3 　Hadfield 是现代合金钢的奠基人
　　在十九世纪七十年代以前, 虽然法拉弟及Mushet 已经在合金钢方面进行了一些开创性的工作,但是这只能算是现代合金钢的前奏。到了十九世纪末,一方面金相学正在兴起,另一方面钢的现代冶炼方法也已经出现,这就为合金钢的大发展在理论与实践两方面奠定了基础。而Hadfield 就是在这种时代背景下出现在合金钢的舞台上,成为现代合金钢的奠基人。
　　与索氏一样,Hadfield 也是出生在英国Sheffield的一个钢铁世家中,小的时候他的父亲(拥有一家钢厂) 就给他在家中建立了一个化学试验室,后来还给他一万镑(在那时是一笔相当可观的数目) 作实验费用。无怪乎他在16 岁那年就决定不去牛津或剑桥接受传统的大学教育,而直接参加他父亲的钢铁事业。年轻、好学、沉思的Hadfield 从实践中学到很多知识,可以说是自学成才。在1882 年,一个有决定性影响的偶然事件发生了。Hadfield 钢厂的铸钢车间为一个轧钢厂生产一对行星齿轮,不久后就接到用户的反映说这对齿轮运转费力, “好象轮齿间有砂子一样”。化学分析指出,钢中含有1.5 %Si ,可能是由于脱硅不充分而造成的。换了另一对成分正常的齿轮这个质量问题就解决了,但是好奇的Hadifeld从这次事故联想到用硅钢制造砂面轮的可能性,于是炼了一炉硅锰钢(1.5 %C ,4.0 %Si ,8 %Mn) 。实验结果是失败了,但Hadfield 并不就此告终。他决定分别研究硅和锰对钢的影响,在1882 年9 月发明了高锰耐磨钢(又称Hadfield 高锰钢) ,在1884 年发明了制做硅钢片的硅钢,可以说是一箭双雕。作为一个伟大的发明家,Hadfield 的可贵之处就在于从失败中吸收教益,还有百折不挠的韧性。这两种有奇异性能的新钢种的出现,为人类进入合金钢时代揭开了序幕。
　　Hadfield 在1882 年试制成功的高锰耐磨钢的成分是:C 1.35 % ,Si 0.69 % ,Mn 12.76 %。它的特点是在淬火后不但不是硬而脆,反而有良好的韧性,而且是越磨越硬。这些反常现象在冶金界产生很大的震动,Hadfield 也因此一举成名。但是,Hadfield 的事业也不是一帆风顺的,他在理论与实践两方面都遇到了一些困难。为了在理论上解释这些反常现象,Hadfield 向当时的金相学名流请教。索氏用当时放大倍数最高(650 倍) 的显微镜进行了观察,并没有发现什么能解释这种反常现象的新的显微组织。这是不足为奇的,因为索氏不是冶金学家。Osmond 不仅熟悉金相观察,还用热学方法对铁的同素异构转变做过深入细致的研究。他不但肯定了高锰钢的基体是非铁磁性的γ固溶体,还提出了磨擦产生表面硬化的可能性。Osmond 能很快洞悉高锰耐磨钢的奥秘,真不愧是一位伟大的金相学家!
　　Hadfield 在生产实际上遇到的困难是,这种钢只能铸造,不能加工,一时找不到用处,就在这时他父亲过早地逝世了,他继承父业,花了十年功夫才在1892 年为这种钢找到了第一个用途———电车轨道的道叉。在这之后,高锰耐磨钢得到了日益广泛的应用,并且经久不衰,今天仍在广泛使用的高锰耐磨钢的成分仍然和一百年前一样,这也是合金钢史上少见的。
　　Osmond 对高锰耐磨钢的发明给予了很高的评价,他认为“不仅是发明了一种有伟大科学意义和实用价值的新合金,并且在钢铁冶金史上可与钢的淬火有同等重要意义”。而Hadfield 本人从这个发明得到的经验是,在发展合金钢的工作中,外推和内插都是不可取的。“一种实用价值非常高的合金可能就处于两种毫无商业意义的合金成分之间”。的确如此,一方面3 - 7 %Mn 钢很脆;另一方面,锰含量超过15 %的钢属于另一种稳定奥氏体型,耐磨性能反而不好。Hadfield 高锰钢的成分正好在这两者之间,既有奥氏体基体,又不稳定,耐磨性最好。还是用炒菜作比喻,佐料要适当,少了不行,过犹不及。
　　Hadfield 的高锰钢以耐磨闻名,而他的硅钢却以良好的电磁性能取胜。硅钢的电阻大,磁导率高,因此涡流损失及滞后损失都比较小,用它制造的变压器的铁损要比用碳钢及纯铁都小。用硅钢制造的变压器及电动机体积小,消耗少。此外它还有不时效的优点,而低碳钢由于有时效现象(硬度增高,磁导率下降) ,用它做的变压器及电动机用过一段时间后就要拆开,去掉绝缘材料,热处理后再重新组装起来才能便用,既麻烦又浪费。硅钢的优良性能是在1900 年发现并受到人们重视的, 那时的成分是0.20 %C ,2.5 %Si 。
　　硅钢虽有优良的电磁性能,但是从Hadfield 在1884 年取得专利权到1906 年Hadfield 钢厂售出第一吨硅钢,Hadfield 与各种习惯保守势力进行了近四分之一世纪的顽强斗争。他深有体会地说:“推广新的合金钢品种要克服许多种偏见,可能没有人对此比我有更深的体会的了。各式各样的反对意见,有些是与新材料有关的,有些需要增添新设备,报废老设备。钢厂要克服许多困难,学会生产新钢种。值得庆幸的是,我们不会再为查理二世那时的反对意见所难倒了。那时曾宣布一条法律,禁止马车在街上通过,因为车轮会损坏铺路的石头”。
　　Hadfield 首先遇到的困难是从实验室小规模试验扩大到工业生产的一系列问题,如硅钢的冶炼、铸锭、轧制制度都与碳钢不一样,开始时报废的钢材比成品还多,使这个新钢种几度几乎夭折。接着是用户报怨新钢太贵, “为什么用点高炉就能冶炼的硅铁就卖得那么贵?”他们不理解小批量生产的难处。另一方面,他们对新钢种所能产生的经济效益认识不清。此外,还要对变压器设计师进行业务上的宣传和再教育,使他们领会并掌握新的设计思想。最后还是Sheffield 市供电公司在1903 年用硅钢片制造了一台0.5 千瓦的变压器,硅钢的铁损小才为人所接受。同年Hadfield 获得用硅钢制造变压器铁芯的专利。
　　但是,Hadfield 的烦恼并未因此而终止。接着又发生了有关专利权的诉讼及美、英、德哪一国最先用硅钢制造变压器的争论。尽管美国及德国在1903年就早于英国(1906) 生产商用硅钢片,德国人最早指出硅钢的电阻率比碳钢高1 %可以减小涡流损失,但是第一台用硅钢片制造的变压器还是在1903年在Sheffield 研制成功的。
　　尽管Hadfield 发明了硅钢并获得了专利权,但是他在专利申请中所提出的解释“硅的净洁(脱氧)作用”都是错误的。后来的研究证明这是由于硅钢容易产生有利的择优取向的缘故,在这种认识的基础上终于研制出铁损更小的单取向及立方取向硅钢片。
　　1925 年时硅钢的铁损比碳钢小约2.5 % ,Hadfield 根据当时全世界用电量估计,每年光是使用硅钢片就能节约一亿美元。今天的电能消耗及硅钢质量都大大提高了,每年节约的资金当以数十亿美元计,这是何等可观的数目。有人说,硅钢片虽小,它所创造的财富超过一个巴拿马运河。如果没有硅钢片,廿世纪的电气化就要昂贵和困难的多。
　　为了弄清硅钢的本质,Hadfield 把一些钢样送给当时英国的金相大师Stead(即用他的姓命名为斯氏体的斯氏) 进行显微组织研究。斯氏发现在3 %Si钢中A1 及A3 临界点就不再出现,证明硅是缩小γ相区的元素。这与过去Osmond 发现在高锰钢中锰有扩大γ相区适相反,合在一些就全面地概括了合金元素对γ相区的作用。这对研究合金钢的显微组织是十分重要的,Wever 后来对此又有所阐明。因此可以说,Hadfield 不但发明了两种重要的合金钢,同时也促进了合金钢理论的发展,充分说明实践是理论的源泉这一真理。
　　Hadfield 终生从事合金钢的研究,除了合金钢外,他还有过不少其它贡献,如他发现高碳高铬钢有良好的耐硝酸腐蚀的性能。后来Brearley 发明13 %Cr 铁素体不锈钢,在评审他的专利申请时有人指出Hadfield 的发现在先,对此持有疑义。Hadfield 为此写了一封信给Brearlay ,一方面说明他本人的试验是高碳高铬钢,不能同Brearley 的低碳高铬钢相提并论,另一方面他也没有采用Brearley 建议的提高钢的耐食物酸的热处理制度。这就帮助了年轻一些的Brearley 获得不锈钢的专利,并被公认是铁素体不锈钢的发明人。Hadfield 的这种高尚科研道德已载入金相学史册,值得后人效法。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　——本文摘自《中国金相分析网》