【講述】材料史話,不銹鋼的發明

          久立特材2020-10-08 10:11:40


            科學技術的發展歷程伴隨著一系列的發明與發現,每一次發明或發現的背后都可能有著一段讓人津津樂道的故事。這些故事經過作家的修飾和媒體的傳播,往往演變成一段段傳奇。比如我們小時候聽到耳朵起繭的“牛頓的蘋果”、“瓦特的茶壺”、“愛因斯坦的小板凳”……這些故事都非常有趣,能讓小孩子們對科學技術產生好奇。不過作為成年人,我們所需要的不再是這種激發孩童向往科學的段子,而是真實的歷史。


            關于不銹鋼的發明,也曾有過類似的故事。據說英國人哈利·布雷爾利(Harry Brearley,1871-1948)承接了為英國軍方研制耐磨耐高溫的炮管鋼材,但在試驗了無數種成分的鋼材后一無所獲。有一天,布雷爾利決定把丟棄在院子一角的試驗品清理一下,結果在一堆銹跡斑斑的鋼材中發現了一塊锃光瓦亮、毫無銹跡的鋼材——不銹鋼就這樣誕生了!講述這個故事的人或許希望借此展現科學研究的偶然性以及人生的戲劇性,或許也希望讀到這個故事的人不要放過生活中任何一個可能的機會。不過,真實的歷史遠比勵志的故事來得復雜,偶然性的背后有著時代的必然,戲劇性的背后也有著勤奮的汗水。


          無心插柳還是有意栽花?

            1913年8月20日,本是一個再普通不過的夏日。然而,多年以后,當退休在家的布雷爾利書寫自傳的時候,他一定會回憶起這個日子,回憶起他在顯微鏡下觀察樣品的那一瞬間。


            時間要再往前倒退6年。1907年,謝菲爾德2家相鄰的鋼鐵企業——托馬斯·弗思公司(Thomas Firth & Sons)和約翰·布朗公司(JohnBrown & Company)合資建立了弗思-布朗研究室(Firth Brown Research Laboratories),并聘請當時年僅36歲的布雷爾利擔任第一任研究室主任。布雷爾利得到雇主的極大信任,他被賦予絕對自主的權力,可以自由選擇研究方向,甚至可以拒絕任何他不感興趣的課題。

          布朗-弗思實驗室

          (圖片來源:Picture Sheffield)


            1912年5月,布雷爾利造訪了位于倫敦北郊恩菲爾德(Enfield)的英國皇家輕武器工廠(Royal Small Arms Factory, RSAF Enfield)。這座工廠始建于1816年,百年來一直致力于軍用火槍、步槍和佩劍的生產及研發。大名鼎鼎的李-恩菲爾德步槍(Lee-Enfield Rifle)就是由該廠設計制造的。這種步槍作為英軍的制式步槍,直到二戰之后仍在裝備軍隊。然而,盡管該廠的工程師們在步槍設計上大獲成功,但有一個嚴重的問題始終困擾著他們——槍管的壽命。射擊是一個在極短時間內完成的簡單動作,但就是在這看似簡單的過程中,槍管內發生了劇烈的變化,產生了高溫高壓的環境,甚至還留下了一些殘留物。在這種極端條件下,槍管的內壁非常容易被磨損、燒蝕和堵塞,從而導致其壽命的縮短。布雷爾利此次造訪,也正是為了解決這一問題。

            

            根據過去研究鉻鋼的經驗,布雷爾利認為鉻含量較高的鋼很可能是解決這一問題的方案,因為鉻鋼往往具有較好的耐蝕性,在當時已經被用于飛機發動機的排氣閥。為了確定性能最優的鉻鋼的成分,布雷爾利制作了一系列鉻含量在6%~15%之間且具有一定碳濃度梯度的鉻鋼。經過長期的試驗,終于在1913年8月20日這一天,當布雷爾利將編號為1008,含鉻12.8%、含碳0.24%、含錳0.44%、含硅0.20%的鋼樣置于金相顯微鏡下之時,他驚喜地發現這種材料幾乎沒有被硝酸腐蝕。而這就是后來被稱為“不銹鋼”的材料。


            布雷爾利的發現絕不像很多故事里描述的那樣是無意、巧合、偶然的,而是他根據自己的經驗通過長期試驗獲得的結果。將這一偉大發現歸功于運氣是對布雷爾利工作的不尊重;當然,如果僅僅歸功于布雷爾利,同樣也是對前人工作的不尊重,因為他是站在巨人的肩膀上。


          站在巨人的肩膀上

            早在1797年,法國化學家沃克蘭(Louis–Nicholas ?Vauquelin)就在來自西伯利亞的紅鉛礦中發現了鉻的氧化物,并于第2年提取了鉻單質。他將其命名為“chromium”,這是一個源自希臘語“chromos”的單詞,意為“色彩”,因為鉻的化合物有著各種各樣的顏色。


            鉻被發現后就迅速進入了法拉第(Michael Faraday)的視野。眾所周知,法拉第是以他在電磁學方面的研究而著稱,不過他同時也是合金鋼研究的先驅者。他嘗試著將各種金屬元素添加到鋼鐵中,包括銀、鉑、銠、鎳、鉻等,了解它們對于鋼鐵性能的影響。不過,他最多只添加過3%的鉻,發現對于切削性能有所提升,但沒有表現出明顯的抗蝕性。


            沃克蘭的發現和法拉第的早期研究不過是人類利用鉻元素改善鋼鐵性能的開始。真正實現了工業應用的是法國人貝爾蒂埃(Pierre Berthier)。他于1821年發現了鉻鐵的耐腐蝕性,并且通過將木炭、氧化鐵和氧化鉻在坩堝中混合加熱進行生產。貝爾蒂埃甚至提出可以將鉻鐵用于制作餐具——這與一個世紀后的布雷爾利不謀而合。不過,由于當時的冶煉技術的局限,生產出來的合金具有較高的含碳量,脆性較大而難以利用。


            直到冶金學家們掌握了煉鋼的方法之后,對鉻鋼的研究才盛行起來,在19世紀末20世紀初形成了一股潮流。1892年,英國冶金學家哈德菲爾德(Sir Robert A. Hadfield)探究了含鉻1%~9%、含碳1%~2%的鉻鋼在硫酸中的溶解情況。1895年,德國人戈德施密特(Hans Goldschmidt)發明了一種生產低碳鉻的專利。在20世紀的前10年中,法國人吉耶(Leon Guillet)和波特萬(Albert Portevin)、英國人吉森(W. Giesen)、德國人蒙納爾茨(PhilipMonnartz)和博徹斯(W. Borchers)……等一批科學家和工程師的努力促進了人類對鉻鋼的了解和應用。幾乎與布雷爾利的發現同時,其他品種的不銹鋼也被各國的冶金學家開發出來:德國克虜伯(Krupp)的毛雷爾(E. Maurer和施特勞斯(B. Strauss)開發了含碳低于1%、含鉻15%~40%、含鎳20%的奧氏體不銹鋼;美國的丹齊曾(C. Dantsizen)開發了含鉻14%~16%、含碳 0.07%~0.15%的鐵素體不銹鋼……歷史的洪流滾滾向前。隨著時間推移,研究不斷深入,不銹鋼不再只是某一種材料,而成為一個擁有多個系列的大家族。布雷爾利的發現,正是歷時浪潮之巔最耀眼的浪花。


          方興未艾的工業研發

            盡管在布雷爾利之前和同時有很多人都在對鉻鋼進行研究,其中不少人也發現了鉻鋼良好的耐蝕性能,特別是本文前面提及的那些名字,都是在不銹鋼發展史上值得書寫的人。但如今我們說起“不銹鋼之父”,卻都毫無例外地指向了布雷爾利。最主要的原因在于,布雷爾利是真正意識到不銹鋼的商業價值的人,也正是他將不銹鋼從實驗室推向了生產線,進而推向千家萬戶。


            在1913年那次驚喜的發現之后,布雷爾利很快將這種材料制成槍管,送交恩菲爾德皇家輕武器工廠進行測試。不過很遺憾的是,盡管新發現的材料能夠很好地抵抗酸性溶液的腐蝕,但面對槍炮射擊時的惡劣環境仍然是無能為力,無法作為槍管用鋼。這樣的結果,對于一位科研人員而言或許意味著項目的失敗,需要考慮的是調整思路從頭再來。但布雷爾利卻敏銳地聯想到這種材料在餐具制造業中的前景,而他所在的謝菲爾德,正是英國餐具制造業的中心。碰了幾次灰之后,布雷爾利得到了莫斯萊公司(Messrs. R.E. Moseley)的老板斯圖爾特(Ernest Stuart)的支持,這種材料也正式被命名為“不銹鋼”(stainless steel)。很快,不銹鋼制的餐刀進入了市場,并且迅速得到了謝菲爾德地區的認可。隨著大批訂單涌入斯圖爾特的工廠,其他的生產商也紛紛加入這一領域。不銹鋼一時成為刀具廠商和鋼鐵廠商中間最火熱的話題。

          布雷爾利的公司生產的刀具

          (圖片來源:Picture Sheffield)


            從實驗室到餐桌,不銹鋼的產業化只用了一年的時間。這在各行各業的研發(R&D)已經十分普遍的現代人看來似乎毫不意外,但對于20世紀初的鋼鐵工業而言,卻幾乎是天方夜譚。在當時,企業在內部設立用于研發的實驗室,還算是比較新鮮的事物。原先的技術創新,或者是來源于科學家的個人興趣,或者是基于工匠的經驗積累。但是在2次工業革命的刺激下,人們逐漸認識到科學知識的“有效性”,于是科學家開始向產業界發展,產業家也開始有意識地資助研究和教育。學者和工匠終于走到一起,思考共同關注的技術難題。從19世紀下半葉開始,法國和德國的化工企業就開始建立自己的工業實驗室。鋼鐵企業相對有所滯后,因為冶金學的理論發展得相對較晚。不過“鋼鐵之都”謝菲爾德卻是緊跟時代潮流的。盡管在世紀之交,英國的鋼鐵產量先后被美國和德國趕超,但謝菲爾德的鋼鐵企業卻在特種鋼領域一枝獨秀,始終保持著世界領先的地位,這與其在研發和教育上的持續投入是密不可分的。布雷爾利所在的弗思-布朗研究室就是謝菲爾德的縮影。也只有謝菲爾德成熟的產業環境允許布雷爾利迅速將不銹鋼投入生產,而德國和美國的研究者們只能望塵莫及。


          自學成才的冶金學家

            一個人的命運,當然要考慮到歷史的進程,但是個人的奮斗也同樣不容忽視。布雷爾利并不是唯一研究鉻鋼或者鋼鐵耐蝕問題的冶金學家,但最后獲得商業成功的卻只有他一人。因此,在分析完不銹鋼產生的時代背景之后,我們很有必要檢視一下布雷爾利的人生軌跡,這其中或許就隱藏著他成功的奧秘。


            布雷爾利出生在一個鋼鐵“世家”,祖父是鄉下的鐵匠,父親是鋼鐵廠的工人。由于家境困難,作為家中9個孩子里的第8個,他幾乎沒有接受過正規的教育,而是從小就出沒于車間,很早就接觸到了鋼鐵行業的方方面面。到12歲時,布雷爾利有了一份正式的工作——在弗思公司的實驗室里清洗容器。在此期間,他得到了化學分析師泰勒(James Taylor)的賞識。在泰勒的影響和鼓勵下,他開始去上夜校,并重新拿起了書本,開始學習數學和化學,并最終成為實驗室的助理。從這里開始,布雷爾利逐漸成長為專業的化學分析師,寫出了自己的專著,創立了自己的小公司,負責管理一個工業實驗室,并在這里做出了他此生最偉大的工作——發現不銹鋼。


            今天,我們很難相信一個自學成才的人能夠做出什么驚人的發現,因為如今的科學技術已經發展到了一個高度專門化的階段,未經高等教育的人完全不可能像布雷爾利一樣“逆襲”,從清潔工一躍成為研發主管。然而,這些非同一般的經歷卻讓布雷爾利具備了一些科班出身的科學家或工程師所不具備的特質。最首要的一點是他開闊的思維。我們已經知道有很多人都在研究鉻鋼并發現其耐腐蝕的性質,卻極少有人將這種性質與不生銹聯系在一起。實際上,直到一戰前后,人們仍然認為鋼鐵的銹蝕是不可避免的,認為這是一種自然的屬性,甚至很多資深的冶金學家也抱有同樣的觀點。餐具的使用者們也覺得清除餐具表面的銹跡是一件再正常不過的事情,而廠商則認為使用不銹鋼制造餐具會使得商品的需求量大大降低。這也是布雷爾利最初想要將不銹鋼產業化時碰壁的重要原因。從這里同樣可以看出,布雷爾利的成功絕非偶然的靈光一現,如果沒有他在工業界長期積累的經驗,如果沒有他的堅持和爭取,不銹鋼也很難如此迅速地進入市場。布雷爾利身上的另一種特質,是他對于實踐的高度重視。


            作為一個自學成才的冶金學家,布雷爾利其實是不大看得上學院派的,反倒是對像他祖父和父親那樣工作在生產一線的勞動者更加尊重。他在工作中試圖將科學方法和生產經驗結合起來,一方面他會關注最新的冶金學和金相學的進展,在他自己撰寫的專著中也會加以介紹;另一方面他也充分利用自己從澆鑄工人那里學到的經驗作出判斷。在莫斯萊公司的泰勒支持布雷爾利進行不銹鋼餐具生產的期間,曾出現過2次質量問題,但布雷爾利根據自己對于熱處理溫度的精確把握,順利地解決了產品的脆性問題。

          布雷爾利日晷

          (圖片來源:Picture Sheffield)


          1939年,哈里·布雷爾利被授予謝菲爾德市“榮譽市民”稱號

          (圖片來源:Picture Sheffield)


            在冶金史上,布雷爾利或許是對人類的日常生活產生影響最大的冶金學家。他的成就得到了時人的認可,也得到了后輩的紀念。


            1920年,布雷爾利曾被授予貝塞麥金質獎章,這是冶金領域的最高榮譽。1939年,謝菲爾德市授予他榮譽市民的稱號。如今,在謝菲爾德的唐谷體育場(Don Valley Stadium)附近還矗立著一座以哈利·布雷爾利命名的日晷,代表著謝菲爾德對他的紀念。如果您有機會見到這座日晷,希望您到時候想到的不是“這家伙真幸運”,而是能感慨道是“偉大的時代造就了偉大的人”。


          文/李明洋

          中國科學院自然科學史研究所

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