鐵是一種古老的金屬，從生産量到應用規模，都可以說是各種金屬材料之首。難怪它被稱為“金屬之王”。有些人認為鋼鐵的榮耀已經過去了。事實并非如此，因為鐵的神秘性質提供了廣闊的應用前景。讓我們從鐵的生産和工藝的角度，去了解鋼鐵的生産工藝和魅力。

我國是世界上最早了解磁現象的國家之一。早在公元前4世紀，《管子》一書就有“上有慈石者，其下有銅金”的記載，是我國最早的磁現象文字記載。在東漢以前的古籍中，“磁”一直被寫成“慈”。到公元前3世紀，《呂氏春秋》中已有“詞史昭帖”的記載。這說明中國古代勞動人民早就知道用磁鐵礦找鐵礦。

由于對磁現象的認識，古人在許多場合應用了磁現象的獨特性質。比如中藥的“五石粉”，其中磁鐵礦是其中的重要成分。此外，傳說秦始皇在建造阿房宮時使用了磁門。隻要有人把鐵帶進宮殿，它就會被磁門牢牢地吸收，這樣就可以防止刺客進入宮殿。

人類賴以生存的地球是一塊巨大的磁鐵。穩定的地磁場是地球生命的“保護傘”，阻止宇宙射線從太空入侵。地磁的使用早已為人所知。羅盤是中國古代勞動人民的一項重大科技發明，也是地磁利用史上最輝煌的成就。

為什麼動物血是紅色的？原來這是因為血液中含有血紅素，而血紅素化合物的核心元素是鐵，這是大自然的選擇。

鐵是人體最重要的微量元素之一。正常成年人的鐵含量超過3克。人體缺鐵會引起貧血。人體血液中的血紅蛋白是血紅素和蛋白質結合的産物。它的主要功能是攜帶氧氣。實驗表明，1克血紅蛋白在0℃和1大氣壓下可吸收1.35升氧氣，然後結合形成含氧血紅蛋白。血液從肺部輸送到人體各組織，再分解成血紅蛋白和氧氣，維持機體組織的新陳代謝。

有趣的是，自然界中生命的色素具有内在的統一性。例如，存在于血液中的血紅素與植物葉片葉綠體中的葉綠素具有驚人的結構相似性。認為血紅素和葉綠素奇迹般地屬于吡咯色素家族，構成了吡咯色素的兩個自然範疇。

它們之間的結構差異主要是由于環結構和結合金屬的側基不同。血紅素是鐵卟啉化合物，與蛋白質結合形成血紅蛋白；葉綠素是鎂卟啉化合物，與蛋白質結合形成葉綠體。這種相似性揭示了自然界中動植物之間的某些聯系，生命色素中可能隐藏着許多未知的秘密。

地殼中的鐵含量極為豐富，約為5.5%，僅次于鋁。然而，在自然界中很難找到遊離鐵（純鐵）。這是因為自然界中的鐵一般以氧化物或硫化物的形式存在，如磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦、黃鐵礦等。

人們在5000多年前就開始使用鐵，但那時人們還沒有掌握煉鐵技術。據考古學家研究，人類最早使用的鐵是來自太空鐵隕石。鐵隕石的主要成分是鐵，又稱“隕石鐵”，同時含有钴和鎳。在古埃及人眼中，隕石是上帝賜予人類的“天石”，被視為珍寶。上世紀70年代，約公元前14世紀，河北省藁城縣出土了一件商代青銅越。青銅越上有鐵刃，出土時已鏽成氧化鐵，含2.5%的氧化鎳和0.24%的氧化钴。科學家們認為，青銅上的鐵刃使用隕石鐵。

盡管地殼含有極其豐富的鐵，但鐵的熔點（1539℃）很高，明顯高于銅（1083℃）。還原鐵比還原銅困難得多，因此青銅時代比鐵時代早。公元前1500年左右，煉鐵業開始興起于古埃及、兩河流域等地。中國的煉鐵工業大約興起于西周，春秋時期開始使用鐵器。到明代，我國年鐵産量達到4.5萬噸，居世界第一。由于鐵制品非常堅硬，它們取代了銅，成為制造武器和工具的主要材料。

鋼鐵也是兩個不同的概念，主要區别在于碳的含量。一般來說，含碳量小于0.2%的鐵合金稱為純鐵，碳含量大于2.0%的鐵合金稱為生鐵，含碳量在0.2%-2.0%之間的鐵合金稱為鋼。它們的性能也有顯著差異，如生鐵脆硬，沒有韌性，不能鍛造，但可以鑄造；而鋼又韌又硬，韌性好，适合鍛造、鑄造和軋制。鋼鐵作為人類社會生産和生活的重要物質資源，曆來是國民經濟實力和科技水平的重要标志。目前，我國鋼鐵産量已恢複世界第一。

在世界工業革命的大背景下，以鋼材應用為代表的“機器文明”應運而生，它不僅大大提高了勞動效率，而且使人們能夠享受到鋼鐵文明帶來的好處。用7000噸鋼材建造的埃菲爾鐵塔，改變了幾千年來的石頭建築傳統，促進了現代建築的誕生。埃菲爾鐵塔不僅展示了當時鋼鐵工業的技術成果，也反映了建築結構科學和建築技術的發展水平。

埃菲爾鐵塔矗立在巴黎市中心的塞納河上，高320多米，相當于100層樓高。它是當時世界上第一座鋼結構塔。埃菲爾鐵塔是錯開的結構，有四根鐵柱，水泥混凝土地基支撐着高聳的塔樓。使用了1500多個巨型預制梁、150萬個鉚釘和12000個鑄鋼件。埃菲爾鐵塔向世界展示了鋼結構的巨大建築能力，這無疑是世界建築史上的一個裡程碑。

“鳥巢”是2008年北京奧運會的主體育場。采用世界上獨一無二的鋼結構工程，采用國内為其量身定制的Q460高強度鋼闆。那麼，什麼是Q460鋼？結果表明，Q460鋼是一種低合金高強度鋼。式中，q是鋼的強度，460是460 MPa。Q460是指當鋼的機械強度達到460兆帕時發生塑性變形，比普通鋼大。

“鳥巢”以其獨特的鋼結構傳達了‘親近自然’的時代理念，從而将‘鐵文化’升華到一個新的高度。”“鳥巢”不僅是一座獨具曆史意義的地标性建築，而且為21世紀世界建築的發展提供了曆史見證。

科學家稱超導體為當代科學的“明珠”，因此吸引了世界頂尖科學家的不懈努力。中國科學家在鐵基超導領域取得了重大突破，為超導材料的廣泛應用開辟了廣闊前景，标志着超導技術進入“鐵時代”。

超導電性是物質在一種特殊狀态下的導電行為，即在一定溫度下，電子輸運過程中沒有電阻。這個溫度被稱為“轉變溫度”。早在1911年，荷蘭物理學家就發現了汞在4.2K（約268.8℃）的超導電性，并将這種導體的“零電阻效應”稱為超導狀态。從那時起，科學家們一直緻力于探索高臨界溫度超導體。但由于科學家一直關注金屬材料，因此一直沒有突破。直到1930年，科學家們才發現一種化合物——氧化鋁在15K的溫度下可以産生超導電性，從此科學家們的眼睛就開始了。

從那時起，科學家們發現了一系列具有超導性的化合物。1986年，瑞士物理學家首次發現氧化銅的超導性，并獲得諾貝爾物理學獎。然而，20年來，超導體僅限于銅基材料。由于銅基材料的稀缺性和成本高，在低溫條件下難以制造，因此超導技術的推廣難度很大。

2016年，日本科學家在26k的溫度下發現了鐵基材料的超導電性，這一發現啟發了全世界的科學家。然而，高溫超導體的形成機理一直是國際公認的問題。

我國科學家利用脈沖強磁場等極端實驗條件，大大拓展了鐵基超導體溫度磁場相圖的研究範圍，發現了一個驚人的現象，即鐵基超導體具有“各向同性”的特征。這是首次在二維層狀超導體中發現超導态的各向同性，它的形成機制提供了重要的物理信息。鐵基超導電性的發現揭示了高溫超導電性在其他材料中存在的可能性，為未來超導電性的探索帶來了新的希望。

作為僅次于銅基超導體的第二大類高溫超導體，鐵基超導體具有更大的應用潛力。此後，新的鐵基超導體不斷被發現，如镧鐵砷氧化物、鋇鐵砷、锂鐵砷和鐵硒。這些材料可以摻雜到幾乎所有的原子位置以獲得超導電性。我國科學家發現的新型鐵硒高溫超導體的超導轉變溫度在40K以上，有科學家預測鐵基超導家族是迄今為止發現的最大的超導家族，其成員數量粗略估計超過3000個。

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