機械表游絲等需要精密運作的機械部件來說也是個大好消息。此外，經過現(xiàn)代冶金技術“重塑”的青銅，更是老當益壯，在各種機器中發(fā)揮著關鍵作用。

不過，我們環(huán)顧身邊，最常見的金屬，恐怕還是終結恒星的鐵。

三、鋼鐵咆哮

“鋼鐵是怎樣煉成的？”

這個問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于古典時期的先民來說頗為雞肋。最早被人類利用的鋼鐵，是來自外太空的隕鐵。這些在宇宙中飄流的現(xiàn)成鐵塊，天然有著很高的純度，并會在酸洗后顯露出極其漂亮的獨特結晶花紋——那是隕鐵在太空中以百萬年為單位緩慢降溫才能形成的特殊結構。

而最早將鐵礦石轉化為鋼鐵的，則是赫梯人。早在4000多年前，這個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難關，并立刻借此開始了對外擴張。雖然赫梯帝國一直將鋼鐵冶煉視為鎮(zhèn)國機密，但這個技術還是如烈火般傳遍了亞歐非三大洲。從此，人類開啟了綿延至今的“鋼鐵時代”。

不論古往今來的冶煉技術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，需要將鐵礦石、焦炭、石灰石（助熔劑）按一定比例投入高爐。經過持續(xù)加溫后，氧化鐵將被還原，產物即為我們一般語境下的“生鐵”。

有趣的是，生鐵雖然名字里有個“鐵”字，實際上卻并非純鐵，反而含有大量的碳以及其他雜質。而且生鐵的機械性能也不夠好，尤其是現(xiàn)在已經不太常用的鑄造生鐵，又硬又脆——家里用過老式鑄鐵炒鍋的朋友們可能還有印象，偌大一個黑鍋，往往一摔就碎，甚至炒菜用力太猛了都可能捅個窟窿。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制造。

面對這種“恨鐵不成鋼”的情況，我們就需要對生鐵進行二次加工，把它重新丟進高氧、高溫的轉爐甚至電爐中脫碳，并同時脫去硫、磷等不利于鋼材性能的有害元素。經過這樣的“煉鋼”步驟，我們熟悉的鋼材就正式出廠了。

根據含碳量的不同，鋼材的性能也有著明顯的變化。低碳鋼韌性很好，但不夠“堅強”；中碳鋼性能最為平均，廣泛應用于生產生活，我們日常最常見的45號鋼，就是含碳量0.45%的中碳鋼；至于堅硬的高碳鋼，則主要用來作為切削工具以及模具。

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

雖然修辭上經常會用“鑄劍”來形容刀劍的制造，但在進入鋼鐵時代后，這個沿用自青銅時代的術語已經不再準確。相對鑄造，鍛造技術能夠更好地改善鋼鐵造物的力學性能。反復的折疊鍛打可以使金屬內的晶粒變得細密均勻，同時也能排除冶煉時混入的雜質和氣孔。古代煉出的鋼材往往含碳量不勻，更需要折疊鍛打脫碳來穩(wěn)定含碳量，所以才有了“百煉成鋼”的說法。而這些如揉面般反復折疊鍛打的好鋼，往往會在表面形成飄逸細密的花紋，也就是各種演義小說中常說的“鑌鐵”。

既然合格的鋼錠已經準備完畢，下一步就是要把“好鋼用在刀刃上”了。自青銅時代起，刀劍在選材上就有一個矛盾，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一些，免得在暴力使用下折斷。以古代的冶煉技術，單一鋼材顯然難以同時兼顧這兩種要求。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，通過組合不同性能的鋼材，同時兼顧刃口的硬度與劍身的堅韌。

在鍛打成型之后，新鮮出爐的鋼條還需要進一步的熱處理，其中尤為重要的，就是在水或油中進行的淬火。這個快速降溫的過程可進大大增加刀劍的硬度。此外，對于經過反復鍛打才成形的刀劍來說，有時還需要“回火”——也就是重新加熱軟化，來消除積累在材料內部的強大應力。

為了進一步強化刀劍性能，古人甚至在熱處理上也動起了腦筋。比如以精良鋒銳聞名于世的日本刀，就有著極為獨特的“覆土燒刃”技術。這個技術簡單來說，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)代檢測結果表明，優(yōu)質的日本刀在刀刃區(qū)域硬度會急劇上升，甚至可達刀背硬度的幾倍，確實堪稱寶刀。日本刀上那個標志性的“波浪紋”，就是覆土的分界線——刃紋。

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

我們熟悉的不銹鋼，實際上是含有較高比例鉻的合金鋼。不銹鋼一旦接觸到空氣，其中摻雜的鉻就會在表明形成1-2納米厚的鈍化膜，從而隔絕了空氣對鋼鐵的進一步氧化；即便表面有磕碰磨損，斷面上也會迅速形成新的氧化膜。因此，不銹鋼廣泛應用于工程、醫(yī)療和生活領域，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。比如說錳鋼，就在硬度、強度和韌性等指標上實現(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，幾乎滿足了古人對鋼材的全部幻想，堪比傳說中的“玄鐵”。在坦克裝甲、履帶、挖掘機鏟斗等需要長期“艱苦勞動”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。

而隨著科學與技術的進一步發(fā)展。人們對鋼材的研究也深入到了微觀晶體結構的層面，冶煉技術也有了極大的進步，出現(xiàn)了將鋼水霧化成粉后再通過高溫高壓重新結為一體的“粉末鋼”。這種造價不菲的鋼材內部結構高度均一，其驚人的機械性能，古人怕是想都不敢想的。

不過，鋼鐵再怎么“超進化”，卻依然擺脫不了自身密度過大的問題。對于新興的高速車輛、飛機甚至宇宙飛船來說，堅韌的鋼鐵顯然太過沉重了。

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，是矮人王國的無價國寶。

現(xiàn)實中究竟有沒有這樣一種兼顧重量、強度以及理化穩(wěn)定性的金屬呢？

那就是鈦合金。

鈦是一種頗為神奇的金屬，雖然本身化學性質挺活潑，但表面卻可以形成類似不銹鋼的鈍化膜，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，鈦和鋁這兩種輕質金屬，在剛被人類發(fā)現(xiàn)時，都曾因難以制備而貴過黃金。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，隨著科學的發(fā)展，鈦合金已經有了足以大規(guī)模應用的產量。鈦合金輕盈、耐冷耐熱且足夠堅固的特性，使其成為航空航天載具的理想材料，甚至一些高檔賽車都會用它制作。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，植入體內的鈦合金醫(yī)療部件，可以在體內安然存留幾十年；而且鈦沒有磁性，體內有鈦合金植入物的患者可以安心趟進核磁共振儀內進行影像學檢查，完全不受影響。

正如科幻動畫《全金屬狂潮》中那個以“秘銀”為名的黑科技傭兵團一樣。想要讓幻想中的秘銀走入現(xiàn)實，唯有依靠我們自己的雙手和大腦。那些連超新星都無法“壓制”、在宇宙中幾乎不存在的超重元素，現(xiàn)在紛紛在人類的對撞機中誕生。隨著科學與技術的攜手發(fā)展，未來的金屬材料，將會繼續(xù)陪伴我們創(chuàng)造一個又一個全新的奇跡。

【責任編輯：劉維佳】