冶金史研究三定律

冶金史研究三定律冶金史生铁熟铁钢铸铁我的说明：在《百炼成钢》中，我提出了冶金史研究的三个定律。这三个定律还没有人承认，也许十年，二十年后，或者时间更长一些会有结果的。50年代，《梁陈方案》没有人接受，无奈之中，梁思成说“五十年后，你们会证明我说的是对的。”《马未都说收藏》讲过一个故事，说他到现代教育家、作家叶圣陶先生家时，看到一幅对联，上联是“观钓颇逾垂钓趣”，下联是“种花何问看花谁。”冶金史研究三定律我通过对大量阅读冶金史学者们研究冶金史学的专著和历史文献进行分析之后，象牛顿一样认为“这些理论都很零散，而且经常相互矛盾。”需要“仔细筛选这些材料并把它们重新提炼，找出其中的普遍真理和谬误。”向牛顿学习“非常善于从大量观点中筛选出包含真理的少数，他的这一才能让人称奇。”所以我运用现代冶金理论总结出来冶金史研究三定律是值得关注和学习的。冶金史研究三定律中第一冶金定律、第二冶金定律、第三冶金定律三大经典冶金学基本冶金原理的总称。第一冶金定律：内容以木炭为燃料，冶炼的生铁都是白口铁。获得灰口铁的唯一途径是石墨化退火。以木炭为燃料的炼铁炉生产的生铁，直接用于铸造，得到的铸件都是白口组织，不论冷却速度有多缓慢，也不会是灰口铁。古代生铁直接用于铸造也称古代铸铁，其结晶组织不受冷却速度的影响，如果想得到灰口铁唯一的工艺方法就是石墨化退火，这就是刘氏第一定律。第一冶金定律还可以缩写成：木炭生铁是白口铁。说明中国古代铸铁是典型的铁碳合金。化学成分：铁碳合金中含碳量4.3%，与现代铸铁相比是高碳、低硅、低锰、低磷、低硫；金相组织：莱氏体，俗称白口铁；机械性能：像瓷器，硬而脆。主要用途：铸造礼器，生产农具。注意所有生铁和铸铁，不论是古代的和现代的，只有一个成分就是共晶成分，含碳量或碳当量为4.3%，其它成分在生产实践中没有意义。铁碳二元共晶成分的合金结晶组织是莱氏体组织，是白口铁，不因冷却速度慢按石墨转变，冷却速度快按渗碳体转变。铁碳双重相图在这里不适用。第一冶金定律的发现及总结通过对沧州铁狮子、当阳铁塔、阳城犁镜化学成分的分析研究，与现代铸铁化学成分相比是高碳、低硅、低锰、低磷、低硫。阳城犁镜含碳量大多为4.3%，含硅量为0.02%，几乎不含硅，木炭炼铁，含硫也低，现代生铁和铸铁含硫量主要来自焦炭。不含硫，锰没有作用，锰也低。磷主要来自铁矿石，选择磷低的矿石，来解决磷高的问题。木炭生铁只有含碳量接近共晶成分，其它四个元素含量很小，小到不能够对铸铁的性能产生影响的程度，在这种条件下，采用工程学上通常将影响小的因素忽略不计方法，将木炭生铁简化成铁碳二元合金，平均含碳量为4.3%铁碳共晶合金。木炭生铁简化为铁碳二元合金，完全适合于铁碳二元相图。铁碳二元相图中共晶成分的结晶过程就是木炭生铁的结晶过程，这个冶金原理中最经典的铁碳二元平衡相图证明了木炭生铁的常温金相组织是莱氏体组织，白口组织，也叫白口铁。平衡相图的平衡是指冷却速度非常缓慢，足够的缓慢，共晶成分的铁碳二元合金仍然是莱氏体组织，白口组织，白口铁。结论木炭生铁只能是白口铁，永远不会从液态直接得到灰口铁。铁碳二元合金双重相图中所说的，亚稳定系和稳定系理论对于木炭生铁结晶过程，其中是冷却快时，按亚稳定渗碳体结晶，冷却慢时按稳定系中的石墨结晶，对于木炭生铁来说是不适用的。渗碳体在加热过程中石墨化分解是对所有生铁和铸铁都有效的，木炭生铁中的渗碳体同样可以按照铁碳二元合金双重相图中的原理进行石墨化退火。汉代铸铁的柔化处理附合石墨化退火的工艺过程。黑心可锻铸铁的可锻化处理，通常所说的可锻铸铁石墨化退火。木炭生铁结晶后是白口铁，可以进行石墨化退火，变成灰口铁。这是唯一的工艺方法。第二冶金定律：内容一方面是将熟铁的含碳量从0.2%的提高到1%，另一方面将生铁的含碳量从4%的降低到1%，这个冶金过程在古代称为炼钢。炼成能够制造兵器和工具的钢的，这就是古代炼钢史。熟铁含碳量0.2%，强度和硬度都低，柔软的熟铁制造刀枪比不过青铜，提高含碳量到1%，碳素工具钢的成分，强度提高，通过淬火提高强度。生铁硬而脆和青铜刀剑比一碰就碎，所以要降低含碳量为1%的钢，这就是炼钢的目的。第二冶金定律还可以缩写成：渗碳脱碳则为钢。说明中国古代钢是典型的铁碳二元合金。化学成分：铁碳合金中含碳量1%，与现代钢相比就是高碳钢、碳素工具钢。同样是低硅、低锰、低磷、低硫；金相组织：珠光体组织，淬火以后是淬火马氏体组织；机械性能：强度高，硬度高。主要用途：开始主要是制造兵器，后来制造工具。注意这是古代炼钢方法，有些地方还在用，仅作为非物质文化遗产保护。现代工业化的生产方法，是高炉炼铁，电炉、转炉炼钢。第二冶金定律的发现及总结熟铁是以木炭为燃料，加热铁矿石使其软化，取出炉不断锤打，多次重复这个过程得到块炼铁，成语叫千锤百炼。由于加热温度比较低，吸收木炭中的碳速度慢，所以含碳量低，这种铁比较软，一般不能直接用来制造兵器。往往通过在稻糠中多次加热过程中不断的渗碳，不断的锻打，在加热过程中渗碳，在锻打过程中将渗入的碳均匀，达到增加含碳量的目的，从而得到含碳量接近1%的钢。成语百炼成钢讲的就是这个过程，也称百炼钢，工艺核心是渗碳淬火。生铁则是进行石墨化退火，并在氧化环境下，通常在铁矿石中加热脱碳，得到含碳量接近1%的钢。古代的固体脱碳钢、白心可锻铸铁生产的工艺过程，核心工艺是石墨化以后还要脱碳，最后淬火。生熟相和则为钢。将含碳4%的生铁1份和含碳0.2%熟铁3份，装到加热炉中加热到半熔化状态，出炉锻打，均匀碳量达到含碳量1%的钢。古代称灌钢法，核心工艺是均碳，锻打、淬火。第三冶金定律：内容含有2%的硅，使铸铁稳定获得灰口组织成为可能。具有良好的机械加工性能，在机械制造中得到广泛应用。硅是现代铸铁的标志。硅元素与碳元素的相互作用，碳以石墨的形式结晶，并稳定获得灰口铸铁成为可能，铸铁开始作为能够进行机械加工的工程材料，在机械制造中得到广泛应用。第三冶金定律：现代铸铁是铁碳硅三元合金。说明现代铸铁是典型的铁碳硅三元合金。化学成分：铸铁含碳量3.0～3.6%，硅1.8～2.2%，锰0.8～1.0%，硫小于0.12%，磷小于0.12%：金相组织：珠光体基体上分布着石墨，为灰口铸铁；机械性能：有一定的强度，硬度。主要用途：开始主要是制造蒸汽机、纺织机的零件，现在是机械制造、汽车、拖拉机的主要工程材料之一。注意白口铸铁硬度高，而且脆，不能进行机械加工，只能在铸造状态下使用，或者经过石墨化退火，才能进行机械加工。灰口铸铁铸件，基本不需要热处理就可以直接进行机械加工，这使灰铸铁被广泛应用于制造机械零件。第三冶金定律的发现及总结古代铸铁是铁碳二元合金，是木炭为燃料熔炼的生铁通常直接用于铸造是白口铁。现代铸铁是铁碳硅三元合金，由于硅的加入完全改变了铸铁状态和性能，主要是对铸铁中碳的影响。在古代铸铁中，碳是以渗碳体的形式结晶，现代铸铁中由于硅的作用碳才有以石墨的形式结晶的可能。铸铁中碳以渗碳体方式结晶，还是以石墨形式结晶取决于含硅量。铸铁中含硅小于1%，结晶时趋于渗碳体形式结晶，白口倾向大，结晶组织是莱氏体组织，也就是白口组织，宏观断口呈白色，俗称白口铁，这种种结晶过程不受冷却速度影响。当含硅大于3%时，铸铁中的碳按石墨形式结晶，灰口倾向大，结晶组织是石墨加铁素体，也就是灰口组织，宏观断口呈灰色，俗称灰口铁，这种结晶过程也不受冷却速度影响。只有当含硅量在1～3%时，结晶方式完全取决于冷却速度，冷却速度快倾向于白口，按渗碳体方式结晶，莱氏体组织，冷却速度慢倾向于灰口，按石墨方式结晶，为石墨加珠光体组织。这是第三定律的核心内容。铁碳双重相图对于含硅量在2%左右的铁碳硅三元合金，即现代铸铁，就在这里是适用的。最简单并且最有效的检验方法就是铸造车间生产中每天都在使用的三角试片。现代高炉生铁按含硅量分炼钢生铁和铸造生铁。炼钢生铁含硅量小于1%，铸造生铁含硅量大于1%。现代铸铁也是按含硅量分两大类，普通铸铁含硅量在1～3%，特种铸铁含硅量大于3%。含硅大于3%的铁碳硅合金，结晶组织是石墨加铁素体，基本不受冷却速度的影响，机械强度低，叫特种铸铁，中硅铸铁含硅4～5%，高硅铸铁含硅9～12%，如耐热铸铁单相组织抗生长性好，如耐蚀铸铁防电化学腐蚀好。通过对现代铸铁化学成分分析研究证明，普通灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、甚至可锻铸铁，这些铸铁通常都是含硅2%的铸铁，在适当工艺控制的条件下，能够稳定得到灰口铸铁，石墨加珠光体组织，具有良好的铸造性能和机械性能，区别于白口铸铁的是有良好的机械加工性能，可以在机械加工后大量制造机械零件，满足纺织机械、蒸汽机、汽油机、柴油机制造业对铸件的需求。冶金三定律创立的“伟大”意义学习牛顿，先搜集前辈们的冶金史研究的成果和理论，尽管这些理论都很零散，而且经常相互矛盾。经过仔细筛选这些材料并把它们重新提炼，找出其中的普遍真理和谬误。把所有问题摆在面前，然后开始进行必要的简化，一直等到出现第一缕曙光，接着渐渐变得清晰，最后豁然开朗，这是一个创造的过程，善于从大量观点中筛选出包含真理的少数，这种简单而有效的研究方法，值得让人称奇。冶金三定律构成了古代冶铁学和现代铸铁学的基础。正如欧几里德的基本定理为现代几何学奠定了基础一样，牛顿三大运动定律为物理科学的建立提供了基本定理。冶金三定律的推出、硅元素和碳元素相互作用原理的发现和铸铁结晶理论的创立将成为过去三十年冶金史研究中最杰出的机械工程师。