铁，他们是怎么做到的？第四部分：坚强

本周，我们继续我们的四个(半)部分(I，II，III，IVA，IVB)，看看前现代的钢铁生产。上周，我们研究了铁匠是如何将我们的铁从一种叫做吊杆的海绵状物质重塑成更可行的形状，然后最后变成某种最终有用的物体，比如工具。但正如我们上周提到的，铁匠不仅需要控制铁的形状，还需要控制它的硬度和延展性。

正如我们本周将看到的，这些因素-硬度和延展性(以及一系列其他更复杂的金属特性，为了简单起见，我们将省略这些特性)-可以通过改变金属本身的化学成分来控制，方法是将铁与另一种元素碳合金化。由于写这篇文章的时间很长，时间很短，下周，我们将通过观察这些相同的因素对机械效应(加工硬化)和热处理的反应来结束这一过程。

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让我们从绝对的基础开始：什么是钢？从根本上说，钢是铁和碳的合金。在很大程度上，我们可以省去涉及更复杂合金的许多现代品种的钢；不锈钢(将铬添加到混合物中)这样的东西在前现代铁匠中是未知的，只是偶然生产出来的。这类天然合金(特别是含锰的)可能是在当地矿石含有微量其他金属的情况下偶然产生的。这可能导致了古代和中世纪作家的共同信念，即某些地区的铁比其他地区的铁更优越(例如，罗马时期的Noricum钢就有这样的名声，布赫瓦尔德指出，Op.Buchwald，OP)。引文。关于这一点的证据)，虽然我还没有看到这一点在化学研究中得到证实。

所以我们在这里仅限于碳和铁。现在，在视频游戏逻辑中，这意味着你拿出一个“单位”的碳和一个“单位”的铁，并将它们在火中敲打在一起炼钢。正如我们将看到的，这个过程至少比这稍微复杂一些。但更重要的是：这些比例是完全错误的。钢是铁和碳的结合体，但不是等量的，也不是相近的。相反，一般划分是这样的(有几个分类系统，但它们都有相同的一般等级)：

低于0.05%左右的碳，我们只称其为铁。在冶炼或锻造过程中，大多数铁器中都会有少量的碳。从0.05%碳到0.25%碳是软钢或低碳钢。从大约0.3%到大约0.6%，我们可以称之为中碳钢，尽管我很少看到这种分类。从0.6%到1.25%左右的碳是高碳钢，也称为弹簧钢。对于大多数盔甲、武器和工具来说，这是“好东西”(但见下文关于图案焊接的内容)。从1.25%到2%是“超高碳钢”，据我所知，这种钢在古代或中世纪并没有多大用处。超过2%，你有铸铁或生铁；过多的碳会使钢变得太硬太脆，使它不适合大多数用途。

我不想太纠结于碳的引入如何改变铁的金属基体的确切化学；欢迎你阅读。随着铁中碳含量的增加，铁的基本特性-它的延展性和硬度(以及其他)-也会发生变化。纯铁在受到严重冲击时，往往会变形(弯曲)以吸收冲击(它具有延展性和柔软性)。增加含碳量会使铸铁变得更硬，使其更能抵抗弯曲，同时也能更好地保持边缘(硬度是通过使用保持边缘的关键特性)。在适量的情况下，钢材是有弹性的，弯曲以吸收冲击，但很快就会恢复到原来的形状。但过多的碳会使钢变得太硬，延展性不够，导致它变得易碎。

与其他可用于工具和武器的材料相比，高碳“弹簧钢”本质上是前现代世界的超级材料。高碳钢比铁坚硬得多，因此一把好的钢刃会咬进铁刃--通常是令人惊讶的深度--而不会对自身造成太大损害。此外，好的钢可以承受相当高的能量冲击，只需弯曲就能吸收能量，然后再弹回原来的形状(而不是像铁那样，在弯曲的地方有塑性变形，但不会弯曲-这仍然比断裂要好，但不会太多)。至于盔甲，你可能还记得我们以前的厕所

有时有人争辩说古人不知道钢铁的区别。这在很大程度上是一种语言学上的争论，因为在古代语言中，这两种语言在技术上的区别并不多见。拉丁文作者经常用“铁”来表示铁和钢；希腊语中的“铁”(σίδηρος，“铁”)的用法大致相同。这里的问题是，古代的高级文学-几乎是我们拥有的所有文学-对一般的技术术语都有强烈的反感；精英作家展示更多适合商人的知识，而不是参议员的知识，这是没有好处的。也就是说，在一些地方，拉丁文作者使用chalyb(来自希腊语χάλυψ)来表示钢，与铁不同。

更重要的是，虽然我们的精英作者-他们充其量是冶金学的外行观察家，从来没有积极参与-可能知道或可能不知道其中的区别，但古代工匠显然知道。作为Tylecote(Op.。同上)。注：在黎凡特和埃及，我们在公元前1000年就可以清楚地看到工具上的表面渗碳，尽管由于生锈和损坏，很难衡量其使用和意图的程度。至少在拉泰纳时期(公元前450年-公元前50年)，高卢冶金就没有这样的问题。或公元前200年左右的罗马冶金，因为我们看到有证据表明，铁匠通过图案焊接故意改变剑刃不同部分的碳含量(边缘含碳较多，核心含碳量较少)，这本身就会给剑刃留下一种明显的“条纹”外观(这些条纹可以是伪造的，但如果它们还没有被理解为意味着更好的武器，那么伪造它们就没有什么意义了)。毫无疑问，将钢刃焊接到铁芯上制造剑刃的铁匠明白这一刃有一些不同的地方(特别是因为他不能像我们一样，每次都能精确地测试两者的硬度-他必须知道一种方法，通常可以生产更硬的金属，并在此基础上工作；正如我们将看到的那样，适当生产的高碳钢可以比铁坚硬得多)。

这就是说，当然，我们古代的，甚至中世纪的铁匠们，当然并不了解这一切的化学原理。理解碳化的影响，以及如何利用它来制造更好的工具，必须是通过经验和实验学到的东西，而不是从理论知识中学到的东西-这是一种从师傅传给学徒的东西，每一代人只需稍作修改(尽管同样明显的是，技术可以相当快地跨越文化界限，因为技术较差的铁匠只需要模仿一种优秀的技术)。

现在，在现代炼钢中，主要问题是碳过量。钢在高炉中冶炼时，碳含量往往过高。因此，许多现代炼铁都是通过去除多余的碳，使钢的含碳量降到非常低的水平。但古代炼铁从完全相反的方向来处理炼钢问题，很可能是从接近纯铁质量的东西开始，然后必须找到方法让更多的碳进入铁中生产钢铁。

那么我们怎么把我们的碳放进我们的熨斗里呢？好消息是，基本原理实际上非常简单：当热的时候，铁会从它周围的环境中吸收碳，尽管如果铁不熔化的话这个过程会相当慢(在这些过程中从来不会这样)。有几个阶段可以做到这一点，因此有几种不同的方法可以用我们的铁来炼钢。

流行的假设-部分是因为这是相当长一段时间以来行之有效的学术假设-是铁可以通过反复锻造至少部分渗碳。复制这一点的实验努力表明这不是真的(注Craddock，Op.。同上，252关于这些论点)。第一个问题是时间：热而实心的铁(就像锻造厂的铁棒)的碳吸收相对较慢，通常需要几个小时(一项实验表明，完成一块3毫米厚的铁大约需要3个小时，而厚度会非线性地增加所需的时间)。但熨斗通常只在锻造火中停留几分钟，这意味着即使发生了任何渗碳，也只会穿透极薄的一层铁。同时，简单地将铁放在锻炉中长时间也不是一个好主意，因为它会导致铁燃烧，除非锻件保持在较低的温度下(这反过来意味着在此期间不使用它进行常规的锻造工作)，或者排除所有的氧气(稍后详细说明)。因此，在最好的情况下，锻造大火只能在一根铁棒上提供一层非常薄的钢铁涂层-大约0.03毫米。

试图通过一遍又一遍的锻造过程来弥补这个问题的问题是，你还有两个不同之处

首先，在盛开的花朵中砥砺前行。毕竟，我们已经有了一个生产铁的阶段，在这个阶段创造一个缺氧的环境是至关重要的。我们能在冶炼过程中把碳带入钢坯吗？答案是肯定的；如果木炭和铁矿石的比例足够大地向木炭倾斜，那么一旦木炭燃烧殆尽，最终的结果将是钢铁开花。在一些传统的非洲开花传统中似乎就是这样(Craddock，Op.。引文。236)和日本塔塔拉-布基进程(Sim&；Kaminski，Op.。引文。59)。铁器时代欧洲的一些发现也有这样的解释，但我的理解是，这里仍然有很多问题；据我理解，文献证据并不支持布鲁姆里方法在欧洲的广泛使用。

或者，也可以在铁形成棒材后引入碳，这一过程被称为渗碳(也称为表面硬化或锻造硬化，尽管短语“表面硬化”也可能意味着有效的“表面硬化”，使其成为一个不精确的术语)。一旦铁被加热到大约900°C以上(或者，在视觉上是“红热”)，如果在缺氧环境中与碳源接触，它将开始吸收碳。我们实际上有相当多的证据表明，中世纪时期将如何做到这一点(见Craddock，Op.。引文。252)。

首先，铁棒(已经冶炼成花朵，然后锻造成棒)用富含碳的材料包裹或包围，这些材料可能是木炭，也可能是植物、蹄子、牛角或皮革，然后密封在陶瓷外壳内。然后将外壳加热到合适的温度(因为外壳内部缺氧，铁件“燃烧”的风险微乎其微，所以温度“过高”的威胁较小)，并在该温度下保持几个小时，让铁件吸收碳。所使用的铁棒通常故意保持安静(厚度为1-2厘米)，以实现更快的渗碳。这种结果有时被称为泡沫钢，其含碳量可能高达2%，这取决于胶合过程的彻底程度；毫无疑问，长期的实践让史密斯了解到，一定数量的铁应该处理多长时间，在什么温度下处理才能产生所需的碳水平。

很清楚的是，在这两种情况下，使用Bloomery的渗碳过程，所需的燃料和时间使所产生的钢材变得昂贵；Tylecote(OP。引文。(278)注意到，在中世纪，钢铁的价格通常是铁的四倍左右。因此，从欧洲铁器时代开始，我们就倾向于看到并排使用的钢铁物品(尤其是Craddock就有这样的例子)。就像铁通常只在木材、石头和皮革等较便宜的材料上使用一样，当工作需要很低的重量时，材料韧性很高，所以钢(特别是同等程度较高的钢)通常只在工作要求极高的性能时才用来代替铁。但当然，即使是单个对象，也不是所有部分都需要完全相同的属性，这就带来了以下问题：

如上所述，对相当细的铁棒进行渗碳是最有效的，因为碳是通过铁的最外层吸收的。此外，通过碳吸收炼钢的过程，无论是在初轧阶段还是通过渗碳，往往会使整个铁的碳水平有些不均匀，外层的碳更多，核心的碳更少。

管理这一问题的一种方法是“炼钢”，尤其是在实用工具的生产过程中。事实上，我们上周通过一种允许炼钢的方法生产了一把斧头。在钢刀片或工具中，工具的核心是用铁锻造的(可能是轻微渗碳)，然后，在锻造接近尾声时，商业端(刀片、锤面、挑点等-通常需要最高硬度的部分)与一块钢锻焊，使一块金属牢固地结合在一起，但不同区域的碳数不同。这可以通过多种方式来实现；可以将钢用作核心，然后将铁体焊接在其周围，然后将钢材展露在外(我相信，更常见的是用斧头--我们上周看到了这种方法)。在其他情况下，钢边可能被包裹或层叠在铁芯上。

如果目标是制造更均匀的钢材，那么解决方案就是“打桩”(有时被错误地称为“大马士革”)。钢筋被拉出成一根相当细的棒子，然后折叠起来，经常反复地火焊成自己，以制造出更均匀的钢材。虽然现在这基本上已经是过去的事了，在相当长的一段时间里，人们普遍认为这种特殊的方法是日本独有的，但无论如何，它并不是。当然，缺点是所需的时间和劳力，再加上所需的时间和劳动力。

模式焊接既耗费时间又耗费燃料，因此一般都留作贵重物品使用。对于铁来说，这几乎总是意味着武器的刀片，特别是(尽管不是唯一的)剑；图案焊刀、锤子和矛头也存在，但不太常见。威望价值的一部分肯定是以这种方式制造的武器的高性能，但如果这种武器经过抛光和蚀刻，清楚地显示出焊缝的图案，并且有证据表明它们一直处于这种状态，这不会有什么坏处。模式焊接是一项古老的技术-一些中世纪和晚期的La Tène采用精致的模式焊接-这种技术在欧洲一直延续到罗马时期和中世纪，尽管与罗马时期或中世纪晚期相比，中世纪早期的这种做法(据我所知)有所减少(据我所知)。这项艺术似乎从未“失传”，尽管进口Wootz或更大、更均匀的本地制造钢坯(使用Bloomery工艺而不是渗碳)的更多供应似乎导致欧洲的剑制造在中世纪后期放弃了模式焊接，主要是因为不再需要确保刀片具有足够的质量。

当然，图案焊接可以通过最后的步骤(扭转、焊接和安装刀片)来“伪造”，而不需要前面的步骤，甚至可以对铸铁进行适当的渗碳。有时，这些用低碳甚至无碳铸铁焊接的叶片被认为意味着碳的作用或金属的质量不被理解。我认为情况并非如此，因为即使早在罗马时期，高质量叶片的碳含量往往似乎是非常刻意地分布的。毕晓普和库尔斯顿(罗马军事装备(2006)，242)有一张图表(不在公共领域，所以我不在这里重复)，它显示了一些罗马Gladii的横截面含碳量；几个有高碳(硬)边和低碳(软)芯，这正是你想要的剑(巧合地也是如何。

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