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。

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。

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。

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。

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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