金属
金属具备很多其他材料没有的性质。一些金属异常坚硬和强韧，十分适合制造工具、武器或者钉子及整梁等建筑构件。但是和易碎的陶瓷不同，它们还具有可塑性——受到压力时会变形而不是碎裂，可以被拉成细丝用来捆扎、制造围栏或者导电。很多金属能够耐受很高的温度，适于制造高性能机器。
文明陷落之后，你需要尽快重新获得的，不仅有铁，还有铁和碳的合金——钢。钢是铁原子和碳原子的混合，有着二者都不具备的优点。碳的加入从根本上改变了金属的性质，而通过改变合金中碳的比例，你可以控制钢的强度和硬度，来满足不同的使用需求。
我们随后再介绍如何从零开始制造铁和钢，因为灾难刚刚过去的时候，你可以很容易地收集到这两种金属。只要你重新掌握了铁匠的传统技艺，回收来的器具就能被再利用：用开放的炉缸或者锻铁炉保持工件的红热状态，同时用锤和砧改变它的形状。人类在文明史上能够利用坚硬的铁，是因为它的物理性质在高温下会改变：它会软化，延展性足以被敲打成人们想要的形状、被卷成板或者拉成管线。这是个基本点，因为这意味着你可以用铁工具加工铁，制造出更多的工具。
若要充分利用铁来制造工具，一项重要的知识是增加钢的强度的两个原理——淬火和回火。钢在被加热时会变硬，直至红热状态，此时其内部的铁——碳晶体结构会变成一种坚固的构造（没有磁性——这可以在加热过程中测试）。不过如果随后缓慢冷却，这种晶体就会回到其原来的状态，因此你需要快速冷却，本质上就是要把想要的结构“冻住”：把工件浸入咝咝作响的水或者油中淬火。不过，坚硬的材料也会发脆——易碎的钢锤、剑和弹簧是没有用的——所以淬火后的工件必须再回火。回火是将其重新加热到一个较低的温度并保持一段时间，让一定比例的晶体结构松弛下来——有意用部分的强度换取材料的一点柔韧性。通过回火，你调整了钢的材料性质，在设计合适的金属来执行预期任务的过程中，这是个必不可少的加工过程。
一项较晚才被掌握的关键技术是焊接：用熔融的金属将其他金属粘在一起。乙炔的火焰温度是所有可燃气体中最高的，在氧气流中燃烧时可超过3200℃。分别控制加压氧气流和乙炔气体经过一个点火喷嘴，便造出了一个焊接炬。纯氧可以通过电解水制得参见此处 ，或者在重启过程的后期，通过分馏液态空气获取参见此处 。乙炔是在水与碳化钙团块的反应中释放的，碳化钙则是在烧窑中加热生石灰与木炭（或焦炭）制得的：这两种物质我们已经介绍过。除了能用来焊接，氧乙炔焰还可以用作金属切割炬——一道氧气射流，沿着整齐的线条燃烧炽热的金属。
电弧焊机甚至能够产生大约6000℃的高温——它挥舞的是闪电的力量。拼接起一排电池，或者装备一台发电机，便能产生足够高的电压来形成持续的火花或者说电弧。随着电极在金属表面移动，电弧在被加工的金属和碳质电极之间跳跃，实现焊接或者切割的目的。对于被派往死去的城市里拆解废墟、回收最有价值材料的回收团队来说，这种应急的氧乙炔炬或者电弧切割器是不可或缺的设备。熔化废钢来回收利用的一个非常高效的方法是使用电弧炉。它本质上就是一台巨大的弧焊机：大型碳电极用奔涌的电流熔化金属，杂质形成矿渣浮到液态金属表面，被石灰石溶剂除去，然后钢水仿佛从水壶中一般被倾倒出来。在后末日时代的世界里，为了减轻对供热燃料的需求，使用可再生电能运行电弧炉，是需要掌握的一项重要技术。
不过，掌握了制造金属材料的能力，还只能算完成了一半任务：你还需要能够熟练地将它们加工成你需要的形状。如果没能回收到可运转的必备机器来做到这一点，你该如何从头开始制造出这种机器呢？
20世纪80年代，一位机械师曾为我们做过一次优雅的示范。他创建了一家设施齐全的金属加工车间——配有车床、刨床、钻床和铣床——而这一切仅仅是从黏土、沙子、木炭和一些废金属起步的。铝是一项很好的选择，因为它熔点低，易于铸造，而且非常抗腐蚀，所以哪怕在灾难发生很久之后也能够找到。
这一非同寻常的项目的核心是一个小型铸造厂，包括一台有耐火黏土内衬的回收金属桶，流经桶侧的空气流助力木炭的燃烧为其加热。这个在后院就能运作的熔炉熔化回收来的铝绰绰有余，液态的金属可以被倒进模具中铸造出各种机器零件。在一个可分成两部分的木质框架内，在细沙和黏土混合而成的黏合剂中加入少许的水，填在雕刻出的模型周围，便可以制造出浇筑用的模具。
第一个需要建造的机器是车床。一台简单的车床要有一根长而扁平的横梁，名为床身，头架固定在一端，尾架则可以沿着床身导轨左右移动。工件固定在头架的心轴上——被螺栓拧在面板上，或者由活口卡盘夹住——利用皮带或者齿轮系统将你掌握的动力（水车、蒸汽机或者电动机）传导过来驱动整个工件围绕这个中心旋转。尾架可以根据工件的长度移动到合适的位置，支撑工件的另一端，也可以携带一个工具，比如在工件旋转的过程中，用钻头在其中心打孔。床身上还有一个可来回移动的溜板箱，它是一个装着切削工具的横向拖板，可以准确地定位在工件旁边，在其旋转时将其切削出任何想要的轮廓。令人惊奇的是，不仅这台车床能够复制其自身所有的零件来制造出更多的车床，你还可以完全从一无所有开始，在建造第一台车床的初级阶段，制造出完成它所需的剩余零件。
为了在工件上切出精确的螺纹，你需要在床身上安装一根长丝杠来平稳地移动溜板箱，理想情况下还要将其与机头座轴的齿轮连接起来，以便完美地协调二者的运动。在后末日时代的世界里，你会真的很希望回收到一根做好的长纹螺丝，因为以稳定的间距切出螺纹异常困难。在我们的历史上，第一条精确的金属螺纹经过了漫长的反复调校过程才造出来，然后在它的基础上，又生产出其他螺纹。你应该尽量避免重复这个过程。
有了车床之后，你可以利用它制造其他更为复杂的机器的零件，比如铣床。车床是用工具在旋转的工件上操作，而铣床是用旋转的工具在工件上操作。它的用途极为多样——拥有了一台铣床后，你基本上就能制造出任何东西。所以这一示范是一场缩微的技术史：简单的工具制造出复杂的工具，包括自身更加精密的版本，然后重复这一循环，实现螺旋上升。
可是，万一你没有找到任何可用于锻造或者铸造的纯金属，或者已经用光了所有已经回收到的，又该怎么办？你如何能够首先从石头里提取出金属？熔炼的普遍原理是去除氧、硫或者其他矿砂中与金属结合的元素。这需要能够产生高温的燃料、一种还原剂和一种熔剂。木炭（或者焦炭）能够完美地实现前两项功能：它燃烧剧烈，而且在熔炉中燃烧时能够释放出一氧化碳，这是一种强还原剂，可以夺走氧，留下纯金属。原始炼铁炉的总体设计与烧石灰用的窑类似。炉中装满一层层木炭燃料和经过粉碎的铁矿石。一些石灰石混在矿砂中充当熔剂，降低顽固的矸石（无用的石质部分）的熔点，令其在炉中变成液体，吸收金属中的杂质。熔剂形成矿渣被清除之后，你的金属战利品就可以从炉中取出了。
如果你的熔炼炉温度不够高，没有炼出成型的铁，就需要将海绵状的金属团块取出，在铁砧上反复锤打，使铁质融合在一起，敲榨出剩余的矿渣。为了让这种纯锻铁有足够的强度来制作有用的工具，必须将其与木炭混合，再次加热到高温，使其吸收一些碳，形成钢后再拿到铁砧上去锻打。通过反复折叠和砸平，你实际上是在搅拌这种固体的材料，制造出可以锻打成最终形状的均质钢材。这是一项极其累人的工作，而生产效率也极为有限。现代文明的关键是高效批量生产钢的能力。以下是你应该如何做。
解决方案是迫使强大的气流流经炉内堆积的材料，加剧燃烧。中国人早在公元前5世纪就发明了鼓风炉（一千五百多年后，鼓风炉才在欧洲出现），后来用水力驱动的活塞风箱改进了设计。为了更加高效地获得高温，可以用从烟道排出的炙热可燃废气预热鼓风气流。鼓风炉内的初熔铁吸收大量的碳，熔点在碳的作用下降低到大约1200℃。金属液化后可以从炉子底部流出，经过地面上凿刻出的渠道，进入成排的铸块模中冷却。最终得到的是生铁——其英文名称pig iron的字面意义是“猪铁”，这是因为中世纪的翻砂工认为铸模看上去像是在母猪身上吃奶的初生猪仔。
这种熔点降低了的高碳铁可以再次熔化，然后像热蜡一般被倒入模具。因此铸铁十分便于快速制造厨具、管道或者机器零件等物品，在维多利亚时代，人们制造了很多铸铁梁。但是铸铁有一个很大的弱点：这种金属含碳量高，所以十分易碎。比如铸铁做的桥梁有一种非常糟糕的性质，一旦其结构性零件被弯曲或者拉伸，桥梁就会崩溃。
真正让后来的工业革命得以上演的创新，是将鼓风炉造出的生铁轻而易举变成钢的手段。从碳含量的角度来说，钢位于纯熟铁和易碎的生铁或者铸铁（3％～4％的碳）之间：用于制造机械装置或者结构钢架的韧性钢含有大约0.2％的碳，而用来制作滚珠轴承或者车床切削工具的特制硬钢则含碳大约1.2％。那么你该如何为生铁除碳呢？
贝氏转炉是一种内壁衬有防火砖的巨大梨型桶，装在一根轴上，因此可以被倾倒。转炉中装着熔化的生铁，空气从底部的孔中被泵入，就像是冒泡的水族箱通风器一样。过多的碳与氧气反应，释放出二氧化碳气体，其他杂质也被氧化，作为矿渣被刮除。幸运的是，碳燃烧时释放的热量足以令铁一直保持熔化状态。
难点在于很难精确地判断操作的进程，以便去除几乎所有的碳，仅仅留下不到1％。有一个一说出便很明显的诀窍，可以用来准确敲定最终的含量，那就是一直运行除碳操作，直到你有百分之百的把握所有的碳都已经被除掉，然后将分量精确符合预期含量的碳掺到纯铁中。这种贝氏转炉炼钢法是历史上第一种以较低的成本大规模制造钢材的方法，你应当尽快跨越到这一发展阶段。
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