刀光剑影中的材料学
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内容
#肖文凯
“铜铁炉中翻火焰，为问何时猜得？不过几千寒热。人世难逢开口笑，上疆场彼此弯弓月。”这是毛泽东主席的《贺新郎·读史》中的几句词，讲的是人类进入金属时代，冶炼铜铁，制造兵器，疆场厮杀。
十年磨一剑
据考古发现，公元前4000—公元前3000年，人类就已进入青铜时代。青铜器的产生标志着人类开始创造出了灿烂的物质文明和精神文明。石器和陶器的原材料是自然界本就存在的石头和黏土，通过打磨和塑形，搭起简单的炉灶就地生产即可实现。但青铜器的生产要困难得多。自然界没有青铜这个原料。青铜是铜锡合金，它是人工创造出来的一种新材料。人们通过生产工艺的配合，利用这个新材料做出了各种各样的器物服务于整个社会的经济与文化生活，创造出灿烂的文明。有些产品时至今天仍令人惊叹不已！可以说，古人自创造出青铜文明以来，其智商、思维及思想已与现代人无异，我们现代社会所创造的文明源于一代又一代知识的不断积累，知识积累得越多，文明的进步速度就越快。英国思想家培根说：知识就是力量。
合金是由两种或两种以上金属组成的新金属，它具有新的特性和功能，与原金属相比，普遍的规律是熔点下降，强度提高。铜的熔点大约为1000摄氏度，锡的熔点大约为230摄氏度，两者的合金——青铜的熔点为700摄氏度左右，即便是烧堆柴也可熔化了。同样是火，其温度可不相同，太阳是个火球,其表面温度就达6000摄氏度;酒精灯的火不过100多摄氏度，所以中医用来拔火罐，操作适当不易烫伤;小孩玩的冷烟花温度就更低了；篝火、灶火、天然气和煤气的火也不会高于800摄氏度;烧木炭的火可以达到1000摄氏度以上，在此基础上不断完善各项设施，可以达到1500摄氏度以上。这个温度就可以冶铁和烧瓷了，这就是瓷和铁出现较晚的原因。人们对火的掌握和利用需要积累经验攻坚克难。当高温的火难以获得时，通过合金化可以降低熔炼温度，青铜即是此种策略。温度降下来，就容易铸造加工了。除了容易熔化冶炼以外，青铜浇注后的产品强度、硬度都比铜高，又不像石器、陶器那样脆，不怕摔。青铜器的颜色实际上是金色的，光彩夺目，经久耐用。青铜器的“青”是被发掘出土后的颜色，是经过长时间的腐蚀所致。这么好的材料做的东西一经问世，肯定大受欢迎，遂应用于社会的各个领域。祭祀礼仪、文化传承、美学艺术如各种铭文钟鼎、编钟，食器、酒具如釜、樽，农业生产工具如犁铧、镰刀等，极大地提高了社会生产力水平，促进了物质与精神文明建设，所以青铜的产生标志着人类开始迈向文明。青铜的生产涉及采矿、冶炼、运输、成分设计、模具制作、浇注等一系列产业链，其分工协作综合管理水平要求很高，无数能工巧匠聚集在这个最重要的行业夜以继日地劳作，创造出不朽的奇迹。
曾侯乙编钟全套共65件，分三层八组悬挂在呈曲尺形的铜木结构钟架上（图2-6），是中国迄今发现数量最多、保存最好、音律最全、气势最宏伟的一套编钟，代表了中国先秦礼乐文明与青铜器铸造技术的最高成就。现在到湖北随州和湖北省省博物馆免费参观，还能欣赏到编钟演奏表演，蔚为壮观！
“鸡犬相闻，老死不相往来”是青铜器时代大思想家老子提出的人类理想，而“人世难逢开口笑，上疆场彼此弯弓月”却是无奈的残酷现实。军事与国防向来是国家的头等大事，也是材料与科技应用竞争最激烈的领域，这种竞争客观上也加速了材料的发展。青铜产生后，人们告别了投掷石块的战斗场景，这个场景在文艺复兴时期伟大的艺术家米开朗基罗的大卫雕像上有着鲜明的体现（图2-7）。现在，武器升级了。
纯铜是比较软的，大家在生活中见到的铜导线是不是很软？而青铜则有着良好的强韧性配合，刀、剑、戟、戈、矛、钺、镞是当时主要的青铜兵器（图2-8）。通过控制锡在青铜中的不同含量，人们可以实现在不同用具,包括兵器种类的最优化的性能选择。这是因为加入锡可以提高铜合金的硬度，但加多了就会太脆，人们就根据器具的用途酌量添加以求得最合适。在《周礼·考工记》中就记载了六种青铜器的配方。如钟鼎，它不需要很高的强度，铜、锡比例为六比一，即铜占85.71%，锡占14.29%；“斧斤之齐”，斧头要砍，就需要较高的强度，铜、锡比例为五比一，即铜占83.33%，锡占16.67%；“戈戟之齐”的铜、锡比例为四比一，即铜占80%，锡占20%，这个就是强韧性较高的一个配合;“大刃之齐”所需铜、锡比例为三比一，即铜占75%，锡占25%，这个大刃要求更高的硬度；“削杀矢之齐”，箭头的韧性要求不高，锋利度要求高，于是还可以提高硬度，铜、锡比例为五比二，即铜占71.43%，锡占28.57%；“鉴燧之齐”，铜镜要求更耐磨，硬度要求非常高，韧性要求并不高，铜、锡比例为一比一，即各占50%。湖北省博物馆的镇馆之宝，越王勾践剑就是青铜剑，因保存条件完好，出土后仍寒光逼人，锋刃锐利。青铜剑的硬度当然没有我们现在的刀具的硬度高，所以刃口一定要磨得非常薄才有杀伤力，所以磨砺的功夫显得很重要，“十年磨一剑,霜刃未曾试。今日把示君,谁有不平事?”“宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来”这样的诗句可谓脍炙人口，家喻户晓。不过，实话实说，从材料学的角度来看，真正好的刀剑，硬度高、韧性好，且不容易钝、不卷刃、不崩刃，经久耐用，哪用得着天天磨？而后来的铁剑才真正做到了这一点。
历经夏、商、周，青铜器已发展得相当完美，但作为兵器，其性能还是不令人满意，一是硬度仍不够高，二是易折断。进入春秋战国时代后，群雄逐鹿，诸侯争霸，对兵器性能的提升需求极为迫切，直接催生了铁器的诞生(图2-9)。相传当时的铸剑大师欧冶子遍访名山大川，终于在秦溪山下的龙泉找到了铸炼宝剑的原材料铁英沙，从而锻造出千古名刃龙渊、泰阿、工布三把名剑，开创了铁剑铸锻技术的先河，被尊为冶铁锻造祖师。这些铁剑的锻造所蕴含的钢铁制造知识直至今天仍令人叹为观止，即便在今天，仍然能指导我们创新钢铁材料的工艺。在当时没有金相显微技术的条件下，其发明的一系列铸锻焊工艺无不与现代金属材料理论相一致，实在令人赞叹，细节的分析将在后面的小节一一道来。
龙渊就是龙泉，在唐朝为避讳唐高祖李渊名讳改名龙泉，可见欧冶子将打造的第一把铁剑起名为龙渊，是为了纪念这个特殊的地方。为什么欧冶子要在此地落脚打造宝剑呢，因为此地有特别重要的原材料铁英沙。铁英沙就是粉末状的铁矿石。粉末状的铁矿石和块状的铁矿石有何不同呢？区别就在于它们在冶炼时的熔化温度不同，粉末态的铁矿石比大块状的铁矿石熔化温度低。块状铁矿石的熔化温度约为1500摄氏度，这么高的温度在当时受制于技术条件很难达到，如窑炉的尺寸、保温隔热的形状设计、耐火砖与黏土的制作、焦炭的成色与鼓风设备等尚未达到需要的水平，炉温达不到1500摄氏度，块状铁矿石熔化不了，当然也就炼不成铁。而粉末状的铁矿石在1300摄氏度便可以熔化，这个温度当时欧冶子可以做到，所以粉末状的铁矿石才能炼成铁。为什么粉末状的金属熔点会低一些呢?大家想一下在第1章讲述不粘锅时提到过的表面能的概念，既然存在表面张力，表面能的存在就无疑义了，如同重力和势能。粉末有着大量的表面，所以粉末状态的材料蕴藏着大量能量（大家可能听说过充满粉尘的车间或厂房爆炸的事件吧，无论是面粉还是铝粉，也包括其他材料，在空气中达到一定浓度，碰到一点火星就可以发生爆炸，所以要注意安全生产，不能掉以轻心),铁矿石粉末在冶炼时自身蕴涵的能量就贡献出来了，因此1300摄氏度就可以熔化了。因为在其他地方没找到粉末状的铁矿石，在龙泉找着了，欧冶子就此安营扎寨开始打造铁剑。龙泉的铁英沙又是如何获得的呢？在秦溪山下的溪流里就有这个东西，欧冶子用吸铁石从溪水中吸上来的。吸铁石就是古人做指南针的磁石，它是铁的氧化物，在自然界里存在。单质铁容易氧化，在自然界是不存在的，要通过炼铁反应还原才能得到。铁英沙也是带磁性的铁的氧化物，所以可以用吸铁石慢慢在水里收集。这个原材料的收集就像淘金一样艰难，量太少了，所以铁剑的产量也很低。在青铜剑的年代，铁剑可做到瞬间砍断青铜剑，自身却毫发无伤，于是便成了神剑，足可史上留名传千古，民间赋予其神话色彩就不奇怪了。
因为粉末的这种特殊属性，后来发展出粉末冶金这种有特色的方法,成了制造难熔金属材料的看家手段，比如钨，制作白炽灯丝的材料，熔点可达3000摄氏度以上，即便在现代，也没办法在这个温度熔炼它，我们也是通过粉末冶金的方式制得灯丝的。所以说那时古人的智慧已与现代人无异，极其聪慧。
冶铁是将铁矿石置于焦炭炉中煅烧，焦炭在燃烧过程中会产生一氧化碳。为何冬天烧炭取暖定要烟筒且要良好通风呢?就是这个一氧化碳会同人体的血红蛋白优先结合，让氧气失去结合机会造成一氧化碳中毒。在冶铁时，这个一氧化碳会同铁矿石中的氧结合生成二氧化碳跑出来，铁失去氧原子，就变成了单质铁，即纯铁。铁的密度较大，在炉子下方，其他焦炭及矿渣就浮在铁液上面，所以冶铁采用竖炉，炼好后，在炉子下方捅个孔，铁液就流出来，凝固后就是生铁块了。因为在炼铁时有大量的气体产生，如一氧化碳、二氧化碳，还有一些杂质，凝固的铁块当中充满气孔和杂质，形如海绵，必须通过锻打消除。将铁块烧红不断捶打，高温下气孔被强行打闭合，杂质被打至边缘排除，始为熟铁，方能制作刀剑及其他用具。
进入汉代，炼铁炉的设计、耐火材料、鼓风设备等一系列技术逐渐成熟，炉温可以达到1500摄氏度，大规模的冶铁生产便普及开来，社会生产力又迎来了一次巨大的飞跃。汉剑遂成为王者的象征，始有“明犯强汉者，虽远必诛”的豪迈壮举！
龙泉剑
龙泉位于闽浙赣三省边界，现为浙江丽水市下辖的一个县级市，原名龙渊，唐朝为避高祖李渊名讳改为龙泉，沿用至今。前文说到欧冶子冶铁锻造团队在此打造出了铁剑，第一把命名为龙渊，就是纪念神奇铁剑的诞生地（图2-10）。铁剑的命名基本上以剑身上的钢花形貌写意而得，剑身上的钢花又是由一种特殊的锻造方法形成的。2000多年前的龙泉山高林密、谷幽溪深，环境较为安定，也利于保密，最关键的是出产铁剑的原材料铁英沙，有后续进行热处理淬火的得天独厚的泉水，还有就是可以就地取材伐木进行预烧得到的上好的松炭，这是炼铁炉和加热炉所用的燃料，同时也是关键的铁矿石还原剂、气体保护剂及渗碳介质。木炭是一种将木材先进行预烧，将易燃成分先行烧掉，而后强行熄灭得到的一种燃料，再燃烧时就没有烟了，且温度较高，广泛用于冬天室内取暖。唐代大诗人白居易的《卖炭翁》首句写到“卖炭翁，伐薪烧炭南山中”，描述的就是这个过程。伟人毛泽东有篇著名的文章《为人民服务》，就是为纪念在陕北根据地因烧炭发生意外而牺牲的一位叫张思德的战士而写的。大家平时爱吃的烤羊肉串、炭烤肉，也都是用的这个材料。长期以来木炭是一种人们生活中不可缺少的基础能源材料，也正是因为它,才有了铁器时代的辉煌。
木炭在燃烧时除了放出大量的热——这是人们用它的原因，同时还会产生一种副产品——CO（一氧化碳），俗称煤气，前一节也说了，这种气体能使人中毒，所以烧炭时必须通风，它能与很多金属氧化物在高温下反应将金属还原成单质。氧化铜、氧化锡的矿石就是这么冶炼得到铜和锡的，然后青铜就产生了。铁矿石也是如此，只不过反应温度更高，这可以通过炉膛保温和鼓风助燃达到。所以木炭既是加热材料,又是反应材料，可谓一箭双雕，非常奇巧。铁液凝固后得到铁块。铁块需要进一步锻打方能成材，这个过程古人称之为千锤百炼。而青铜却脆得很，是打不得的。只有铁经得起打，不打不成材，打过之后变成了钢。
前一节说过，铁液当中有气体和杂质，通过捶打可以排除杂质和压实气孔，使铁块致密。千锤百炼，顾名思义，在炉膛里加热一次，称为炼，拿出来打10锤，然后温度降下来，又去加热，反复加热100次，打了1000锤，是不是千锤百炼啦！加热时，炉膛里充满一氧化碳气体，它阻止了铁块在高温下的氧化，所以又充当了保护气体的角色。那么在这个过程中除了排除杂质和压实气孔，还发生了什么呢？有两个重要的功能同时实现了。
锻造细化了铁块的晶粒。金属是晶体材料，宏观的块状金属实际上是由无数个晶粒组成的，就像大家平时吃过的萨其马，糖将一颗颗脆脆的面疙瘩粘在一起，这些个面疙瘩就是一颗颗晶粒，它的大小是可以变化的。当我们捶打铁块时，我们对铁块做了功，就把机械能传递给铁块，铁块以弹性能储存了起来。当放入炉膛加热时，这部分储存的弹性能就要释放出来。大家知道能量是守恒的，只能转换不可灭失的，此时它就选择转化成表面能，这就意味着铁块的表面能要增大，怎么增大呢，就是通过再结晶方式，让晶粒变得更小来消化这些多余的表面能，从而完成机械能的转化。于是铁块的晶粒就变小了，由大颗粒的萨其马变成了小颗粒的瓜子酥了（图2-11）。
那么细化了晶粒的铁块在性能上有什么好处呢？我们举个形象的例子来说明。假如一个袋子装大馒头只能装两个，当受到挤压时，每个馒头都会发生很大的变形，但如果将这些大馒头换成小馒头，或许可以装十个小馒头，同样的变形会分散在十个小馒头上。每个小馒头的变形会很小，甚至可以做些转动或移动，而大馒头移动起来就很困难，因此装上小馒头后，总体的变形也会更协调，更均匀。同样，对于晶粒细小的组织，当发生塑形变形时，变形会分散在更多的晶粒上，从而使每个晶粒的变形更加均匀，变形量更小，使整体在受到断裂破坏之前可以发生更多的塑性变形，这在宏观上表现为材料塑性和韧性的增加。晶粒细化后还带来第二个效应，就是晶界增多了。晶界是晶粒与晶粒之间的边界，因每个晶粒内原子排列的位向是基于相同的规则的，但不同的晶粒位向并不相同，这种不同就通过晶界来过渡位向，以此来连接相邻晶粒，因此晶界上的原子排列不规则，畸变程度高，畸变能也高，导致其强度也较高，晶界的变形也更为困难，当遇到宏观变形时晶界的阻碍更大，这样一来晶界多的块状铁就会有更大的变形抗力，于是细化晶粒就产生两个效应，强度变高了，塑韧性也变好了，这不是双赢吗?的确如此，所以在材料专业里细化晶粒的英文专业词汇就是fine,该词的意思就是“好”。千锤百炼使铁块的晶粒细化,提高了铁块基体的强韧性。
第二个功能是在千锤百炼的反复加热过程中，铁块在一氧化碳的高温环境中被渗碳了，即一氧化碳中的碳原子渗透到了铁块中，含有一定量的碳元素的铁，我们称之为钢。含碳的铁经过热处理淬火后就变得坚硬起来，其原理在下节详述。
实际上，龙泉剑的制造工艺极其复杂耗时，但每一步都对龙泉剑的最终性能有着重要的影响。其中，折叠锻打和复合夹钢更是龙泉剑制作工艺的精华之处，灵魂所在。在经过上面的普通锻打之后，还要进行折叠锻打。提到折叠锻打，大家可能会比较陌生，但提到千层饼(图2-12)，大家应该都很熟悉。这是一种能够分出很多层次的烤饼，通过反复的折叠擀面，可以使一张薄饼达到多层次。可以想象一口饼咬下去有几十层是什么感受？没吃过的人会以为很厚，甚至放不进嘴里面。但千层饼的独特之处就在这里，几十层却依旧很薄，这种薄且多界面的特殊结构使得千层饼一口咬下去韧性足，有嚼劲，加上这种制作手法所带来的面饼表面的特殊花纹，这大概就是千层饼名满天下的理由吧！
在龙泉剑的制造工艺之中，折叠锻打就是用特殊的铁刀在需要折叠的部位进行横切后捶打折叠(图2-13)，并放入炉火中使之软化再次进行捶打，这可以使折叠好的部分完全粘连。在龙泉剑的制造工艺中，需要进行15次折叠锻打，使钢铁达到层层叠加如千层饼云片糕，每一层厚度仅为0.5～1微米。通过这种工艺，可以使铁剑的每颗晶粒成为很薄的片，并沿剑的长度方向延展，成为长椭圆形的薄片状晶粒，成千上万颗这样的晶粒沿剑的厚度方向叠层。这种叠层在剑被打磨抛光后，会在剑身形成特殊的花纹，如同千层饼表面的花纹一样，实际上是晶粒界面间的纹理，依据这些不同的花纹，欧冶子给这几把宝剑起了名字。
折叠锻打之后的工序便是复合夹钢。复合夹钢是龙泉剑制作工艺的另一精华所在，它是配合淬火工艺起到精妙作用的，下节详述。这一过程需要用两块折叠锻打后的钢材来夹住一块柔性钢材并一同置于1300摄氏度的炉火之中，配合锻打使三块钢材能够粘合起来，达到柔铁为脊钢做刃的目的。折叠锻打的钢材碳含量较高，而这块柔性钢材即柔铁，是基本不含碳的。加上之后的表面渗碳工艺更是使得龙泉剑的剑刃和剑脊碳含量显著不同，这配合当时出现的淬回火工艺，可以使得剑刃和剑脊的力学性能有着明显的差异。我们知道，在一定程度上，随着碳含量的增加，钢的强度和硬度会增加，而塑性和韧性却会下降。这就使得龙泉剑剑刃锋利，剑脊软，锋利的剑刃使得铁剑能够削铁如泥而不发生卷刃，而软韧的剑脊能够吸收铁剑承受巨大的冲击而不发生脆断（图2-14）。这种刚柔并济的结构配合上细晶材料的良好综合力学性能便使得龙泉剑性能极为优异，成为春秋战国时期的上等宝器。
以上图文来自机械工业出版社出版的《身边的材料学》（黑白印刷），江苏激光联盟陈长军转载