“百炼成钢”的科技内蕴

中国古代有句成语，叫做“百炼成钢”。其意是人必须经过千锤百炼，才能有所作为。然而，这一成语的最初起源于我国古代的一种特殊的炼钢工艺——“百炼钢”，语出汉代应劭《汉官仪》：“今取坚钢百炼而不耗”。

唐代齐己在《古剑歌》中写道：“古人手中铸神物，百炼百淬始提出”。早在春秋战国时期，我国就出现了许多炼剑名家。如吴国的干将、莫邪，就是一对著名的铸剑夫妇。他们用最优质的钢铁、精湛的技艺及勇敢无畏的精神铸造了两把以他们名字命名的锋利无比的宝剑，受到了后人的称颂。到了东汉时期，才出现了用“百炼钢”工艺炼制的标以“炼数”的剑。1974年，在山东苍山县汉代安帝永初六年（公元112年）的“三十湅”（湅和炼字字义相同）的环首钢刀，其上的 “宜子孙”三字锈蚀不清，是在X射线的照射下辨读出来的。1978年，在徐州铜山县一座小型汉代砖石墓中，发现了一把汉代建初二年（公元77年）的“五十湅”的钢剑，剑长109厘米，宽1.1~3.1厘米，脊厚0.3~0.8厘米，为蜀郡西工官所造。这说明至少在东汉前期，用炒钢以及以此为原料的“百炼钢”工艺已经相当普遍地被使用了。

钢和铁都是铁和碳的合金，纯铁和钢都是由生铁炼成，铁和钢的区别在于含碳量的不同，从而引起性能的变化。生铁含碳量最多，超过2.1%，较脆；其次是碳钢，含碳0.06～2.1%，硬度韧性较好；纯铁含碳量在0.06%以下，比较韧。那么什么叫“百炼钢”，“百炼钢”的工艺过程又如何呢？简单说来，“百炼钢”就是以炒钢为原料进行反复加热锻打，少则三五十次，多则百余次，其目的是满足制作优质兵器等物件所用特殊钢的需求。北宋苏颂在《本草图经》中说，生铁再三销拍，可作（ye，金属薄片）者为（xu）铁，亦称之为熟铁。“销”指入火炒炼，拍指拿出炉后锻打。反复加热锻打过程，引起了一系列物理化学变化，提高了金属材料质量，改善了钢铁的性能。其具体作用有以下几方面：一是使物质成份分布更加均匀。因为锻打次数越多，就产生较强的机械搅拌作用，碳粒分布就越均匀。二是在多次锻打中，杂质被逐步排除。三是使结构更加紧密。锻打过程减少了其中的空隙，同时起到了细化晶粒的作用。正是百炼过程，锻件硬度和韧性增强，使铁变成了一种优质碳素钢。晋代刘琨曾写到：“何意百炼钢，化为绕指柔”，说明“百炼钢”既有硬度，又有韧性。科技人员曾对山东省苍山县出土的永初“卅湅大刀”、徐州铜山县出土的建初“五十湅”剑进行了科学分析，得知其原料均是含碳量稍高的一种炒钢。“卅湅刀”刃部含碳量为0.6～0.7%，组织均匀，珠光体很细，曾经淬火，可看到少量的马氏体（纯金属或合金从某一固相转变曾另一固相时的产物。转变过程中，主要是晶体结构发生变化。钢中的马氏体在显微镜下多呈针状）。“五十湅”剑刃部含碳量分层，中心稍高，约0.7%；两边稍低，低达0.4%，晶粒较细。在金相显微镜下，它们的夹杂总量都较少，数目较多，细薄分散，变形量大，说明在“卅湅”、“五十湅”过程中，材料曾多次被加热锻打，经受过较大的加工变形。

百炼钢工艺一直延续后世。历史上有许多“削铁如泥”的宝剑的记载。三国时曹操曾命“有司”作“百炼”利器5枚。晋代崔豹在《古今注.舆服》中记载，吴大帝有宝刀三：“一曰百炼，二曰青犊，三曰漏景。”北宋的科学家沈括在《梦溪笔谈》中谈到了当时北方最大的冶炼中心之一磁州锻坊炼制百炼钢的情况：“……取精铁锻之百余火……此铁之精纯者，其色清明，磨莹之，则黯然青且黑，与常铁迥异。”周去非在《岭外代答》中记载广西少数民族以“三十炼”的钢刀为上品，佩带在身上。南宋的曾敏行在《独醒杂志》中谈到湘西瑶人中曾看到一种“黄钢刀”，锋利无比，“一挥能断牛腰，乃百炼而成。”明代的宋应星在《天工开物》中也谈到“百炼钢”用在制作精美的刀刃上。可见百炼钢对后人的影响极大。

我国进入铁器时代约在公元前1400多年前的商代，远早于“百炼钢”出现的时间。1972年，在河北藁城台西村商代墓室中出土了一件铁刃铜钺（yue,古代兵器，形如板斧而较大）。1977年，在北京平谷县刘家河村商代晚期墓中也发现了一件铁刃铜钺。经技术鉴定，这两件器物的铁刃部分均系从宇宙中降落在地球上的陨铁加热锻成。到了春秋战国时期，我国的冶铁技术出现了三项重大发展。首先是生铁冶铸技术，它能从矿石中大量地省力地提炼生铁，为铸造各种铁器打下了基础。如公元前513年晋国铸造了一个铁质刑鼎，就是用生铁铸造的。其次是出现了含碳量在0.5～0.6%的中碳钢，提供了比铁更硬、锐利的原料。第三是创造了铸铁柔化技术。它通过对退火温度和退火时间的控制这一“热处理脱碳技术”，增强了铸铁的强度和韧性，使生铁广泛用作生产工具成为可能，加快了铁器取代青铜器等生产工具的历史进程。到了南北朝时期，我国已有了“灌钢法”，方法是将溶化了生铁灌到纯铁中去，使纯铁中的含碳量增加而变成钢。

对古代钢铁文物的检测，由于钢铁容易氧化，出土时有很厚的锈蚀层，再加上钢铁材料因冶炼产生的内部不均匀性，分析鉴定比青铜文物困难得多。科技人员通过金相显微检验可获得文物中铁碳合金相的内部构造面貌以及古代渗碳、淬火、回火、锻打、表面处理等工艺信息。如陨铁中镍密度在5～8%左右，而人工冶炼的铁中镍的密度仅含约0.1%。正是通过对含镍量的鉴定，专家们从而得出了商代的铁刃铜钺中的铁刃部分是陨铁加工而成的结论。

今天，人们不必经过炼铁这一步，可以直接由矿石炼成钢。世界上已取得成功的“一步炼钢法”就有几百种。如“等离子体炼钢”用氢气和天然气作燃料，可将矿石直接炼成钢。为避免重力作用及其它作用的影响，目前一些发达国家还进行了数十次“天外炼钢”的实验，炼出的钢和合金，多用于航天及其它特殊要求的设备上。

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