上回书说道,经过漫长的发展,人类终于掌握了铁的炼制技术,而我们终于能够获得一种强度高,经济性好的材料,并且一直沿用至今。在这一讲中,我想给大家介绍一下铁基材料的特性,以及在化工中的应用,继续想到哪写到哪,最后会在重要的知识上加粗表示。

首先,我们现在已经很少能见到真正的纯铁了,我们概念中的铁实际上都是铁基合金。真正的纯铁柔韧性特别好,和我们上一篇中说的铅类似,这种材料显然是不能作为建筑材料为设备提供强度的。但是偏偏非常幸运的是,在早期人类是无法炼出纯铁的,古人炼出的铁或多或少都含有杂质,主要是碳含量大概在2%-4%之间。而碳的加入反而让铁有了一定的强度,可以作为工具与设备材料,我们炼出了一个不纯的东西,可是偏偏它就有用,可谓是歪打正着。之所以炼出的铁中含碳,那是因为炼铁的过程实际上是用木炭还原铁的氧化物,木炭本身就作为还原剂,因此不可避免的残留在铁中。

铁碳相图,这张相图的复杂程度超乎想象,很多科学家研究这张图就研究了一辈子,从图中可以看出,在不同温度与含碳量的情况下,我们可以得到不同的铁碳合金。这张图同样可以解释,锻造,热加工,正火,退火等过程对铁基合金的影响

铁基合金含碳量对材料性质的影响可谓是非常复杂,涉及到非常多的晶体与固体材料的知识,在这里我们把这个问题简化简化再简化,单纯以含碳量对铁基合金来做个分类。

首先,我们要知道,自然状态下,我们炼出来的铁,其含碳量在2%-4%左右。一般来说,含碳量高的铁硬度大,但韧性也差,表现出来的特点就是易脆。由于材料脆性比较大,因此机加工性能特别差,比如说给铸铁板钻孔,一不小心就能把整块板都钻裂了。因此,要把这种材料加工成我们想要的形状,最可行的办法就是倒模。把铁融化以后变成铁水,然后倒进制定形状的模具里成型。这种加工方法叫做铸造加工,因此我们一般吧含碳2%-4%的铁称为铸铁。

铸铁实际上在生活中非常少见,好像我们比较熟悉的就是大铁锅了,其他的我们认为是铁的东西实际上都是钢。但是在化工生产中,铸铁还是比较常见的,主要是用来制造各种各样的阀门和管件。

化工生产中使用的铸铁管件,主要用于水的输送

铸铁的耐腐蚀性能尚可,至少比碳钢好一点,之所以如此是因为铸铁本身纯度不高,还含有一些其他元素,最终提高了它的耐腐蚀性能。此外铸铁家族里还有一个耐腐蚀性妖孽级别的存在,那就是高硅铸铁,这种铸铁里面含硅可以到10%以上,据说在显微镜下观察可以发现材料表面覆盖着一层二氧化硅。该材料耐腐蚀性能几乎和玻璃一样,百毒不侵。

在获得了铸铁之后人类还不满足,因为铸铁的缺点非常明显,由于质地非常脆,因此铸铁不适宜作为工具和武器。试想古代战争,你拿着你家祖传的铸铁大宝剑,和敌人对了一剑,然后宝剑就碎了,你心里一定是崩溃的。或是因为巧合,或是因为有意为之,人们发现,对铁进行反复锻造后,铁的韧性和强度都能得到明显增强,一种新的铁基合金——钢被制造了出来。

直到18世纪中期,人类才掌握了大规模炼钢的方法,在此之前人工锻造是生产钢材的唯一方法,因此有了百炼成钢一说。

钢材这里指碳钢,一般要求碳含量在0.02%-2%之间,低于铸铁。根据含碳量不同可以分为低碳钢,中碳钢和高碳钢。一般来说碳含量越高刚才越硬,碳含量越低钢材的韧性越好。刚才可以说是人类发现的最完美的材料,首先是钢材非常便宜,因为铁本身在地壳内丰度就很高,不同与铜,银,金等稀有金属,铁矿还是相当常见的。此外就是钢材的力学系能太好了,强度与钢度完美平衡,恰到好处,而且关键是可以调节,只要变动含碳量,就能得到不同力学性能的产品。在化工生产中碳钢的应用是非常广泛的,既可以做管道,也可以做设备主体,还可以用来做钢结构,用于支撑设备,简直就是万金油一般的存在。

某企业罐区,可以看到从罐子到管道,甚至周围的楼梯都是碳钢的,碳钢可以说是一种万金油一般的材料

碳钢用途这么广泛就没有缺点吗?你别说,缺点是真的有的而且非常严重,那就是碳钢的腐蚀比铸铁严重很多,上面这张图你看到的罐子都刷了漆,一方面是为了好看一方面也是防腐作用。碳钢直接暴露在空气中会产生严重的腐蚀,主要是由空气,水分共同作用导致的。实际上碳钢在干燥条件下的腐蚀并不严重,在中性与碱性条件下如果隔绝空气也可以有效阻止腐蚀。例如在纯碱工业里由于物料是碱性的且不接触空气,大部分设备都可以用碳钢。

某工厂碳钢材料堆场,可以看到材料腐蚀十分严重,但就是这些钢材洗干净刷上漆还能继续用。有意思的是碳钢因为腐蚀会导致重量减轻,实际上库存的碳钢因为这一点产生的损耗损失是非常惊人的,相当于资产在不断贬值。

鉴于碳钢的耐腐蚀性问题,人们又开始孜孜不倦地寻找新型材料了,在一个非常巧合的情况下,一种可以耐受腐蚀的铁基合金——不锈钢诞生了,关于不锈钢诞生的故事我们下回再说吧。

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:知乎用户(登录查看详情)

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