“高新技术科普丛书”紧扣当前能源、材料发展的困境，以新能源、新材料方面最新的研究成果及翔实的资料为基础，用通俗易懂的文字分别叙述了与人类生存、发展最密切的各种新能源和新材料，构成了一个完整的知识体系。让你尽情领略能源的丰饶和开发前景。本书《日新月异的特种钢》就是“高新技术科普丛书”之一，由徐卫军、董琦、莫幻编写，主要介绍了特种钢这一新材料的科学知识。

科学是无边界的，思想也不能让自己终结。人类正是凭借着永无止境的探索精神，才能不断超越自身发展的极限。新技术已经带给我们关于未来的无限展望，而它也正在悄悄地改变着我们自己和我们的世界。

这是关于科技发展最前沿的故事，如果你想知道明天的世界会是什么样子，就请翻开《日新月异的特种钢》一书，走进这个故事中吧……

《日新月异的特种钢》由徐卫军、董琦、莫幻编写。

第一章 钢村中的“特种兵”

 第一节 人类的钢铁梦

 第二节 十年磨一剑，百年炼一钢

一、铁碳不再称老大

二、个性十足的“钢铁侠”

第二章 工匠的利器

 第一节 量具刃具最在行

 第二节 宝钢锋从工艺出

 第三节 现代工业的制造者

 第四节 小工具大本领

第三章 历经“磨”难的勇敢者

 第一节 小磨损大损失

 第二节 专治磨损新良药

 第三节 耐磨先做“面子活”

第四章 “材”貌双全的不锈钢

 第一节 垃圾中的“遗珠”

 第二节 设计师的“理想型”

一、有求必应好钢材

二、特钢界的选美冠军

 第三节 不锈钢为什么也生锈

一、隐形杀手

二、消除“内鬼”

 第四节 越来越“秀”的完美主义者

一、总有一款适合您

第五章 钢材也能够伸缩

 第一节 汽车工业的“追随者”

 第二节 综合素质排第一

一、能屈能伸真有多难

二、小弹簧严要求

三、性能决定命运

 第三节 千锤百炼出好钢

一、浴火重生

二、神奇的“合金化”

 第四节 能屈能伸的“硬汉”

第六章 高温“劳模”耐热钢

 第一章 为什么它不怕热

 第二节 耐热的共生体：抗氧化

一、有危害的“氧”料

 第三节 没有最耐热，只有更耐热

一、合金元素来帮忙

二、遏热“我”更强

三、各行各业显神通

第七章 工程“脊梁”：低合金钢

 第一节 成也低合金，败也低合金

一、初露锋芒建桥梁

二、低合金编织的“鸟巢”

 第二节 钢材中的调味剂

一、不比谁高只比谁低

二、“低”得有道理

 第三节 新时期要转型

一、大踏步地向前进

二、未来的大力士

三、特钢“特”用

第八章 转动着的特种钢

 第一节 “倍感压力”的轴承钢

 第二节 严格要求的好典范

 第三节 讲究工艺来定性

 第四节 走在尖端的“领路人”

第九章 特钢中的“骨干”力量

 第一节 代号“数字+元素符号+数字”

 第二节 力学性能优等生

 第三节 机器的骨架

 第四节 未来撑起一片天

第十章 特钢中的新成员

 第一节 “淡定”的新合金

 第二节 记性好的变形金“钢”

 第三节 合金肚里能容“氢”

 第四节 有点乱的“非晶态”

与索比一样，哈德菲尔德也是出生在英国谢菲尔德市的一个钢铁世家中，小的时候他的父亲(拥有一家钢厂)就在家中给他建立了一个化学试验室，后来还给他一万英镑(在那时是一笔相当可观的数目)作为实验费用。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，而是直接加入了他父亲的钢铁企业。年轻、好学、沉思的哈德菲尔德从实践中学到了很多知识。1882年，一个有决定性影响的偶然事件发生了。哈德菲尔德钢厂的铸钢车间为一个轧钢厂生产了一对机器齿轮，不久后就接到用户的反映说这对齿轮运转费力，“好像轮齿间有沙子一样”。化学分析指出，钢中含有1.5％的硅，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。但是好奇的哈德菲尔德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％碳，4.0％硅，8％锰)。实验结果是失败了，但哈德菲尔德并不就此告终。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Hadtleld高锰钢)，在1884年发明了制作硅钢片的硅钢，可以说是一箭双雕。作为一个伟大的发明家，哈德菲尔德的可贵之处就在于从失败中吸取经验，坚持百折不挠的韧性。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。

哈德菲尔德在1882年试制成功的高锰耐磨钢的成分是：碳1.35％，硅0.69％，锰12.76％。它的特点是在淬火后不但有良好的韧性，而且越磨越硬。这种反常现象在冶金界产生了很大的震动，哈德菲尔德也因此一举成名。但是，哈德菲尔德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，哈德菲尔德向当时的金相学名流请教。索比用当时放大倍数最高的显微镜(650倍)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，因为索比不是冶金学家。奥斯蒙不仅熟悉金相观察，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是非铁磁性的γ固溶体，还提出了摩擦产生表面硬化的可能性。奥斯蒙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。

哈德菲尔德在生产上遇到的困难是，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，花了十年工夫才在1892年为这种钢找到了第一个用途——电车轨道的道岔。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100年前一样，这也是合金钢史上少见的。

奥斯蒙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。”而哈德菲尔德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％锰钢很脆，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。

哈德菲尔德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，功耗少。此外它还有磁滞损耗低的优点，而低碳钢由于有磁滞损耗现象(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使用，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，当时的成分中含碳0.20％，硅2.5％。

硅钢虽有优良的电磁性能，但是从哈德菲尔德在1884年取得专利权到1906年哈德菲尔德钢厂售出第一吨硅钢，哈德菲尔德与各种保守势力进行了近四分之一世纪的顽强斗争。他深有感触地说：“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了。各式各样的反对意见，有些是与新材料有关的，有些是与增添新设备、淘汰老设备有关的，钢厂不得不克服许多困难，才能生产出新钢种。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。”

哈德菲尔德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，使这个新钢种几乎夭折。接着又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加强宣传和业务上的再教育，使他们领会并掌握新的设计思想。最后还是谢菲尔德市电公司在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，哈德菲尔德获得用硅钢制造变压器铁芯的专利。

但是，哈德菲尔德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年)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1903年在谢菲尔德市研制成功的。

哈德菲尔德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”却是错误的。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的硅钢片。

P8-10

众所周知，火的使用和工具的发明开启了人类使用能源和材料的历史进程，促进了人类的进化，推动了人类文明进步。时至今日，能源和材料已成为人类生存和发展的物质基础，决定着人类文明的发展方向。它们的发展给全球经济、政治以及精神文化带来了前所未有的变革，也使全球的生态环境伤痕累累。开发绿色能源，发明新型材料，建设资源节约型、环境友好型社会已迫在眉睫。

2012年，中国将启动《国家能源发展战略》编制工作，提出我国能源发展的总体方略和战略规划。但是，目前市场上还没有一套详细介绍新能源、新材料方面内容的高新技术科普丛书。为了引导读者，特别是广大青少年更好地认识和了解新能源和新材料，明确我国的能源现状和材料科学的创新成果，增强开发高新技术的意识，激发他们为高新技术事业奉献的信心和决心，培养他们的民族自信心和创新精神。向青少年普及新能源和新材料的相关知识和发展动态，必将吸引和鼓励更多青少年热爱科学，献身科学，积极投身能源和材料事业，发明更多低碳、绿色的新型材料，使我国能源结构合理，为创造我们可持续发展的绿色家园做出更大的贡献。

“高新技术科普丛书”，由国内知名材料学专家、西北师范大学博士生导师莫尊理教授担任丛书总主编，西北师范大学等高校的教授、博士生导师担任编委，丛书各册的作者均为相关领域的专家、学者。他们热爱科学、朝气蓬勃、学风严谨、勤奋探索，以真挚的情感和对人类社会持续发展的使命感，用朴实而又不失优美的文笔严肃认真地编撰了本套丛书。

本套丛书作为新材料、新能源的科普读物，宗旨鲜明，风格独特，系统性强，认真探讨了人类与能源材料和谐的发展历程和方向。与一般科普读物相比，具有如下鲜明的特点：一是内容丰富时代感强，本丛书共18个分册，紧扣当前能源、材料发展的困境，以新能源、新材料方面最新的研究成果及翔实的资料为基础，用通俗易懂的文字分别叙述了与人类生存、发展最密切的各种新能源和新材料，构成了一个完整的知识体系。另外，本套丛书多视角，多层次、全方位介绍了材料和能源领域的基础知识和发展动态，深入浅出地展示了材料和能源的发展脚步。《神通广大的第三金属》《新材料的宠儿：稀土》向你展示第三金属和稀土的魅力；《高新科技的特种钢》《取之不尽的太阳能》《持续不断的风电新能源》《可再生能源：生物质能》《又爱又恨是核能》《待开发的地热能》《清洁能源：氢能》《未来无害新能源可燃冰》《无限丰富的海洋能》让你尽情领略能源的丰饶和开发前景；《异彩纷呈的功能膜》《节能减排的新动力电池》《无处不在的碳纤维》《遨游太空的航天材料》《改变世界的信息材料》《比人聪明的智能材料》《神奇的人体修复材料》向你呈现新型材料的发展动态以及带给我们生活的变化。二是时尚流行的编创，本丛书语言流畅、深入浅出，配有大量精美的图片，图文并茂、通俗易懂，加上扩充知识面的小百科，使读者朋友全面了解新材料、新能源并享受着它们带来的无限魅力。

20世纪80年代以来，人们逐步认识到必须永续利用地球资源，改善地球的生态环境才能实现人类的可持续发展。我们应统一规划、合理开发能源，积极开发新能源、新材料，促进人类与自然界的和谐共处与协调发展。希望这套凝聚着策划者、组织者、编撰者、设计者、编辑者等工作者辛勤汗水和心血的“高新科技科普丛书”能给那些热爱科学，倡导低碳、绿色、可持续发展的人们以惊喜和收获，并对我国的能源和材料事业做出贡献。衷心祝愿应时代所需而出版的高新科技科普丛书能得到读者的青睐。

薛群基

中国工程院院士

2012年3月