古代中西方铁器应用的比较

2019-06-02 光明日报 转载
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摘要: 毛卫民:北京科技大学材料科学与工程学院教授、博士生导师。主要研究方向包括多晶体材料晶体学各向异性的形成与利用、电工钢材料学原理及新型电工钢品种的开发研究、高强度钢材各向异性的开发与利用等。负责完成10多项国家级材料科研项目以及大量企业工程

古代中西方铁器应用的比较

  毛卫民:北京科技大学材料科学与工程学院教授、博士生导师。主要研究方向包括多晶体材料晶体学各向异性的形成与利用、电工钢材料学原理及新型电工钢品种的开发研究、高强度钢材各向异性的开发与利用等。负责完成10多项国家级材料科研项目以及大量企业工程研究项目,在国内外刊物上发表200余篇学术论文,出版学术专著6部、教材6部。

古代中西方铁器应用的比较

  陕西宝鸡市周原遗址出土的青铜器。资料照片

古代中西方铁器应用的比较

  表1 铁器时代前中西方铜器使用量差异示意图

  铁器时代之前的铜器时代

  进入铁器时代之前,人类文明处于铜器时代,且中西方在铜器生产和使用上存在着巨大的差异,这种差异,我们可以通过表1的简易图表,对其有直观的掌握。

  对人类文明产生巨大影响的材料技术,其关键要素不仅包括新技术出现时间的早晚,更重要的是大量使用这种材料的规模。公元前5000年—公元前4000年期间,中西方均出现了人工冶铜技术。在伊朗、叙利亚、埃及等地考古发现了约公元前4000年的人工制造的铜器和冶铜遗址。因此通常认为,西亚地区是最早出现人工冶铜技术的地区。在中国陕西临潼姜寨出土了约公元前4700年的人工冶炼制造的原始黄铜残片和黄铜管。在欧洲也发现了约公元前5000年的人工冶铜制品。可见,世界各地均很早就进入了使用人工冶铜制品的时代。

  由于当时的中国地区拥有到处可得的铜矿资源和良好的高温烧陶技术,中国铜器时代的铜器使用量持续增长。自约公元前 3000年开始的时代(也就是古代史书中所说的“五帝时代”),中国的冶铜技术已经比较成熟,并且广泛应用于生产生活和战争。在夏代,中国已经出现了铜鼎等大型铜器,至商周时期中国的铜器技术发展到历史的巅峰。考古发掘显示,约公元前1500年的中国已经普遍出现了利用高温冶炼和铸造技术制作的精美青铜大鼎。这些青铜遗存,在如今的中国各省、市、自治区的博物院馆中都可以发现。

  铜器时代冶铜、制铜业的发展首先要能够从自然环境中较方便地获得铜矿资源。除去小型铜矿资源不论,在中国发现了五十多处中型、大型和超大型铜矿,这为中国铜器时代的快速发展提供了充足的铜矿资源。而当时欧洲的铜矿资源则相对比较匮乏,难以支撑冶铜技术的快速发展。同时,欧洲早期的冶铜技术所使用的铜矿石主要是碳酸铜或氧化铜,这种矿石比较容易借助加热过程冶炼成铜。在当时,当欧洲地表的碳酸铜或氧化铜基本被耗尽后,又没有适当的高温技术及把硫化铜矿石冶炼成铜的相关技术,因而欧洲出现了约公元前3500年之后冶铜活动的低迷和停滞。之后欧洲冶铜业虽有所复苏,但在古罗马出现之前,欧洲整体的铜产量始终保持较低的水平:自公元前5000年欧洲及附近地区出现人工冶铜技术而进入发展期以后,由于不能利用上述那些技术来处理需要更高温度冶炼的铜矿,导致欧洲铜器的使用进入了衰退期。在公元前2000年—公元前700年的1300年期间,根据不完全统计,西亚、北非和欧洲等地铜的年平均总生产量仅有约400吨。

  工业革命之前的铁器时代

  自公元前1000多年前世界各地发明人工冶铁技术以来,至20世纪70年代,人类都是处于广义的铁器时代,包括工业革命前的传统铁器时代,直至其后的后铁器时代或钢铁时代。20世纪晚期在所涌现大量新材料的推动下信息产业的兴起,才标志着铁器时代的结束。

  早期的人工冶铁技术主要包括炼铁和炼钢两个重要环节。炼铁过程大致为:用燃烧木柴、煤炭或木炭等燃料加热以氧化铁或硫化铁为主的铁矿石,达到足够高的温度后燃料中的碳与铁矿石中的氧或硫结合成气体逸出,还原出铁矿石中的铁。还原出来的铁中还残留了铁矿石中的硫、磷、硅等等,以及多余的碳等杂质。炼铁获得的产物被称为生铁,其性质脆而硬,通常并不适合直接使用。我们可以把炼铁过程简单地理解为:把天然铁矿石转变成含有很多杂质的生铁。炼钢或制钢过程大致则可以理解为:利用多数杂质元素比铁更容易氧化的特性,在高温下向生铁内输入空气中的氧气以便氧化生铁内的硫、磷、硅、碳等杂质元素,然后设法清除这些杂质氧化物。例如,在液态铁水中投入氧化钙等造渣剂,使其与氧化的杂质形成钢渣漂浮于铁水表面并被清除。炼钢过程中还可以控制适当的含碳量或加入某些有利的元素,以获得更好的使用性能。我们可以简单地把炼钢过程概括为:去除生铁中的杂质并获得洁净和优良性能的钢制品。

  在大约公元前1000年,欧洲地区进入铁器时代初期,由于铜器的应用很不发达,率先掌握冶铁技术的古罗马人迅速推广使用铁器,包括铁剑、铁标枪、铁盾、铁弩箭发射装置以及铁链、扒城钩、铁镰头等,当时罗马军队中还配备铁匠,随时维修和制作铁质兵器。面对欧洲尚未充分发展的冶铜制铜业及其冶铁制铁技术尚不够成熟的广大地区,已经积累了较强军事技能的古罗马军团因其完备的铁质兵器系统而具备了较为显著的军事优势,并最终利用这种铁器优势横扫北非、西亚和欧洲大陆。

  而在同一时期,铜器使用非常发达的中国,对铁器的推广使用并不那么急迫。公元前770年至公元前221年,当时的中华文明处于春秋战国时期,诸侯国之间的战事连绵不断。基于当时已经十分发达的冶铜制铜技术,春秋时期各国在战争中大规模使用的基本上还是铜质的兵器。铁的密度比铜约低15%;与铜质兵器比较,铁质兵器具备更加轻便、锋利、强韧等特点。因此,随着冶铁技术逐渐成熟直至秦统一前的战国时期,虽然各国军队仍以铜质兵器为主,但也开始部分使用铁质兵器。不过,由于当时各地都有了非常发达的冶铜制铜业,各国用于战争的兵器技术没有太大的差异。当进入战国时代形成了实力强大的少数国家之间的长期对峙局面之后,战争的胜负往往更取决于各国的综合国力、军事策略以及统治阶层的决策水平。在这样的情况之下,铁质兵器并没有取代铜质兵器。比如,公元前210年秦始皇下葬时,当时的中国人早已掌握冶铁技术,但在秦始皇陵迄今为止的考古发掘中,研究人员鲜有发现铁器,却已陆续出土了四万多件铜质兵器。到了汉代,中国也有相当长的铜器与铁器的混用时期。然而与铜器相比,铁器毕竟具备重量轻、更坚韧、更锋利等优势,而且矿产资源相对更丰富,因此,古代中国的冶铁技术最终还是得到了稳定的发展,并在农业、畜牧业、纺织业、建筑业、交通运输业、军事、文化、日常生活等各领域得到了广泛的应用。

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