今天给大家讲一下迷人的材料之金属铜和谜一样的物质钢。

大约从公元前5000年起，我们的老祖先便不断尝试错误，精进炼铜技术。铜制器具不仅促成了人类科技的突飞猛进，还催生了其他技术，以及城市和第一波人类文明的出现。埃及金字塔就是铜制器具大量应用的结果建造金字塔用的岩石都是从矿场挖出来，再用铜凿子一块块削成固定大小据估计，古埃及人挖掘了大约一万吨铜矿，制造出三十万把铜凿子。这是空前的成就。

少了金属工具，就算召集再多奴隶也盖不出金字塔。尤其铜凿子因为硬度不够，并不适合凿切岩石，拿来敲打石灰石很快就会变钝，这使得这项成就更显得了不起。专家估计，铜凿子每敲几下就得重新磨利才能继续使用。铜不适合做剃须刀也是同样的道理。

金也是硬度较低的金属，因此戒指很少用纯金制作，否则很快就会刮坏但只要加入百分之几的其他金属（例如银或铜来形成合金，就会改变金的颜色:银会让金变白，铜会让金变红，不仅如此，形成的合金还会比纯金硬，而且硬上许多。金属只要掺入少量其他物质就会改变性质，这是研究金属的乐趣所在。

以金银合金为例，你可能好奇银原子到哪里去了。答案是，银原子就嵌在金块的晶格里，占去一个金原子的位置。正是因为银原子的取而代之金子才会变硬。

合金通常比纯金属坚硬，原因很简单:外来原子的大小和化学性质，都跟原本的金属原子不同。因此嵌入后会扰动原本金属晶体的物理和电子结构产生一个关键后果—让位错更难移动。位错更难移动，晶体形状就更难改变，金属也就更坚硬。因此，制造合金就成为防止位错移动的一门技艺在自然界中，其他晶体里也会发生原子取代。纯氧化铝晶体是透明的但只要其中含有铁原子就会变成蓝色，也就成为俗称的蓝宝石。同理，纯氧化铝晶体包含了铬原子也会变色，成为红宝石。

从黄铜时代、青铜时代到铁器时代，在文明不断发展中，合金也越来越坚硬。黄铜很软，属于天然矿产，而且容易熔冶。青铜比黄铜坚硬许多，是铜的合金，含有少量的锡，偶尔还包括砷。因，如果手上有黄铜又知道方法只需要费一点功夫就能做出强度和硬度都比黄铜高十倍的武器和剃刀。唯一的麻烦是锡和砷非常稀有。青铜时代的人开发了许多精心找出的贸易路线从康瓦尔和阿富汗等地运送锡矿到中东各文明的中心，就是为了这个目的。

我告诉布莱恩，现代剃刀也是合金制成的，而且是一种非常特别的合金，我们的祖先花了几千年还是不了解它—它就是钢。钢是加了碳的铁比青铜还硬，而且成分一点也不稀有。几乎每块岩石都含铁，而炭更是生火的燃料。我们的祖先不知道钢是合金，更不知道以木炭形式出现的碳不只是加热和锻造铁的燃料，还能嵌入铁晶体里。炭在加热黄铜时不会产生这种现象，加热锡和青铜时也不会，只有对铁会如此。我们的祖先一定觉得这种现象非常神秘，我们也是在学会了量子力学后，才明白背后的道理。

钢铁是一种由铁与其他元素结合而成的合金，当中最普遍的是碳。碳约占钢材重量的0.2%至2.1%，视乎钢材的等级。其他有时会用到的合金元素还包括锰、铬、钒和钨。碳与其他元素有硬化剂的作用，能够防止铁原子的晶格因原子滑移过其他原子而出现位错。调整合金元素的量，及其存在与钢中的形式（溶质元素及参与相），就能够控制钢成品的特性，例如硬度、延展性及强度。加了碳的钢会比纯铁更硬更强，但是这种钢的延展性会比铁差。

钢里的碳原子并未取代晶格内的铁原子，而是挤在铁原子之间，把晶体拉长还有一个麻烦:要是铁里掺了太多碳，例如比例达到百分之四而非百分之一，形成的钢就会极为易碎，根本无法用来制作工具和武器。这会是很大的麻烦，因为火里的含碳量通常不低，铁加热久甚至液化后，晶体内就会掺入大量的碳，形成易碎的合金。高碳钢制成的刀剑在战斗中很容易折断。

一直到20世纪，人类在彻底掌握合金形成的原理后，才明白为什么有些炼钢法行得通，有些不行。过去的人只能靠着尝试错误，找出成功的炼钢法，然后代代相传，而且这些方法往往是行内机密。但这些不外传的方法实在太过复杂，因此就算遭到窃取，成功制的概率也非常低。某些地区的冶金技术非常闻名，可以制造出高质量的钢，当地文明也因而发达。

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