钢是种很晚熟的材料。虽然锻铁这门技术已经代代相传了数千年,但即使在19世纪,人类对天文、物理和化学已经有了惊人的理解,工业革命所仰赖的铸铁和炼钢还是全靠经验、直觉和运气。这是因为当时人们还无法精确掌握铁里面的含碳量,铁的含碳量只有在大约百分之一的范围内才能成为钢,含量太低则太软,含量太高则太脆。直到19世纪中叶之后英国人贝塞麦发明了贝氏炼钢法,人们才能大量制造合格的钢材。
贝塞麦炼钢法非常简单,简直天才到了极点。他把空气灌入熔铁,让空气中的氧和铁里的碳发生化学反应形成二氧化碳,以此把碳带走,然后再把百分之一的碳掺回铁里。这套方法直截了当又可以工业量产,使得炼钢头一次成为科学事业。
金属由晶体组成,虽然它们不像钻石一样透明。不要奇怪,因为金属的晶体特质从表面看不到,而且晶体构造非常小。使用电子显微镜观察金属晶体,感觉就像看到铺得毫无章法的地砖,晶体内则是驳杂的线条,称为“位错”。位错是金属晶体内部的瑕疵,表示原子偏离了原本完美的构造,是不该存在的原子断裂。位错听起来很糟,其实大有用处。金属之所以能成为制作工具、切割器和刀刃的好材料,就是因为位错,因为它能让金属改变形状。
当你拗曲别针时,就是把金属晶体弄弯。金属的可塑性来自位错在晶体内的移动。位错移动会带着微量的这种物质,以超音速从晶体的一侧移向另一侧。虽然每个位错只移动一小块晶体(相当于一个原子面),但已经足以让晶体成为超级可塑性的物质,而非易碎的岩石了。
一战期间,英国人布雷尔利受雇钻研合金,以便改良枪管。他把不同的元素掺入钢里来模铸枪管,再用机械测试硬度,但尝试了无数次都毫无进展。新铸的枪管如果不够硬,他就扔到角落。有一天,他突然发现那堆生锈的枪管里有东西在闪闪发亮,他敏锐地意识到了它的重要性。那块东西正是世界上第一块不锈钢。
布雷尔利掺入的两种成分是碳和铬,因为比例刚好,意外创造出非常特别的晶体结构,让碳原子和铬原子同时嵌入铁晶体内。
钢接触到空气和水时形成氧化铁,即铁锈。铁锈剥落后,新的钢面又会受空气和水侵蚀,使得生锈成为钢铁的痼疾。但铬能解决这一问题,当氧气还没来得及碰到铁原子,铬就抢着先跟它反应形成氧化铬。氧化铬是透明坚硬的矿物质,对铁的附着力极强。所以它不会剥落,从外表又看不见,有如一道隐形的化学保护膜把钢铁完全包住,而且这层膜会自我修复,即使表面磨到了,它也会自行复原。
不锈钢表面干净光亮似乎永不褪色,感觉坚不可摧却又非常亲民,短短一百年,从厨房水槽到餐具,从剃须刀片到艺术作品,它的身影已经遍布我们周围。