一个好的餐具制造商懂得如何把握餐具的防锈性、锋利度和强度三者之间的平衡——
无论你是做菜还是用餐,你所用的刀具、勺子和叉子大部分是用钢做的。这些餐具很容易被忽视,除非它们弯了、锈了或是变钝了。但是餐具性能的好坏到底怎么区分呢?制造过程中会有哪些折衷办法来平衡餐具的各种性能?通过下面简短的介绍,让我们来了解一些有关钢的科学知识。
铁
钢是由铁冶炼而成,而铁和大多数金属一样,是一种晶体状的固体物质。室温下肉眼可见的一块铁里面包含有许多晶粒状的铁素体(以体心立方格子排列的铁原子)。在这些颗粒中,大量连续的晶面排列会使铁变软,当铁受到剪应力的时候,相邻的层就会被推往相反的方向(也就是一个晶面滑过另一个晶面的过程,称作滑移)。当铁晶体发生滑移时,晶体的形状将会永远改变,同时这块铁也会永远弯曲。这种情况对于一团线来说很正常,但是对于一把刀来说则很糟糕。
有两种晶体裂纹,也就是位错容易导致滑移,下图中展示了这两种情况。刃型位错是指边缘不完整的晶面,它像一把刀刃那样切入晶体中,使上下层原子不能对准,产生位错。螺型位错则有着一种螺旋特征。在晶体已滑移和未滑移之间存在一个过渡区,这个过渡区就是螺型位错,也是晶体滑移区和未滑移区的分界线。之所以称其为螺型位错,是因为如果把过渡区的原子依次连接起来可以形成“螺旋线”。通过晶面之间的滑移撕裂,晶体内的位错降低了能够阻止晶面间滑动的能垒。
晶体中的位错
为了使铁变得坚硬,必须要阻止位错的移动,从而减少滑移。就这一点而言,一种有效的处理技术是在一定的温度下通过重击、翻转或折叠来机械地加工生铁,从而使生铁产生非常多的断层(即位错),这些断层之间彼此无序交错。这种无序交错令断层难以移动,从而减少了滑移,使铁变得更加坚硬。
碳素钢
另外一种使铁更加坚硬的方法是在其中加入少量的碳,这就形成了合金钢。当铁和少量其他元素形成合金后,钢能够拥有一些优异的性能。
碳几乎不易溶解在铁当中,把它加入到铁中会使钢的结构变得非常复杂,即碳能够分散在铁素体中形成一种坚硬的铁碳化合物,即渗碳体,或者是以一种过度饱和的状态存留在扭曲的铁素体晶格当中,也就是马氏体。钢中的碳含量越多(比重高达1%以上)以及渗碳体分散的越细微越均匀,那么颗粒中的位错就越难以滑动,从而使钢变得更加坚硬。当这些占据了铁素体晶格空隙中的碳原子把铁素体扭曲成一种四角形晶体时,马氏体就形成了。马氏体是所有钢结构中最坚硬的,也是优质刀具刃部的关键材料。
但是如果没有方法使得渗碳体分布在铁素体当中,或是让铁素体和碳结合成为马氏体的话,那么即使碳具备令钢比纯铁更加坚硬的能力也是毫无意义的。这时温度就成了我们所关注的一个因素。当含碳量超过0.02%的钢被加热到727℃时,它将会经历一个固体-固体的转化过程,就是将其体心立方结构的铁素体晶体转换为面心立方结构的奥氏体晶体。这种微妙的阶段性变化表现在体积的细微缩小上,因为奥氏体的密度要比铁素体稍微高一点。它也可以被另一种方法检验出来:铁素体在其居里温度下是铁磁体,而奥氏体则不是。
相对于铁素体而言,碳在奥氏体中的可溶性更高。在727℃以下时,钢主要是低碳铁素体,而且事实上钢里面的碳几乎都是在渗碳体或是马氏体阶段加入的。但当温度高于铁素体转化为奥氏体的临界温度后,剩余的碳开始溶解到奥氏体当中。虽然铁素体、渗碳体和奥氏体在一定温度下可以共存,但当温度高于912℃时,碳含量低于1%的钢中将只有奥氏体。部分的刀和餐具通常是用奥氏体钢制作的,因为奥氏体钢尽管溶解了一些碳,但相对柔软并具有可延展性。
为了使渗碳体分散到钢中或是形成马氏体,冶炼工人把钢加热到超过铁素体-奥氏体的临界温度。然后他们把型钢放到水里、油里或是空气当中淬火,从而使得奥氏体很快地回到铁素体,并且开始沉淀出渗碳体。钢冷却的越快,渗碳体就会分散的越细微,钢也就会越硬。
逐步淬火的钢会生成珠光体(一种由铁素体和渗碳体层叠而成的钢结构),强度好但并不是特别硬;适度的淬火会得到贝氏体,比珠光体的硬度更高;而快速深度淬火会生成马氏体,非常硬并且不能弯曲,可用来制作上等刀刃。
然而,深度淬火的钢材是易碎的。为了降低脆性,冶炼工人要将钢材回火。也就是把钢材加热到几百摄氏度,从而使某些晶体重新排列,包括使其中某些细微的铁碳化合物凝聚和沉淀,以及消除掉那些残留的小奥氏体晶体。
调质碳钢很适合刀具和其他一些器具。几百年以前刀匠们就已经学会了如何制作碳钢刀具并进行热处理,用强度好的珠光体和贝氏体构成刀身,用马氏体做成经久耐用的锋利刀刃。
合金与不锈钢
普通的碳素钢受到两方面的限制:它的生产需要高超的技巧以及需要恰当地增加其硬度,而且它还容易生锈。为了使现代合金钢的强度更高以及更易于提升硬度,人们通常会在钢材中添加一些其他元素,例如钒、钛、铌、钼和铬等等。在不锈钢中的铬和镍能够防止生锈和侵蚀。
合金钢中所添加的元素在增加强度和硬度方面扮演多重角色。第一,在热处理期间它们控制晶粒的成长。粗钢比精钢差,是因为在大晶粒中的位错更具移动性。晶粒在加热时,奥氏体碳钢会再结晶并在热处理时快速生成,从而使钢材变差。然而铌和钛的碳化物和氮化物在高温时则相对稳定,并且在整个热处理过程中可以阻止晶粒的生成。
第二,餐具中所拥有的细小的合金碳化物以及分布于整个铁素体晶体的氮化物能够直接阻碍位错的滑移。钒的碳化物和氮化物在淬火时能促进沉淀。在回火时,铬和钼会形成细小的碳化物。普通碳素钢在回火处理时会损失一些在淬火时形成的硬度,但是如果碳素钢含有铬和钼的话,那么在回火时它的硬度将会变得更高。
当钢材的铬含量超过11.5%时,就成为了不锈钢。不锈钢之所以能够不锈,主要是因为在它的表面生成了一层薄薄的氧化铬。添加镍主要是为了增强钢材的抗化学腐蚀性。通常合金不锈钢含有18%的铬和8%的镍。
不幸的是,多数不锈钢不适合做餐具,因为它们不能经热处理来变硬。含有过量铬的不锈钢是铁素体的形态,它们能够保持铁素体的形态直到熔点。含有过量镍的不锈钢,包括那些含铬18%含镍8%的不锈钢,则是奥氏体的形态;它们保持奥氏体的形态直到室温。只有经历了铁素体-奥氏体转换的不锈钢才能通过热处理来增加硬度。那些马氏体不锈钢只含有相对少量的镍和恰好使其不锈的铬。虽然它们防锈和防侵蚀能力不如含铬18%含镍8%的不锈钢,但是它们更加适合制作刀具和餐具。
下一次当你拿起一把餐刀或叉子的时候,你会想到它究竟是由什么样的材料制成。也许这把餐具是由马氏体不锈钢制成,里面含着小小的铁素体晶粒和马氏体,很有可能还混合着各种各样的碳化物和氮化物,而且包裹着一层薄薄的氧化铬。
不锈钢的发明曾引领了“厨房革命”