元素

首先呢，我们稍稍复习一点点高中化学知识，虽然这不是完全必要，但局座以为复习一下更好一点。如果您对中学化学老师存在过敏反应，前两节内容跳着看也行，这些对我们讲的东西不是特别必要，但弄懂的话肯定会收获更多。

地球上的物质，有一个基本的单位，叫做原子。原子是由原子核和电子构成，原子核又由质子和中子构成，中子不带电，对原子的性质影响不大，因此我们主要关心的是一个原子核中有几个质子。质子数相同的一类原子，就叫做元素。比如，氢原子核只有1个质子，氢就是1号元素；氦原子核有两个质子，氦就是2号元素，以此类推，一直到一百多号。

这个化学元素周期表就像是一座大楼，所有的元素全都住在里边。我们这里，不需要认识这么多。钢材，最基本的元素就是3楼26号的铁先生和2楼6号的碳先生。人类使用这两种元素已经至少2千多年历史了。而现代钢材，往往还需要一些合金元素，它们是：23号钒先生、24号铬先生（这个字读gè，但一边工厂的人习惯性的读成luò）、25号锰先生、27号钴先生、28号镍先生、41号铌先生、42号钼先生、74号钨先生。其实一大半本来就是铁先生的邻居。对了，15号的磷小姐和16号的硫小姐经常会来搔扰，使钢的性能下降，大家一定要注意。

这些合金元素价钱不一，大致如下：

单位：元/公斤

有人说因为钒特别贵，所以加了钒的钢就应该贵，的确，纯的钒要两三千元一公斤，但炼钢用不着纯钒，直接用钒铁合金就行了，钒铁的价格要便宜得多。含70%的钒的话只需要大约300元一公斤。其他的也有铌铁、钨铁、钼铁等，也比纯的便宜一些，但都远没有钒铁差得这么多，因此真正最贵的应该还是铌。总的来说这几种元素还是会提高钢材成本的，好在含量都不需要太大。

50%的铬铁，也就是10元左右，换算成铬成分差不多20元。但不锈钢中铬往往含量在13%以上，还是比较大的。

碳钢

在讨论钢之前，我们还需要先说说纯铁（Fe），纯铁在912℃以下，呈体心立方晶格，叫作α-Fe，在912~1394℃之间，为面心立方晶格，叫作γ-Fe；在1394℃以上，熔点1535℃以下，又成了体心立方晶格，叫作δ-Fe。什么叫立方结构？形象来说，就好比是铁原子排列成三维的方阵，那叫简立方，如果每4个相邻的铁原子形成的正方形中间都再放一个铁原子，那就叫面心立方；如果每8个相邻的铁原子的中间都再放一个铁原子，就叫体心立方。

这种图只是表示相对位置，实际上原子之间不会离这么远，稍微写实一点的是这样的：

面心立方的铁原子堆积，实际的原子也不会正好是球体，只能说大致如此

钢的本质，是铁和碳和合金，碳原子比铁原子要小得多，碳原子会尽量待在铁原子的间隙当中，面心立方晶格的间隙比较大，可以容得下碳原子，碳原子存在于铁原子的间隙中，就形成一种叫作“奥氏体”的结构。

1538℃以上为液态

1538℃ — 1394℃ 体心立方晶格 δ—Fe铁

1394℃ — 912℃ 面心立方晶格 γ—Fe铁

912℃以下至低温 体心立方晶格 α—Fe铁

在刀具钢中，可以分为碳钢和不锈钢两大类。碳钢比不锈钢便宜得多，但碳钢在锋利度上，要胜过不锈钢，其他如强度、韧性等，只要热处理做得好，碳钢也不差。碳钢的惟一缺点就是会生锈。

现代的碳钢，实际上也含有少量的合金元素。即使日本武士刀这种纯淬的传统工艺，是最纯粹的碳钢，也难保里面完全没有别的元素。但我们认识钢材，还需要从“纯碳钢”开始。

钢的本质，是铁和碳和合金，碳原子比铁原子要小得多，碳原子会尽量待在铁原子的间隙当中，面心立方晶格的间隙比较大，可以容得下碳原子，碳原子存在于铁原子的间隙中，就形成一种叫作“奥氏体”的结构。奥氏体的特点是塑性非常好，因此要对钢材进行锻造，首先都要把它加热到形成奥氏体的温度。

而体心立方晶格，间隙半径比较小，不能容下碳原子，只有在结构中有缺陷中可以使碳原子存在。如果碳的含量很少，可以全部存在于铁的晶格缺陷当中，这种结构叫作铁素体，性质和纯铁差不多，硬度、强度都比较低。

如果碳的含量比较多，多余的碳就会扩散出铁的晶格，形成Fe3C(碳化铁)的结构，这种结构称为渗碳体，比较复杂：

渗碳体结构，这图容易看得晕，可以忽略，我们知道是碳扩散形成的另一种结构,并且很硬就可以了。

印度古代所产的乌兹钢，即“铸造型天然结晶平面大马士革钢”。其独特的花纹，虽然具体的成因还不明确，但在一点上研究者早已形成共识，就是乌兹钢花纹是由大量的成排分布的渗碳体颗粒构成的。乌兹钢所做的刀剑整体硬度并不高，但具有很高的微观硬度，这使它具有非常好的切割性能。

印度塔瓦 乌兹钢 其花纹的白色部分即为渗碳体颗粒所形成。

波斯卡德短刀 乌兹钢

极为名贵的一种乌兹钢花纹——双天梯与玫瑰

在碳含量为0.77%时，如果奥氏体缓慢冷却，就形成一种铁素体与渗碳体片层相间的组织，称为珠光体，因为在显微镜下观察有珍珠一样的光泽而得名。珠光体强度高、韧性好、硬度适中。

铁碳相图

这就是铁碳合金的相图，横轴为含碳量，纵轴为温度，在这张图上，什么含碳量的钢材在什么温度下的形态都一目了然。我们只了解左下方就够了，因为右边碳含量在2.11以上的已经不是钢了，而属于铸铁；而最上方的L相是液态，都和我们这些玩刀的没什么关系。