神舟飞船上的“铁疙瘩”，你了解多少？

文/张雨辰

前言：

从街上的大众汽车到遨游星海的神舟飞船，从万吨巨轮到微米电极，我们的现代生活充斥着各种各样的金属制品。 可以说，我们整个人类社会早已是“铁比肉多”的机器改造人了。 但对于这些自文明开始以来一直伴随着我们的“铁块”，我们到底了解多少呢？

让我们来认识一下这些熟悉又陌生的沉默朋友吧。

1.星骸

金属是恒星凝固的余辉。

众所周知，支撑恒星散发热量而不被自身巨大引力压垮的驱动力就是核聚变，它可以带来巨大的能量。 最典型和常见的核聚变是发生在太阳上的氢聚变。 在恒星的极端环境下，四个氢原子会被强行“合并”成一个氦原子。 根据质能方程的描述，这个过程中损失的质量将会转化为磅礴的能量爆发。 无穷无尽的聚变能量的沧海一粟，足以养活地球上亿万生物。

核聚变的威力如此猛烈，人类至今无法驯服它，只能用来制造氢弹，带来混乱和毁灭。 但另一方面，作为一颗主序星，太阳本身就是一颗超大型氢弹。

如果我们的好奇心再进一步，就会出现一个非常有趣的问题：核聚变链条是否会永远持续下去，或者元素周期表上是否潜伏着一个黑端，为这些看似至高无上的神圣光之巨兽提供了带来永恒的死亡？

以我们的太阳为例，当核心中的大部分氢转化为氦时，原本燃烧的太阳就会膨胀成红巨星。 随着温度和压力不断上升，行星核心的环境条件最终将超过氦聚变的阈值。 这时，原本暗淡的巨星将再次爆发出一种被称为“氦闪”的耀眼回声，最终变成一颗高密度的超级钻石——白矮星，永远与寒冷和黑暗相伴。

但对于质量远大于太阳的巨星来说，情况就变得更加复杂。 巨大的体量带来了更多的重燃机会。 每一个比前一个“重”的元素都如同一代又一代的帝王一样，不断地传递着融合的火焰，延缓着毁灭的时刻。 但每一次聚变的条件都更加严格，释放的能量也越来越小。

终于，当融合之火转为铁时，萦绕已久的系统终于迎来了期待已久的崩溃。 这种具有极高比结合能和极其稳定原子核的26号元素，在聚变反应释放的能量方面根本入不敷出。 因此，当巨星形成超高压气态铁核时，它的命运是不可避免的。 在这最后一刻，疯狂的核心环境会让铁元素继续通过融合解渴，催生出许多元素周期表中排名靠后的重元素。 最终，一场足以与恒星竞争的超新星爆炸将结束巨星短暂而辉煌的生命。 这些重元素物质要么被巨大的引力俘获，粉碎成中子星甚至黑洞，要么借助爆炸的力量逃离引力陷阱，成为磅礴的星云，遍布整个宇宙。

宇宙中几乎所有的重元素​​都来自于此。 当汉皇帝从腰间拔出镶金钢剑的时候，他绝不会想到，要聚集这些重元素，至少要有十倍乃至百倍的星辰。比他头顶上的太阳大一千倍。 破碎成碎片，在黑暗的宇宙中绽放出令万千星辰黯然失色的壮丽光辉。

2. 青铜时代

然而，最先为人类撬开文明之门的并不是堪称“弑星者”的铁，而是比它“更重”的铜。

事实上，就地壳中的储量而言，铜并不如铁丰富。 然而，地球表面的大部分铁在超过20亿年前的“大氧化”事件中被氧化，这可能与早期生命有关。 因此，铁矿石的开采和冶炼比铜矿石的开采和冶炼难度要大得多。

目前的考古科学表明，人类很早就开始使用铜。 早在6000-7000年前，早期文明刚刚兴起的西亚两河流域就有大规模使用青铜的证据。 这种比石器更有用的全新材料，很快在古代引起了一场技术革命。 经过大量有意无意的探索，发现了一种熔点较低、易于加工、硬度好的合金——青铜。

青铜时代开始。

在现代背景下，许多铜合金被宽松地称为青铜。 然而，几千年前，我们的祖先使用的青铜主要是掺有锡和铅的铜锡合金。 经过这样的混合，青铜具有较低的熔点和较好的流动性，使其成为理想的铸造材料。 莲花鹤方壶、云纹铜板、侯（司）母戊鼎、泗阳方尊、三星堆肖像等国宝级文物均采用青铜铸造。

与大多数现代人根据出土文物想当然的印象不同，没有被氧化的青铜并不是“绿色”的； 相反，无论是在温泉关与波斯不死大军作战的斯巴达勇士，还是骑着四马战车驰骋战场的春秋诸侯，他们所穿的青铜铠甲都是耀眼的金黄色。

另外，青铜的硬度远高于软黄铜，足以塑造成锋利的武器。 不过青铜兵器在武者眼中还是有点脆弱，在野外战场上很容易被碰伤甚至折断。 因此，青铜制成的武器往往是沉重的战斧、宽阔的矛头和短而有力的单手剑。 一些过于细长的青铜剑往往用于仪式而不是实用武器。

为什么青铜明明很硬却强度不够？ 这从硬度的基本定义开始。

工程领域的硬度是指材料表面抵抗较硬物体侵入的能力。 无论是使用钢球（布氏硬度）还是金刚石（洛氏硬度），硬度的测量都不能与我们日常理解的“强”直接挂钩。 在实际应用中，硬度指标主要用来描述物体的耐磨性。

例如，我们认为“易碎”的玻璃实际上非常坚硬，需要特殊的镶有钻石的玻璃刀才能切割它。 然而，玻璃在受到外力时很容易破裂。 这种“宁折不弯”的特性就是脆性。 相应地，在外力作用下发生变形但不断裂的就是“塑性”。 至于实际用来描述物体“强度”及其在外力作用下抵抗变形、断裂的能力的性质，则有自己独立的名称“强度”。 青铜制成的武器，只是强度稍有欠缺。

但当火药驱动的枪管枪械开始发射致命的弹幕时，青铜器又回到了战场。 青铜的成分经过精心配比，在铸件中具有优异的性能。 在现代工业钢铁出现之前的古代，铸造巨型火炮的主要材料一直是青铜。 1453年奥斯曼帝国征服君士坦丁堡所使用的关键武器是青铜制成的“城市大炮”。 相信所有看过《三体三：死神永生》的科幻迷都还记得这头战兽的恐怖力量。

当历史进入工业时代，铜的许多物理和化学特性开始使其在现代生活中发挥作用。 铜良好的导电性和导热性使其成为制造电线和散热器的重要材料。 如果你拆开我们手头的任何现代电器，你会发现很多铜部件。 铜良好的延展性使其非常适合批量生产子弹壳等冲压件。 铜不易磁化的事实对于机械手表游丝等需要精确运转的机械零件来说也是个好消息。 此外，经过现代冶金技术“重塑”的青铜更加坚固，在各种机器中发挥着关键作用。

然而，当我们环顾四周时，最常见的金属可能是终止恒星的铁。

3.钢铁咆哮

“钢铁是怎样炼成的？”

恐怕很多每天接触钢铁的人都无法回答这个问题。 由于“大氧化”事件，地球表面大量的铁矿石对于古典时期的祖先来说已经毫无用处。 人类最早使用的钢铁是来自外太空的陨石。 这些漂浮在宇宙中的现成铁块，纯度自然很高，经过酸洗后会呈现出极其美丽独特的水晶图案。 这是由陨铁在太空中经过数百万年缓慢冷却而形成的。 特殊结构。

第一个将铁矿石转化为钢铁的民族是赫梯人。 早在四千多年前，这个生活在安纳托利亚半岛的武士民族就率先攻克了钢铁冶炼的技术难题，随即开始了对外扩张。 虽然赫梯帝国一直将钢铁冶炼视为国家机密，但这项技术却像火一样传遍了亚欧非三大洲。 从此，人类开始了延续至今的“铁器时代”。

无论古往今来冶炼技术如何发生翻天覆地的变化，其基本原理都是完全相同的。 冶炼时需要将铁矿石、焦炭、石灰石（熔剂）按一定比例放入高炉内。 经过持续加热，氧化铁会被还原，产物就是我们一般意义上的“生铁”。

有趣的是，生铁虽然名字里有“铁”字，但实际上并不是纯铁。 相反，它含有大量的碳和其他杂质。 而且生铁的机械性能还不够好，特别是已经不再常用的铸铁，又硬又脆。 家里用过老式铸铁锅的朋友可能还有这样的印象，这么大的黑锅经常摔坏。 ，甚至烹饪时用力过大也可能会造成破洞。 正因为如此，即使在现代，最好一体铸造的大型金属部件（例如大炮）通常也是由铜制成的。

面对这种“恨铁不成钢”的情况，我们需要对生铁进行二次加工，将其扔回高氧、高温转炉甚至电炉中进行脱碳，并在同时去除不利于钢生产的硫、磷等。 对钢材性能有害的元素。 经过这样的“炼钢”步骤，我们熟悉的钢材就正式出厂了。

根据碳含量的不同，钢的性能也有很大差异。 低碳钢韧性好，但不够“强”； 中碳钢的性能最为平均，在生产和生活中应用广泛。 我们日常生活中最常见的45号钢是中碳钢，含碳量为0.45%； 至于硬质高碳钢 碳钢主要用作切削工具和模具。

当然，钢铁一旦发明，首先是用于战争。 目前存在的最早的铁制工具是赫梯匕首。

虽然“锻剑”经常被修辞性地用来描述剑的制造，但进入铁器时代之后，这个从青铜时代开始使用的术语就不再准确了。 与铸造相比，锻造技术可以更好地提高钢材的机械性能。 反复折叠和锻造可以使金属中的晶粒细小、均匀，也可以消除冶炼时混入的杂质和气孔。 古代生产的钢材往往碳含量不均匀，需要经过折叠、锻造、脱碳等工艺来稳定碳含量。 故有“百炼成钢”之说。 这些精钢，像揉好的面团一样经过反复折叠锻造，表面往往会形成优雅细腻的花纹，也就是各种言情小说中常说的“铁”。

现在合格的钢锭已经准备好了，下一步就是将“好钢用在刀刃上”。 自青铜时代以来，剑的材质选择就一直存在矛盾。 刀片需要具有高硬度，以防止卷曲和碎裂，但刀片需要更坚韧，以避免在暴力使用下断裂。 以古老的冶炼技术，单一的钢材要同时满足这两种要求显然是困难的。 因此，世界各国均采用“硬包软”钢包或“软硬包”钢夹紧技术。 通过不同性能的钢材组合，可以兼顾刀刃的硬度和剑身的韧性。

锻造成型后，刚出炉的钢筋需要进一步热处理，其中最重要的是水淬或油淬。 这种快速的冷却过程可以大大增加剑的硬度。 此外，经过反复锻造而成的刀剑有时还需要进行“回火”——即重新加热软化，以消除材料内部积累的强大应力。

为了进一步增强刀剑的性能，古人甚至采用了热处理的方法。 比如以锋利度极佳而闻名的日本刀，就有非常独特的“土覆刃”技术。 简单来说，这项技术就是将土壤包裹在成型的叶片上，只留下叶片区域在外面。 这样，在淬火冷却过程中，涂土刀片冷却得更慢，韧性更好，而外露刃口冷却得快，硬度显着增加。 现代测试结果表明，优质日本刀的刀刃区域硬度会急剧上升，甚至达到刀背硬度的数倍。 这确实是一把珍贵的刀。 日本刀上标志性的“波浪纹”是大地和刃纹的分界线。

然而，即使是经过千百次锤炼的武器，钢材容易氧化而产生的生锈仍然是不可避免的。 对于古人来说，除了勤奋地擦拭、上油之外，确实没有更好的办法解决这个恼人的问题。 想要一劳永逸地解决这个问题，必须依靠近两百年来现代材料科学的突飞猛进。

我们所熟悉的不锈钢实际上是一种含有较高比例铬的合金钢。 不锈钢一旦与空气接触，其中掺杂的铬会在表面形成1-2纳米厚的钝化膜，从而隔绝空气对钢的进一步氧化； 即使表面受到碰撞和磨损，新的铬也会很快在横截面上形成。 氧化膜。 因此，不锈钢广泛应用于工程、医疗和生活方式领域也就不足为奇了。

我们生活中除了不锈钢之外，还有很多合金钢。 例如，锰钢在硬度、强度、韧性等指标上实现了全面发展。 除了一次铸造后不方便二次加工的小问题外，几乎满足了古人对钢铁的所有幻想，堪比传说中的“玄铁”。 坦克装甲、履带、挖掘机铲斗等需要长期“苦干”的部件上都可以看到锰钢的身影。 钨钢硬度高，可作为优质高速切削钢。 即使在高速摩擦和高温下，钨钢仍然可以保持坚硬和锋利，甚至可以用来制造可以一击杀死坦克的穿甲弹。

并且随着科学技术的进一步发展。 人们对钢铁的研究也深入到微观晶体结构的水平，冶炼技术也取得了长足的进步。 “粉末钢”出现了，它将钢水雾化成粉末，然后通过高温高压重新整合。 这种昂贵的钢材具有高度均匀的内部结构和古人不敢想象的惊人的机械性能。

然而，无论钢铁如何“超进化”，仍然摆脱不了密度过高的问题。 对于新兴的高速车辆、飞机甚至航天器来说，坚韧的钢材显然太重了。

4.秘银

在托尔金的巨著《指环王》中，这位奇幻文学巨匠创造了中土世界极其罕见的魔法金属——秘银。 用它编织的链甲不受子弹、水和火的伤害，但又轻如羽毛。 它是矮人王国的无价国宝。

现实中是否有这样一种兼顾重量、强度、物理化学稳定性的金属呢？

那就是钛合金。

钛是一种相当神奇的金属。 虽然其化学性质相当活跃，但能在表面形成类似于不锈钢的钝化膜，从而表现出优异的稳定性。 现在常用的钛基本上是含有铝等其他金属的钛合金。 有趣的是，钛和铝这两种轻质金属在人类首次发现时比黄金更昂贵，因为它们难以制备。 在现代欧洲宫廷里，铝制餐具曾经是超越金银的最高标准，让生活在现代的我们哭笑不得。

如今，随着科学的发展，钛合金已经大量生产，可以大规模应用。 钛合金重量轻、耐冷耐热、强度足够，使其成为航天飞行器的理想材料，甚至一些高端赛车也是由它制成的。 此外，这种银白色的金属还与我们的身体组织具有极好的相容性。 植入体内的钛合金医疗部件可以在体内安全保留数十年； 而且钛没有磁性，体内植入钛合金医疗器械的患者可以安全地步入MRI机进行影像检查，丝毫不受影响。

就像科幻动画《全金属狂潮》中名为“秘银”的黑科技佣兵团一样。 想要让幻想中的秘银变成现实，只能靠自己的双手和大脑。 那些无法被超新星“压制”、宇宙中几乎不存在的超重元素现在正在人类对撞机中诞生。 随着科技的发展，未来的金属材料将继续陪伴我们创造一个又一个新的奇迹。