科学技术的发展历程伴随着一系列的发明与发现，每一次发明或发现的背后都可能有着一段让人津津乐道的故事。这些故事经过作家的修饰和媒体的传播，往往演变成一段段传奇。比如我们小时候听到耳朵起茧的“牛顿的苹果”、“瓦特的茶壶”、“爱因斯坦的小板凳”……这些故事都非常有趣，能让小孩子们对科学技术产生好奇。不过作为成年人，我们所需要的不再是这种激发孩童向往科学的段子，而是真实的历史。
关于不锈钢的发明，也曾有过类似的故事。据说英国人哈利·布雷尔利（Harry Brearley，1871-1948）承接了为英国军方研制耐磨耐高温的炮管钢材，但在试验了无数种成分的钢材后一无所获。有一天，布雷尔利决定把丢弃在院子一角的试验品清理一下，结果在一堆锈迹斑斑的钢材中发现了一块锃光瓦亮、毫无锈迹的钢材——不锈钢就这样诞生了！讲述这个故事的人或许希望借此展现科学研究的偶然性以及人生的戏剧性，或许也希望读到这个故事的人不要放过生活中任何一个可能的机会。不过，真实的历史远比励志的故事来得复杂，偶然性的背后有着时代的必然，戏剧性的背后也有着勤奋的汗水。
无心插柳还是有意栽花？
1913年8月20日，本是一个再普通不过的夏日。然而，多年以后，当退休在家的布雷尔利书写自传的时候，他一定会回忆起这个日子，回忆起他在显微镜下观察样品的那一瞬间。
时间要再往前倒退6年。1907年，谢菲尔德2家相邻的钢铁企业——托马斯·弗思公司（Thomas Firth & Sons）和约翰·布朗公司（JohnBrown & Company）合资建立了弗思-布朗研究室（Firth Brown Research Laboratories），并聘请当时年仅36岁的布雷尔利担任第一任研究室主任。布雷尔利得到雇主的极大信任，他被赋予绝对自主的权力，可以自由选择研究方向，甚至可以拒绝任何他不感兴趣的课题。
布朗-弗思实验室
（图片来源：Picture Sheffield）
1912年5月，布雷尔利造访了位于伦敦北郊恩菲尔德（Enfield）的英国皇家轻武器工厂（Royal Small Arms Factory， RSAF Enfield）。这座工厂始建于1816年，百年来一直致力于军用火枪、和佩剑的生产及研发。大名鼎鼎的李-恩菲尔德（Lee-Enfield Rifle）就是由该厂设计制造的。这种作为英军的制式，直到二战之后仍在装备军队。然而，尽管该厂的工程师们在设计上大获成功，但有一个严重的问题始终困扰着他们——枪管的寿命。射击是一个在极短时间内完成的简单动作，但就是在这看似简单的过程中，枪管内发生了剧烈的变化，产生了高温高压的环境，甚至还留下了一些残留物。在这种极端条件下，枪管的内壁非常容易被磨损、烧蚀和堵塞，从而导致其寿命的缩短。布雷尔利此次造访，也正是为了解决这一问题。
根据过去研究铬钢的经验，布雷尔利认为铬含量较高的钢很可能是解决这一问题的方案，因为铬钢往往具有较好的耐蚀性，在当时已经被用于飞机发动机的排气阀。为了确定性能最优的铬钢的成分，布雷尔利制作了一系列铬含量在6%～15%之间且具有一定碳浓度梯度的铬钢。经过长期的试验，终于在1913年8月20日这一天，当布雷尔利将编号为1008，含铬12.8%、含碳0.24%、含锰0.44%、含硅0.20%的钢样置于金相显微镜下之时，他惊喜地发现这种材料几乎没有被硝酸腐蚀。而这就是后来被称为“不锈钢”的材料。
布雷尔利的发现绝不像很多故事里描述的那样是无意、巧合、偶然的，而是他根据自己的经验通过长期试验获得的结果。将这一伟大发现归功于运气是对布雷尔利工作的不尊重；当然，如果仅仅归功于布雷尔利，同样也是对前人工作的不尊重，因为他是站在巨人的肩膀上。
站在巨人的肩膀上
早在1797年，法国化学家沃克兰（Louis–Nicholas Vauquelin）就在来自西伯利亚的红铅矿中发现了铬的氧化物，并于第2年提取了铬单质。他将其命名为“chromium”，这是一个源自希腊语“chromos”的单词，意为“色彩”，因为铬的化合物有着各种各样的颜色。
铬被发现后就迅速进入了法拉第（Michael Faraday）的视野。众所周知，法拉第是以他在电磁学方面的研究而著称，不过他同时也是合金钢研究的先驱者。他尝试着将各种金属元素添加到钢铁中，包括银、铂、铑、镍、铬等，了解它们对于钢铁性能的影响。不过，他最多只添加过3%的铬，发现对于切削性能有所提升，但没有表现出明显的抗蚀性。
沃克兰的发现和法拉第的早期研究不过是人类利用铬元素改善钢铁性能的开始。真正实现了工业应用的是法国人贝尔蒂埃（Pierre Berthier）。他于1821年发现了铬铁的耐腐蚀性，并且通过将木炭、氧化铁和氧化铬在坩埚中混合加热进行生产。贝尔蒂埃甚至提出可以将铬铁用于制作餐具——这与一个世纪后的布雷尔利不谋而合。不过，由于当时的冶炼技术的局限，生产出来的合金具有较高的含碳量，脆性较大而难以利用。
直到冶金学家们掌握了炼钢的方法之后，对铬钢的研究才盛行起来，在19世纪末20世纪初形成了一股潮流。1892年，英国冶金学家哈德菲尔德（Sir Robert A. Hadfield）探究了含铬1%～9%、含碳1%～2%的铬钢在硫酸中的溶解情况。1895年，德国人戈德施密特（Hans Goldschmidt）发明了一种生产低碳铬的专利。在20世纪的前10年中，法国人吉耶（Leon Guillet）和波特万（Albert Portevin）、英国人吉森（W. Giesen）、德国人蒙纳尔茨（PhilipMonnartz）和博彻斯（W. Borchers）……等一批科学家和工程师的努力促进了人类对铬钢的了解和应用。几乎与布雷尔利的发现同时，其他品种的不锈钢也被各国的冶金学家开发出来：德国克虏伯（Krupp）的毛雷尔（E. Maurer和施特劳斯（B. Strauss）开发了含碳低于1%、含铬15%～40%、含镍20%的奥氏体不锈钢；美国的丹齐曾（C. Dantsizen）开发了含铬14%～16%、含碳 0.07%～0.15%的铁素体不锈钢……历史的洪流滚滚向前。随着时间推移，研究不断深入，不锈钢不再只是某一种材料，而成为一个拥有多个系列的大家族。布雷尔利的发现，正是历时浪潮之巅最耀眼的浪花。
方兴未艾的工业研发
尽管在布雷尔利之前和同时有很多人都在对铬钢进行研究，其中不少人也发现了铬钢良好的耐蚀性能，特别是本文前面提及的那些名字，都是在不锈钢发展史上值得书写的人。但如今我们说起“不锈钢之父”，却都毫无例外地指向了布雷尔利。最主要的原因在于，布雷尔利是真正意识到不锈钢的商业价值的人，也正是他将不锈钢从实验室推向了生产线，进而推向千家万户。
在1913年那次惊喜的发现之后，布雷尔利很快将这种材料制成枪管，送交恩菲尔德皇家轻武器工厂进行测试。不过很遗憾的是，尽管新发现的材料能够很好地抵抗酸性溶液的腐蚀，但面对枪炮射击时的恶劣环境仍然是无能为力，无法作为枪管用钢。这样的结果，对于一位科研人员而言或许意味着项目的失败，需要考虑的是调整思路从头再来。但布雷尔利却敏锐地联想到这种材料在餐具制造业中的前景，而他所在的谢菲尔德，正是英国餐具制造业的中心。碰了几次灰之后，布雷尔利得到了莫斯莱公司（Messrs. R.E. Moseley）的老板斯图尔特（Ernest Stuart）的支持，这种材料也正式被命名为“不锈钢”（stainless steel）。很快，不锈钢制的餐刀进入了市场，并且迅速得到了谢菲尔德地区的认可。随着大批订单涌入斯图尔特的工厂，其他的生产商也纷纷加入这一领域。不锈钢一时成为刀具厂商和钢铁厂商中间最火热的话题。
布雷尔利的公司生产的刀具
（图片来源：Picture Sheffield）
从实验室到餐桌，不锈钢的产业化只用了一年的时间。这在各行各业的研发（R&D）已经十分普遍的现代人看来似乎毫不意外，但对于20世纪初的钢铁工业而言，却几乎是天方夜谭。在当时，企业在内部设立用于研发的实验室，还算是比较新鲜的事物。原先的技术创新，或者是来源于科学家的个人兴趣，或者是基于工匠的经验积累。但是在2次工业革命的刺激下，人们逐渐认识到科学知识的“有效性”，于是科学家开始向产业界发展，产业家也开始有意识地资助研究和教育。学者和工匠终于走到一起，思考共同关注的技术难题。从19世纪下半叶开始，法国和德国的化工企业就开始建立自己的工业实验室。钢铁企业相对有所滞后，因为冶金学的理论发展得相对较晚。不过“钢铁之都”谢菲尔德却是紧跟时代潮流的。尽管在世纪之交，英国的钢铁产量先后被美国和德国赶超，但谢菲尔德的钢铁企业却在特种钢领域一枝独秀，始终保持着世界领先的地位，这与其在研发和教育上的持续投入是密不可分的。布雷尔利所在的弗思-布朗研究室就是谢菲尔德的缩影。也只有谢菲尔德成熟的产业环境允许布雷尔利迅速将不锈钢投入生产，而德国和美国的研究者们只能望尘莫及。
自学成才的冶金学家
一个人的命运，当然要考虑到历史的进程，但是个人的奋斗也同样不容忽视。布雷尔利并不是唯一研究铬钢或者钢铁耐蚀问题的冶金学家，但最后获得商业成功的却只有他一人。因此，在分析完不锈钢产生的时代背景之后，我们很有必要检视一下布雷尔利的人生轨迹，这其中或许就隐藏着他成功的奥秘。
布雷尔利出生在一个钢铁“世家”，祖父是乡下的铁匠，父亲是钢铁厂的工人。由于家境困难，作为家中9个孩子里的第8个，他几乎没有接受过正规的教育，而是从小就出没于车间，很早就接触到了钢铁行业的方方面面。到12岁时，布雷尔利有了一份正式的工作——在弗思公司的实验室里清洗容器。在此期间，他得到了化学分析师泰勒（James Taylor）的赏识。在泰勒的影响和鼓励下，他开始去上夜校，并重新拿起了书本，开始学习数学和化学，并最终成为实验室的助理。从这里开始，布雷尔利逐渐成长为专业的化学分析师，写出了自己的专著，创立了自己的小公司，负责管理一个工业实验室，并在这里做出了他此生最伟大的工作——发现不锈钢。
今天，我们很难相信一个自学成才的人能够做出什么惊人的发现，因为如今的科学技术已经发展到了一个高度专门化的阶段，未经高等教育的人完全不可能像布雷尔利一样“逆袭”，从清洁工一跃成为研发主管。然而，这些非同一般的经历却让布雷尔利具备了一些科班出身的科学家或工程师所不具备的特质。最首要的一点是他开阔的思维。我们已经知道有很多人都在研究铬钢并发现其耐腐蚀的性质，却极少有人将这种性质与不生锈联系在一起。实际上，直到一战前后，人们仍然认为钢铁的锈蚀是不可避免的，认为这是一种自然的属性，甚至很多资深的冶金学家也抱有同样的观点。餐具的使用者们也觉得清除餐具表面的锈迹是一件再正常不过的事情，而厂商则认为使用不锈钢制造餐具会使得商品的需求量大大降低。这也是布雷尔利最初想要将不锈钢产业化时碰壁的重要原因。从这里同样可以看出，布雷尔利的成功绝非偶然的灵光一现，如果没有他在工业界长期积累的经验，如果没有他的坚持和争取，不锈钢也很难如此迅速地进入市场。布雷尔利身上的另一种特质，是他对于实践的高度重视。
作为一个自学成才的冶金学家，布雷尔利其实是不大看得上学院派的，反倒是对像他祖父和父亲那样工作在生产一线的劳动者更加尊重。他在工作中试图将科学方法和生产经验结合起来，一方面他会关注最新的冶金学和金相学的进展，在他自己撰写的专著中也会加以介绍；另一方面他也充分利用自己从浇铸工人那里学到的经验作出判断。在莫斯莱公司的泰勒支持布雷尔利进行不锈钢餐具生产的期间，曾出现过2次质量问题，但布雷尔利根据自己对于热处理温度的精确把握，顺利地解决了产品的脆性问题。
布雷尔利日晷
（图片来源：Picture Sheffield）
1939年，哈里·布雷尔利被授予谢菲尔德市“荣誉市民”称号
（图片来源：Picture Sheffield）
在冶金史上，布雷尔利或许是对人类的日常生活产生影响最大的冶金学家。他的成就得到了时人的认可，也得到了后辈的纪念。
1920年，布雷尔利曾被授予贝塞麦金质奖章，这是冶金领域的最高荣誉。1939年，谢菲尔德市授予他荣誉市民的称号。如今，在谢菲尔德的唐谷体育场（Don Valley Stadium）附近还矗立着一座以哈利·布雷尔利命名的日晷，代表着谢菲尔德对他的纪念。如果您有机会见到这座日晷，希望您到时候想到的不是“这家伙真幸运”，而是能感慨道是“伟大的时代造就了伟大的人”。
文/李明洋
中国科学院自然科学史研究所
久 立
致力于为全球工业装备提供安全可靠的产品