古埃及人稱鐵為“瓦埃別爾”，意思是“天生的”。科普特人也稱它為“天石”。然而，從宇宙來(lái)的東西同這里所說(shuō)的天石毫不相干。人們最早知道的鐵就是隕鐵。早在遠(yuǎn)古時(shí)候，已經(jīng)制出隕鐵制品。人類學(xué)會(huì)從礦石中提煉出鐵則要晚得多，這是因?yàn)槿藗儾皇且幌伦泳瞳@得了熔化鐵所需要的高溫的。（1539°C）

             曾經(jīng)有過(guò)一個(gè)時(shí)期，鐵的價(jià)錢比金子還貴。例如，古希臘的地理學(xué)家和歷史學(xué)家斯特拉波恩在他的《地理學(xué)》中說(shuō)，某些非洲人為生產(chǎn)鐵所付出的代價(jià)，按重量計(jì)比生產(chǎn)金子要貴10倍。荷馬在他所著的《奧迪賽游記》中說(shuō)道，對(duì)競(jìng)技優(yōu)勝者給金塊和鐵塊的事。埃及的一位法老在寫(xiě)給赫迪國(guó)王的信中要求給他寄鐵來(lái)交換黃金。在斯堪的納維亞半島的陵墓中所發(fā)掘的武器也可以說(shuō)明，在古代，鐵的價(jià)值是非常高昂的，因?yàn)?，只有劍刃是鐵做的，其余部分都是青銅的。

             鐵在人類歷史上所起的作用，在古代就已經(jīng)為人們所理解。古羅馬的學(xué)者老普寧里在他著的《自然史》中寫(xiě)道：“鐵礦開(kāi)采工為人類提供了最優(yōu)良也是就危險(xiǎn)的工具。因?yàn)槲覀冇盟_(kāi)懇土地，栽植灌木林和種植果園，用它給葡萄樹(shù)剪枝，使其每年更新。我們用心建造房屋和擊碎石塊。我們用鐵制造我們所需要的東西。但是，也正是用鐵來(lái)進(jìn)行大大小小的戰(zhàn)爭(zhēng)和掠奪，不僅用于近處，也用于遠(yuǎn)方。有的用大炮發(fā)射出去的，有的是從強(qiáng)而有力的手扔出去的，有的是以帶羽毛的箭矢射出去的。”

          鐵制工具可以把農(nóng)民的勞動(dòng)生產(chǎn)率提高許多倍。沒(méi)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(guò)是鐵器時(shí)代以前的歷史。鐵這種金屬到了十九世紀(jì)才開(kāi)始勝利進(jìn)軍（盡管歷史學(xué)家們認(rèn)為，鐵器時(shí)代早在本世紀(jì)開(kāi)始前不久就結(jié)束了）。實(shí)際上，如果說(shuō)在1800年，全世界鐵的生產(chǎn)量還不到50萬(wàn)噸，那么到了十九世紀(jì)末已經(jīng)達(dá)到大約350萬(wàn)噸，而今天則已超過(guò)7億噸，并且還在迅速增長(zhǎng)。按照一些美國(guó)科學(xué)家的大膽推測(cè)，2000年有可能達(dá)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(jī)和鐵路。有了鐵，整個(gè)工業(yè)就有了核心——金屬加工機(jī)床；如果沒(méi)有機(jī)床，無(wú)論汽車，電視機(jī)和宇宙飛船都造不出來(lái)。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(jī)關(guān)槍的槍管。鐵也意味著核潛艇，飛機(jī)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(gè)國(guó)家，不僅他的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，而且它的軍事實(shí)力，都首先取決于它所生產(chǎn)的鐵——這個(gè)主要的現(xiàn)代化材料的數(shù)量。

         地球上鐵的蘊(yùn)藏量是非常豐富的。它的分布量?jī)H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(guò)的那樣，鐵在1539°C時(shí)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(gè)電子，次外層有14個(gè)電子。當(dāng)然，這種原子容易放在最外層的兩個(gè)電子。因此鐵可以是兩價(jià)的。但次外層的14個(gè)電子中有一個(gè)電子也能離開(kāi)自己的軌道。這就是為什么鐵常常是三價(jià)的原故。

          純鐵像金子一樣，在空氣中不氧化。然而它的強(qiáng)度不大。通常所謂的鐵制品實(shí)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(duì)鐵緩慢的加熱，則在某幾個(gè)溫度下，它的表現(xiàn)是非常奇怪的——因?yàn)閷?duì)它繼續(xù)加熱時(shí)，它的溫度不再升高。對(duì)純鐵來(lái)說(shuō)，第一個(gè)這樣的溫度停頓點(diǎn)是769°C，第二個(gè)是910°C，第三個(gè)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(shí)，鐵失去了自己的磁性，a鐵變成b鐵。在910°C時(shí)，出現(xiàn)了鐵的再結(jié)晶。這時(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)，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(jī)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(jiān)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(lái)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(zhǎng)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?yàn)槿藗冇盟鼇?lái)制造工具以加興金屬。這種鋼經(jīng)過(guò)很好的淬火，將變得異常的堅(jiān)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(jī)床的機(jī)座，發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)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(huì)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(lái)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(lái)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(shuō)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(shí)，這個(gè)過(guò)程又按相反的順序進(jìn)行，即鐵又重新排列成a變體，過(guò)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(guò)0.01%。

           在使鋼迅速冷卻時(shí)，例如，當(dāng)把要淬火的鋼投入冷水中時(shí)，則將發(fā)生另外一種完全不同的情況。這是無(wú)論對(duì)晶格的重新排列，還是對(duì)從晶格析出碳來(lái)說(shuō)，所需要的鐵原子和碳原子的擴(kuò)散，都來(lái)不及進(jìn)行。一切如同在高溫下的晶體結(jié)構(gòu)。因?yàn)楦鶕?jù)“凍結(jié)”的命令，每個(gè)活動(dòng)作的原子立即停留在命令到達(dá)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(yán)寒中不穩(wěn)定那樣。它的晶格中就會(huì)發(fā)生改組（重新排列），盡管很困難，但是晶格同時(shí)發(fā)生扭曲，故成一種拉長(zhǎng)了的晶格，接近于a變體。誠(chéng)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(qiáng)度在那時(shí)仍是個(gè)謎。這個(gè)謎前不久被F.B庫(kù)爾久莫夫院士揭開(kāi)了。

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

           每一個(gè)細(xì)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(cuò)運(yùn)動(dòng)。在過(guò)飽和溶液中的大量碳原子以及在細(xì)微晶塊界面之間的碳化鐵微粒也很妨礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。所有這些賦于淬火后的鋼以硬度和強(qiáng)度。

            馬氏體通常是在200°C時(shí)形成的。因此，在淬火時(shí)就應(yīng)當(dāng)把鋼冷卻到這個(gè)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(gè)表層的硬度和強(qiáng)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(shí)，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?yàn)樵隈R氏體形成時(shí)晶格內(nèi)產(chǎn)生了過(guò)大的內(nèi)應(yīng)力。它不穩(wěn)定。如果將淬過(guò)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(guò)火的的鋼的第二次加熱叫做回火。

         為了避免工具過(guò)脆，將它加熱至150——200°C。此時(shí)馬氏體只有部分分解，但卻消除了脆性，同時(shí)又使金屬保持足夠的硬度。對(duì)于機(jī)械零部件，建筑構(gòu)件和其他制件來(lái)說(shuō)，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(shí)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(shí)保持足夠大的強(qiáng)度。能保持足夠大的強(qiáng)度是因?yàn)榻M成混合物的細(xì)微晶塊具有許多界面。由于淬火和回火，鋼的硬度和強(qiáng)度變得大多了。

             

            我們已說(shuō)過(guò)，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(qiáng)度差，就是因?yàn)樵谶@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?gòu)?qiáng)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(qiáng)度大得多。在液態(tài)金屬中加進(jìn)少量的鎂或銫就可以做到這點(diǎn)。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(jī)（例如，拖拉機(jī)和內(nèi)燃機(jī)車）的鑄造曲軸以及其它許許多多不久前還只能用鋼來(lái)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?yàn)檫@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(qiáng)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(yán)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(shí)那樣的高溫，然后迅速冷卻，但又不像淬火時(shí)那樣投入冷水，而是浸在溫度為300——550°C的熔融鹽中，則此時(shí)馬氏體尚未形成，同時(shí)保持著溶液中含有大量碳的y鐵晶格。此后對(duì)鋼坯進(jìn)行軋制或擠壓，然后再淬火。這樣的處理叫做熱機(jī)械處理，可以十分顯著提高鋼的強(qiáng)度。但是，只能用這種方式處理合金鋼。因?yàn)樵谒苄宰冃蔚臏囟认?，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(jìn)性變形加工，然后再淬火。

          然后，這種方法也有缺點(diǎn)。在這樣高的溫度下加工處理，金屬原子具有和大的活動(dòng)性。因此，在塑性變形時(shí)造成的晶格扭曲，本身會(huì)矯正過(guò)來(lái)，同時(shí)，機(jī)械加工造成的強(qiáng)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(duì)應(yīng)力集中的敏感性都減少。

          在上述兩種情況下，淬火時(shí)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(xì)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(qiáng)度。

         熱機(jī)械處理可使鋼的強(qiáng)度極限提高到300千克 / 毫米2，即等于前不久所公認(rèn)的高度強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)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?cè)S偌說(shuō)，就在不久的將來(lái)制造出強(qiáng)度極限達(dá)700千克/毫米2的鋼來(lái)！然而看起來(lái)，這也不是極限。

        難怪“鐵”這個(gè)詞成了強(qiáng)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。