李明洋

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展歷程伴隨著一系列的發(fā)明與發(fā)現(xiàn)，每一次發(fā)明或發(fā)現(xiàn)的背后都可能有著一段讓人津津樂道的故事。這些故事經(jīng)過作家的修飾和媒體的傳播，往往演變成一段段傳奇。比如我們小時(shí)候聽到耳朵起繭的“牛頓的蘋果”、“瓦特的茶壺”、“愛因斯坦的小板凳”……這些故事都非常有趣，能讓小孩子們對科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生好奇。不過作為成年人，我們所需要的不再是這種激發(fā)孩童向往科學(xué)的故事，而是真實(shí)的歷史。

關(guān)于不銹鋼的發(fā)明，也曾有過類似的故事。據(jù)說英國人哈利·布雷爾利（Harry Brearley，1871-1948）承接了為英國軍方研制耐磨耐高溫的炮管鋼材，但在試驗(yàn)了無數(shù)種成分的鋼材后一無所獲。有一天，布雷爾利決定把丟棄在院子一角的試驗(yàn)品清理一下，結(jié)果在一堆銹跡斑斑的鋼材中發(fā)現(xiàn)了一塊锃光瓦亮、毫無銹跡的鋼材——不銹鋼就這樣誕生了！講述這個(gè)故事的人或許希望借此展現(xiàn)科學(xué)研究的偶然性以及人生的戲劇性，或許也希望讀到這個(gè)故事的人不要放過生活中任何一個(gè)可能的機(jī)會(huì)。不過，真實(shí)的歷史遠(yuǎn)比勵(lì)志的故事來得復(fù)雜，偶然性的背后有著時(shí)代的必然，戲劇性的背后也有著辛勤的汗水。

無心插柳還是有意栽花？

1913年8月20日，本是一個(gè)再普通不過的夏日。然而，多年以后，當(dāng)退休在家的布雷爾利書寫自傳的時(shí)候，他一定會(huì)回憶起這個(gè)日子，回憶起他在顯微鏡下觀察樣品的那一瞬間。

時(shí)間要再往前倒退6年。1907年，謝菲爾德2家相鄰的鋼鐵企業(yè)——托馬斯·弗思公司（Thomas Firth & Sons）和約翰·布朗公司（JohnBrown & Company）合資建立了弗思-布朗研究室（Firth Brown Research Laboratories），并聘請當(dāng)時(shí)年僅36歲的布雷爾利擔(dān)任第一任研究室主任。布雷爾利得到雇主的極大信任，他被賦予絕對自主的權(quán)力，可以自由選擇研究方向，甚至可以拒絕任何他不感興趣的課題。

1912年5月，布雷爾利造訪了位于倫敦北郊恩菲爾德（Enfield）的英國皇家輕武器工廠（Royal Small Arms Factory，RSAF Enfield）。這座工廠始建于1816年，百年來一直致力于軍用火槍、步槍和佩劍的生產(chǎn)及研發(fā)。大名鼎鼎的李-恩菲爾德步槍（Lee-Enfield Rifle）就是由該廠設(shè)計(jì)制造的。這種步槍作為英軍的制式步槍，直到二戰(zhàn)之后仍在裝備軍隊(duì)。然而，盡管該廠的工程師們在步槍設(shè)計(jì)上大獲成功，但有一個(gè)嚴(yán)重的問題始終困擾著他們——槍管的壽命。射擊是一個(gè)在極短時(shí)間內(nèi)完成的簡單動(dòng)作，但就是在這看似簡單的過程中，槍管內(nèi)發(fā)生了劇烈的變化，產(chǎn)生了高溫高壓的環(huán)境，甚至還留下了一些殘留物。在這種極端條件下，槍管的內(nèi)壁非常容易被磨損、燒蝕和堵塞，從而導(dǎo)致其壽命的縮短。布雷爾利此次造訪，也正是為了解決這一問題。

根據(jù)過去研究鉻鋼的經(jīng)驗(yàn)，布雷爾利認(rèn)為鉻含量較高的鋼很可能是解決這一問題的方案，因?yàn)殂t鋼往往具有較好的耐蝕性，在當(dāng)時(shí)已經(jīng)被用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣閥。為了確定性能最優(yōu)的鉻鋼的成分，布雷爾利制作了一系列鉻含量在6%～15%之間且具有一定碳濃度梯度的鉻鋼。經(jīng)過長期的試驗(yàn)，終于在1913年8月20日這一天，當(dāng)布雷爾利將編號(hào)為1008，含鉻12.8%、含碳0.24%、含錳0.44%、含硅0.20%的鋼樣置于金相顯微鏡下之時(shí)，他驚喜地發(fā)現(xiàn)這種材料幾乎沒有被硝酸腐蝕。而這就是后來被稱為“不銹鋼”的材料。

布雷爾利發(fā)現(xiàn)不銹鋼絕不像很多故事里描述的那樣是無意、巧合、偶然的，而是他根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)通過長期試驗(yàn)獲得的結(jié)果。將這一偉大發(fā)現(xiàn)歸功于運(yùn)氣是對布雷爾利工作的不尊重；當(dāng)然，如果僅僅歸功于布雷爾利，同樣也是對前人工作的不尊重，因?yàn)樗钦驹诰奕说募绨蛏稀?/p>

站在巨人的肩膀上

早在1797年，法國化學(xué)家沃克蘭（LouisNicholas Vauquelin）就在來自西伯利亞的紅鉛礦中發(fā)現(xiàn)了鉻的氧化物，并于第2年提取了鉻單質(zhì)。他將其命名為“chromium”，這是一個(gè)源自希臘語“chromos”的單詞，意為“色彩”，因?yàn)殂t的化合物有著各種各樣的顏色。

鉻被發(fā)現(xiàn)后就迅速進(jìn)入了法拉第（Michael Faraday）的視野。眾所周知，法拉第以他在電磁學(xué)方面的研究而著稱，不過他同時(shí)也是合金鋼研究的先驅(qū)者。他嘗試著將各種金屬元素添加到鋼鐵中，包括銀、鉑、銠、鎳、鉻等，了解它們對于鋼鐵性能的影響。不過，他最多只添加過3%的鉻，發(fā)現(xiàn)對于切削性能有所提升，但沒有表現(xiàn)出明顯的抗蝕性。

沃克蘭的發(fā)現(xiàn)和法拉第的早期研究不過是人類利用鉻元素改善鋼鐵性能的開始。真正實(shí)現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用的是法國人貝爾蒂埃（Pierre Berthier）。他于1821年發(fā)現(xiàn)了鉻鐵的耐腐蝕性，并且通過將木炭、氧化鐵和氧化鉻在坩堝中混合加熱進(jìn)行生產(chǎn)。貝爾蒂埃甚至提出可以將鉻鐵用于制作餐具——這與一個(gè)世紀(jì)后的布雷爾利不謀而合。不過，由于當(dāng)時(shí)的冶煉技術(shù)的局限，生產(chǎn)出來的合金具有較高的含碳量，脆性較大而難以利用。

直到冶金學(xué)家們掌握了煉鋼的方法之后，對鉻鋼的研究才盛行起來，在19世紀(jì)末20世紀(jì)初形成了一股潮流。1892年，英國冶金學(xué)家哈德菲爾德（Sir Robert A. Hadfield）探究了含鉻1%～9%、含碳1%～2%的鉻鋼在硫酸中的溶解情況。1895年，德國人戈德施密特（Hans Goldschmidt）發(fā)明了一種生產(chǎn)低碳鉻的專利。在20世紀(jì)的前10年中，法國人吉耶（Leon Guillet）和波特萬（Albert Portevin）、英國人吉森（W.Giesen）、德國人蒙納爾茨（PhilipMonnartz）和博徹斯（W. Borchers）等一批科學(xué)家和工程師的努力促進(jìn)了人類對鉻鋼的了解和應(yīng)用。幾乎與布雷爾利的發(fā)現(xiàn)同時(shí)，其他品種的不銹鋼也被各國的冶金學(xué)家開發(fā)出來：德國克虜伯（Krupp）的毛雷爾（E.Maurer和施特勞斯（B. Strauss）開發(fā)了含碳低于1%、含鉻15%～40%、含鎳20%的奧氏體不銹鋼；美國的丹齊曾（C.Dantsizen）開發(fā)了含鉻14%～16%、含碳 0.07%～0.15%的鐵素體不銹鋼……歷史的洪流滾滾向前。隨著時(shí)間推移，研究不斷深入，不銹鋼不再只是某一種材料，而成為一個(gè)擁有多個(gè)系列的大家族。布雷爾利的發(fā)現(xiàn)，正是歷史浪潮之巔最耀眼的浪花。

方興未艾的工業(yè)研發(fā)

盡管在布雷爾利之前和同時(shí)有很多人都在對鉻鋼進(jìn)行研究，其中不少人也發(fā)現(xiàn)了鉻鋼良好的耐蝕性能，特別是本文前面提及的那些名字，都是在不銹鋼發(fā)展史上值得書寫的人。但如今我們說起“不銹鋼之父”，卻都毫無例外地指向了布雷爾利。最主要的原因在于，布雷爾利是真正意識(shí)到不銹鋼的商業(yè)價(jià)值的人，也正是他將不銹鋼從實(shí)驗(yàn)室推向了生產(chǎn)線，進(jìn)而推向千家萬戶。

在1913年那次驚喜的發(fā)現(xiàn)之后，布雷爾利很快將這種材料制成槍管，送交恩菲爾德皇家輕武器工廠進(jìn)行測試。不過很遺憾的是，盡管新發(fā)現(xiàn)的材料能夠很好地抵抗酸性溶液的腐蝕，但面對槍炮射擊時(shí)的惡劣環(huán)境仍然是無能為力，無法作為槍管用鋼。這樣的結(jié)果，對于一位科研人員而言或許意味著項(xiàng)目的失敗，需要考慮的是調(diào)整思路從頭再來。但布雷爾利卻敏銳地聯(lián)想到這種材料在餐具制造業(yè)中的前景，而他所在的謝菲爾德，正是英國餐具制造業(yè)的中心。碰了幾次灰之后，布雷爾利得到了莫斯萊公司（Messrs.R.E. Moseley）的老板斯圖爾特（Ernest Stuart）的支持，這種材料也正式被命名為“不銹鋼”（stainless steel）。很快，不銹鋼制的餐刀進(jìn)入了市場，并且迅速得到了謝菲爾德地區(qū)的認(rèn)可。隨著大批訂單涌入斯圖爾特的工廠，其他的生產(chǎn)商也紛紛加入這一領(lǐng)域。不銹鋼一時(shí)成為刀具廠商和鋼鐵廠商中間最火熱的話題。

從實(shí)驗(yàn)室到餐桌，不銹鋼的產(chǎn)業(yè)化只用了一年的時(shí)間。這在各行各業(yè)的研發(fā)（R&D）已經(jīng)十分普遍的現(xiàn)代人看來似乎毫不意外，但對于20世紀(jì)初的鋼鐵工業(yè)而言，卻幾乎是天方夜譚。在當(dāng)時(shí)，企業(yè)在內(nèi)部設(shè)立用于研發(fā)的實(shí)驗(yàn)室，還算是比較新鮮的事物。原先的技術(shù)創(chuàng)新，或者是來源于科學(xué)家的個(gè)人興趣，或者是基于工匠的經(jīng)驗(yàn)積累。但是在2次工業(yè)革命的刺激下，人們逐漸認(rèn)識(shí)到科學(xué)知識(shí)的“有效性”，于是科學(xué)家開始向產(chǎn)業(yè)界發(fā)展，實(shí)業(yè)家也開始有意識(shí)地資助研究和教育。學(xué)者和工匠終于走到一起，思考共同關(guān)注的技術(shù)難題。從19世紀(jì)下半葉開始，法國和德國的化工企業(yè)就開始建立自己的工業(yè)實(shí)驗(yàn)室。鋼鐵企業(yè)相對有所滯后，因?yàn)橐苯饘W(xué)的理論發(fā)展得相對較晚。不過“鋼鐵之都”謝菲爾德卻是緊跟時(shí)代潮流的。盡管在世紀(jì)之交，英國的鋼鐵產(chǎn)量先后被美國和德國趕超，但謝菲爾德的鋼鐵企業(yè)卻在特種鋼領(lǐng)域一枝獨(dú)秀，始終保持著世界領(lǐng)先的地位，這與其在研發(fā)和教育上的持續(xù)投入是密不可分的。布雷爾利所在的弗思-布朗研究室就是謝菲爾德的縮影。也只有謝菲爾德成熟的產(chǎn)業(yè)環(huán)境才允許布雷爾利迅速將不銹鋼投入生產(chǎn)，而德國和美國的研究者們只能望塵莫及。

自學(xué)成才的冶金學(xué)家

一個(gè)人的命運(yùn)，當(dāng)然要考慮到歷史的進(jìn)程，但是個(gè)人的奮斗也同樣不容忽視。布雷爾利并不是唯一研究鉻鋼或者鋼鐵耐蝕問題的冶金學(xué)家，但最后獲得商業(yè)成功的卻只有他一人。因此，在分析完不銹鋼產(chǎn)生的時(shí)代背景之后，我們很有必要檢視一下布雷爾利的人生軌跡，這其中或許就隱藏著他成功的奧秘。

布雷爾利出生在一個(gè)鋼鐵“世家”，祖父是鄉(xiāng)下的鐵匠，父親是鋼鐵廠的工人。由于家境困難，作為家中9個(gè)孩子里的第8個(gè)，他幾乎沒有接受過正規(guī)的教育，而是從小就出沒于車間，很早就接觸到了鋼鐵行業(yè)的方方面面。到12歲時(shí)，布雷爾利有了一份正式的工作——在弗思公司的實(shí)驗(yàn)室里清洗容器。在此期間，他得到了化學(xué)分析師泰勒（James Taylor）的賞識(shí)。在泰勒的影響和鼓勵(lì)下，他開始去上夜校，并重新拿起了書本，開始學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和化學(xué)，并最終成為實(shí)驗(yàn)室的助理。從這里開始，布雷爾利逐漸成長為專業(yè)的化學(xué)分析師，寫出了自己的專著，創(chuàng)立了自己的小公司，負(fù)責(zé)管理一個(gè)工業(yè)實(shí)驗(yàn)室，并在這里做出了他此生最偉大的工作——發(fā)現(xiàn)不銹鋼。

今天，我們很難相信一個(gè)自學(xué)成才的人能夠做出什么驚人的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槿缃竦目茖W(xué)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)高度專門化的階段，未經(jīng)高等教育的人完全不可能像布雷爾利一樣“逆襲”，從清潔工一躍成為研發(fā)主管。然而，這些非同一般的經(jīng)歷卻讓布雷爾利具備了一些科班出身的科學(xué)家或工程師所不具備的特質(zhì)。最首要的一點(diǎn)是他開闊的思維。我們已經(jīng)知道有很多人都在研究鉻鋼并發(fā)現(xiàn)其耐腐蝕的性質(zhì)，卻極少有人將這種性質(zhì)與不生銹聯(lián)系在一起。實(shí)際上，直到一戰(zhàn)前后，人們?nèi)匀徽J(rèn)為鋼鐵的銹蝕是不可避免的，認(rèn)為這是一種自然的屬性，甚至很多資深的冶金學(xué)家也抱有同樣的觀點(diǎn)。餐具的使用者們也覺得清除餐具表面的銹跡是一件再正常不過的事情，而廠商則認(rèn)為使用不銹鋼制造餐具會(huì)使得商品的需求量大大降低。這也是布雷爾利最初想要將不銹鋼產(chǎn)業(yè)化時(shí)碰壁的重要原因。從這里同樣可以看出，布雷爾利的成功絕非偶然的靈光一現(xiàn)，如果沒有他在工業(yè)界長期積累的經(jīng)驗(yàn)，如果沒有他的堅(jiān)持和爭取，不銹鋼也很難如此迅速地進(jìn)入市場。布雷爾利身上的另一種特質(zhì)，是他對于實(shí)踐的高度重視。

作為一個(gè)自學(xué)成才的冶金學(xué)家，布雷爾利其實(shí)是不大看得上學(xué)院派的，反倒是對像他祖父和父親那樣工作在生產(chǎn)一線的勞動(dòng)者更加尊重。他在工作中試圖將科學(xué)方法和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來，一方面他會(huì)關(guān)注最新的冶金學(xué)和金相學(xué)的進(jìn)展，在他自己撰寫的專著中也會(huì)加以介紹；另一方面他也充分利用自己從澆鑄工人那里學(xué)到的經(jīng)驗(yàn)作出判斷。在莫斯萊公司的泰勒支持布雷爾利進(jìn)行不銹鋼餐具生產(chǎn)的期間，曾出現(xiàn)過2次質(zhì)量問題，但布雷爾利根據(jù)自己對于熱處理溫度的精確把握，順利地解決了產(chǎn)品的脆性問題。

在冶金史上，布雷爾利或許是對人類的日常生活產(chǎn)生影響最大的冶金學(xué)家。他的成就得到了時(shí)人的認(rèn)可，也得到了后輩的紀(jì)念。1920年，布雷爾利曾被授予貝塞麥金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)?，這是冶金領(lǐng)域的最高榮譽(yù)。1939年，謝菲爾德市授予他榮譽(yù)市民的稱號(hào)。如今，在謝菲爾德的唐谷體育場（Don Valley Stadium）附近還矗立著一座以哈利·布雷爾利命名的日晷，代表著謝菲爾德對他的紀(jì)念。如果您有機(jī)會(huì)見到這座日晷，希望您到時(shí)候想到的不是“這家伙真幸運(yùn)”，而是能感慨道是“偉大的時(shí)代造就了偉大的人”。

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