铁，他们是怎么做的，第四部分b：加工硬化，还是几乎不加工？

本周，我们结束我们的四个(半)部分(I，II，III，IVA，IVB)，看看前现代的钢铁生产，尽管我应该指出，至少会有一个附录讨论前现代的铸铁和坩埚钢(WOOTZ)的生产。上周，我们研究了通过引入碳(而不是通过去除碳从生铁中提炼钢铁的现代方法)从铁中提炼钢铁的过程。这一过程改变了金属的特性，因为钢比铁更硬、更有弹性(弯曲和回弹，而不是弯曲和保持弯曲)。

但铁或钢的化学成分并不是决定其硬度和延展性的唯一因素：机械加工和热处理也会改变金属的内部结构。由于这位前现代的铁匠同时使用这两种工艺--通过锤子的机械加工和通过锻造的“加热”来加热--他不能忽视这两种工艺带来的变化。正如我们在第三部分中提到的，铁匠的工作不仅仅是将金属加工成最终应用所需的形状，他还必须使金属具有正确的特性-硬度、强度、延展性和弹性的正确平衡，以完成工作，无论这项工作是什么。

我应该再次指出，不同的工具-事实上，同一工具的不同部分-在这方面可能有非常不同的要求。金属锉需要非常坚硬，这样它们才能磨损已经相当坚硬的材料。凿子和凿子的尖端也需要非常坚硬，以保持它们在反复撞击下的形状，但不能太硬，以至于它们会断裂；需要一定的延展性来吸收冲击的能量。盔甲通常只需要稍微硬化(尽管这种要求随着火药的使用而变得更高)，并且可以有相当的延展性；在撞击时弹性变形的装甲板仍然可以吸收打击。剑有不同的要求：它们的长短需要坚固的钢材和良好的弹性，以便在吸收摆动和冲击力后能够弹回正常的形状，同时保持良好的切削刃需要高硬度(硬度是决定刃的锋利程度以及在使用过程中保持锋利程度的特征)。

因此，铁匠不能简单地以牺牲其他特性为代价来最大化一个特性。他们也不能只有一种钢，每种应用都只有一套特性。相反，学习到的技术-在他们的学徒时期复制和练习-可能是经过几代人的实验开发出来的，以生产工具、武器和盔甲，每种都有自己独特的“正确混合”的特征，尽管我们今天将讨论两种主要方法(当然，还有我们上周讨论的碳含量)。

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加工硬化是指金属在锤击(或应变成任何一种塑性变形)时变得更硬的趋势。在其原始状态下，金属的原子通常以晶体结构排列，并通过金属键连接在一起。这些原子晶格整齐而规则。当这种整齐、规则的原子晶格被拉紧，导致塑性(而不是弹性)变形时，这些整齐的规则晶格就会被压缩、弯曲和错位。这发生在铁中，但也发生在大多数金属中--事实上，加工硬化在青铜加工中比在铁加工中要重要得多，尽管在这两种加工中都不能忽视。

这种位错使金属可以抵抗进一步的变形(塑性或弹性)，这既增加了金属的硬度，也增加了金属的屈服强度(应用塑料所需的能量，而不是发生弹性变形所需的能量)，但同时也使金属的延展性较差，更脆弱(即，更有可能断裂而不是弯曲)。这一特性对于最早的铜匠来说肯定是显而易见的：当他们将铜锤炼成型时，每一次打击都会使金属对锤击的抵抗力略微增强，直到最终它几乎完全拒绝动弹(甚至可能断裂)。但同样的工艺也适用于铁，尽管由于铁的生产工艺不同，它必须稍微有意识一些。

可以通过一种称为退火的过程来重置这一过程。当加工硬化的金属被加热时，热提供的能量允许原子断裂和重塑它们的键，导致晶体结构返回到其正常的晶格，并消除了Vario。

如果铁没有在高温下保持，而是让它在空气中慢慢冷却，那么它就被称为正火(这个过程，正火，是退火的一个子集)。与完全退火一样，加热过程会计算出金属中的所有小应变(此过程的加热范围从700°C到900°C)，但通过随后缓慢冷却(而不是将其保持在高温下)，它会导致金属原子晶格的实际尺寸缩小(专业术语是“晶粒细化”，因为晶格中的单个晶粒被“细化”-意思是“变小”)，这导致金属比完全退火状态下的金属略硬。正火是随后也要进行热处理的金属的重要一步。

现在，细心的读者会想，“但是等一下，如果把金属加热到锻造温度并让它在空气中冷却会重置加工硬化过程--嗯，我们每次加热金属进行锻造时都是这样做的。”的确！热加工(这就是我们到目前为止对锻造的描述)通常不会有意义地加工硬化的金属，这正是出于这个原因。而对于一个用优质钢材工作的铁匠来说，这并不重要，因为这些钢材都要进行热处理(我们马上就会讨论这一点)。

但是，由于我们将讨论的原因，碳含量非常低的铁不能进行硬度热处理。对于使用几乎纯(无碳)铁的铁匠来说，加工硬化是提高硬度和屈服强度的最佳选择。在这种情况下，铁器通常基本上会被加工成它的最终形状，然后通过冷锤击(“冷加工”)来完成。虽然铜和青铜通常足够软，几乎完全可以进行冷加工，但铁实际上不是这样，除非是相当薄的薄板，所以大部分实际成形仍将通过热锻造完成，但最后阶段的冷锤加工将导致加工硬化(顺便说一句，还可以去除热加工中的工具痕迹，这可能是美观的需要)。

钢在加热和冷却时所经历的变化也会改变其特性。因为，正如我们将看到的，热处理的影响很大程度上与钢的晶铁结构中扩散的碳原子有关，纯铁和低碳钢不能进行有效的热处理，而必须进行加工硬化才能达到类似的结果。热处理允许铁匠对钢的硬度、强度和延展性进行相当精细的控制，甚至可以允许单个钢件的不同部分进行不同程度的淬火。

对于高碳钢，热处理周期通常被称为“回火和淬火”，尽管正如我们将看到的那样，更准确的说法可能是将该过程称为淬火、淬火和回火(然后再淬火一次)，以获得正确的顺序。具有讽刺意味的是，第一步，对烧红的粗钢进行剧烈淬火(第二次淬火的戏剧性要小得多，因为它发生在低得多的温度下)-几乎总是在电影或视频游戏中表现为锻造过程的最后一步-基本上从来不是最后一步，原因很快就会显现出来。

首先是一些复杂的冶金学，然后我们将了解铁匠会使用的实际流程。高碳钢最初是两种铁的混合物，铁素体和渗碳体，前者是纯铁的立方原子结构，而后者是碳化铁(好奇的是Fe3C)。如果钢被加热到912°C以上(但没有熔化)，一些有趣的事情开始发生：铁素体结构转变为奥氏体。避免这里的冶金杂草，我们只需要知道奥氏体是一种不同的立方铁，它能够吸收碳原子，将它们从渗碳体中拉出来，并将它们困在单独的奥氏体结构中。

奥氏体很整齐，但在室温下不稳定，没有添加合金(特别是不锈钢中的镍)，这是我们的铁匠没有的。如果让奥氏体慢慢冷却，它会慢慢地重新排序，重新形成渗碳体和铁素体，通常是以一种叫做珠光体的分层模式，这在很大程度上会让我们回到起点。但如果奥氏体冷却得非常快，它就没有时间有序地排出吸附的碳，形成铁素体和渗碳体；取而代之的是，立方的铁会向下收缩，形成一个以身体为中心的四方铁体，它会将碳原子困在里面，并从本质上挤压里面的碳原子，这就是说，奥氏体没有时间有序地排出吸附的碳，形成铁素体和渗碳体。这种形成称为马氏体。这种快速冷却(淬火)本质上“冻结”了处于这种状态的钢，而缓慢冷却则允许马氏体重新转变为奥氏体，再从奥氏体转变为铁素体和渗碳体。

马氏体很硬，但也很脆。因此，含有大量马氏体的钢也会

那么铁匠是如何利用这些步骤为自己带来优势的呢？嗯，首先要做的就是使钢材正常化。原因是所有这些加热和冷却以及金属结构的变化都会给我们的金属带来很大的压力。特别值得一提的是，马氏体既是脆性的(所以它会断裂而不是弯曲)，又不如奥氏体致密，所以突然将一束奥氏体冷却成马氏体会给我们钢的金属组织带来很大的应变。如果我们对已经有很多锤击应变的钢(也就是锻造过程中冷却时产生的加工硬化)这样做，它很可能会对我们造成破坏，这是我们非常不想要的。因为所有的热处理过程都是通过加热来完成和取消的，所以我们必须在锻造之后再做这些步骤；我们不能再次加热金属，否则我们会毁了回火。因此，我们的钢一定已经是最终形状，应力尽可能小。因此，我们首先对我们的钢进行正火处理，以消除任何现有的应变和硬度。

下一步是实际的硬化。钢被加热到900°C左右(铁匠将一如既往地通过颜色测量铁的热)，以使铁素体+渗碳体转变为奥氏体。然后钢被淬火，迅速冷却，产生我们的马氏体，得到硬度最高的钢。

当然，快速冷却会给钢带来各种应变，所以这里的目标是在不开裂的情况下尽可能快地冷却，以达到完全的硬度。含碳量较高的钢会有更多的奥氏体(与铁素体相比，因为前者需要更多的碳)，冷却速度应该较慢。同样，较薄的钢片可以冷却得更慢，但较厚的物体需要更快的冷却(因为它们的内部体积与外表面积之比更高，这意味着即使外部已经冷却，内部也可以保持热)。铁匠控制冷却速度的主要工具是淬火介质：水冷却得相当快，而油冷却得较慢。罗马人知道这一点，因为普林尼意识到了这一点(普林。NH 34.145-6)。铁匠很可能会依靠自己的经验和他在学徒期间学到的做法来知道如何淬火不同种类的物体和不同的钢材。

淬火和淬火的钢对于大多数用途来说都太硬和太脆(尽管有些物体，如文件，可能会硬化并保持这种状态，因为它们不需要承受冲击，只需要抵抗磨损)。因此，现在对钢进行回火，在200°C到330°C之间再次加热(所有这些加热都使用相同的旧锻件；通过控制通过波纹管的空气输入和铁的曝光时间，铁匠可以精细地控制金属的热量，他可以通过金属的颜色来测量)，这将溶解一些马氏体，消除脆性。回火后，刀具通常会再次淬火，以再次将金属结构‘冻结’到所需的硬度。

令人着迷的是，钢的成分会影响氧化膜的颜色，氧化膜是通过这一过程在其表面氧化形成的，这意味着可以通过颜色来判断铁的回火(尽管成品工具会将这层膜抛光)。Healy(Op.。同上)。给出了下面的图表(也转载于Sim和Kaminski(Op.。同上)：

钢的回火温度越低，其组织内部存留的马氏体越多，导致硬度越高，但脆性也越大。

在这一点上，我们的钢制工具已经走过了相当长的一段路。它最初的生命是一些矿石和树木。树木被还原成木炭，矿石被开采出来，然后被冶炼，锤成小方坯，然后变成一块棒子。然后把那根棒子渗碳(如果它要渗碳，在冶炼过程中没有渗碳)，然后锻造成我们想要的工具的形状。最后进行淬火处理，如果碳含量太低不能进行热处理，则进行有限的冷加工以诱发加工硬化，或者进行最后一次正火、淬火、淬火、回火和淬火。

那我们就完事了，对吧？嗯，不完全是。在描述小说中的炼铁时，有一件事几乎总是被忽视，那就是完成。因为我们用来结束这一过程的不是一把原始的、即用即用的剑或工具。所有的热量都引起了氧化，留下了一层薄薄的(色彩鲜艳的！)。生锈了。铁锈对铁器是非常有害的--不像铜是保护性生锈的，铁锈会助长进一步的生锈。因此，通常在抛光过程中，必须将其去除。

此外，我们的物品很可能有锻造的文物-例如，史密斯夫妇用作手柄的棒子部分的残余物-很可能已经被锻造切断，留下一个需要去掉的旋钮。同样，虽然任何需要锐利的边都已经画得很薄，但现在它们实际上需要通过一个足够锐利的边或点来实际切割东西。可能还需要通过移除金属来进行其他小调整。所有这些都将通过归档完成，而且通常是相当多的。也可能使用磨石，但很多都是手工完成的(我的感觉是，旋转磨石在描绘过去时比实际的过去更常见，尽管它们肯定是任何铁匠的重要工具)。我们几乎从来没有在虚构的“铁匠”中看到过这样的收尾工作(或者，就此而言，在时期艺术品中，它更喜欢展示锻造过程)，但这将是一项重要的、劳动密集型的任务(很可能是由学徒完成的，而不是由铁匠大师完成的)。

当然，人们希望他们昂贵的铁器看起来好看。铁匠为自己制作的锻造工具可能会处于相当粗糙、实用的状态，但将要出售的东西，特别是贵重物品，将会被仔细打磨。就图案焊接物而言，这也是它们被化学蚀刻的阶段，以产生那些奇妙的条纹图案，这样每个人都知道你在剑上花了很多钱。

该物体还需要保护以防止进一步氧化(读作：生锈)，这可以通过多种方式来实现。生锈对任何碳钢(或铁本身)来说都是一个巨大的问题。虽然现代的钢铁合金通常都很防锈(顺便说一句，用不锈钢之类的东西来制造盔甲或武器不是一个好主意，因为它不够坚固)，但高碳钢的锈蚀速度令人沮丧，即使是在室温和正常湿度下，如果没有保护措施的话。因为铁锈形成于钢铁的表层，所以前现代时期可用的防锈方法大多是在钢铁表面涂上一层，使铁不与周围空气中的水分和氧气直接接触。

最持久的解决方案可能是使用锡、银或金等熔化温度较低的软金属，将金属涂层作为液体或树叶涂抹。当然，问题是，对于原本打算用于某种东西-剑、锤子、刀-的铁来说，这些涂层相当适得其反，会以惊人的速度磨损在边缘。相反，盔甲可能是蓝色或黑色的。这里利用了回火过程中形成的氧化层(重要的是，回火过程中的氧化形成了Fe3O4，而不是普通铁锈的FeO(OH)；当在油中淬火时，它吸收了油，形成了一层可持续数年的涂层(假设它不会被抛光并保持干燥)。这取决于它是如何做到的(老实说，我自己对细节也不是很了解)，它产生的表面涂层要么是暗灰蓝色(发蓝)，要么是经典的枪金属黑灰色(发黑)，只要不磨损、划伤或抛光，就能防锈。

武器和盔甲似乎很少经历过这个过程。对于承受冲击的刀刃和武器来说，这是有意义的：经常使用和磨利可以很快去除抛光效果。但即使是盔甲，可能是蓝色或黑色的，通常也不是这样的，特别是。

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