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“百煉成鋼”的科技內蘊
中國古代有句成語，叫做“百煉成鋼”。其意是人必須經過千錘百煉，才能有所作為。然而，這一成語的最初起源於我國古代的一種特殊的煉鋼工藝——“百煉鋼”，語出漢代應劭《漢官儀》：“今取堅鋼百煉而不耗”。
唐代齊己在《古劍歌》中寫道：“古人手中鑄神物，百煉百淬始提出”。早在春秋戰國時期，我國就出現了許多煉劍名家。如吳國的幹將、莫邪，就是一對著名的鑄劍夫婦。他們用最優質的鋼鐵、精湛的技藝及勇敢無畏的精神鑄造了兩把以他們名字命名的鋒利無比的寶劍，受到了後人的稱頌。到了東漢時期，才出現了用“百煉鋼”工藝煉製的標以“煉數”的劍。1974年，在山東蒼山縣漢代安帝永初六年（公元112年）的“三十湅”（湅和煉字字義相同）的環首鋼刀，其上的 “宜子孫”三字鏽蝕不清，是在X射線的照射下辨讀出來的。1978年，在徐州銅山縣一座小型漢代磚石墓中，發現了一把漢代建初二年（公元77年）的“五十湅”的鋼劍，劍長109厘米，寬1.1~3.1厘米，脊厚0.3~0.8厘米，為蜀郡西工官所造。這說明至少在東漢前期，用炒鋼以及以此為原料的“百煉鋼”工藝已經相當普遍地被使用了。
鋼和鐵都是鐵和碳的合金，純鐵和鋼都是由生鐵煉成，鐵和鋼的區別在於含碳量的不同，從而引起性能的變化。生鐵含碳量最多，超過2.1%，較脆；其次是碳鋼，含碳0.06～2.1%，硬度韌性較好；純鐵含碳量在0.06%以下，比較韌。那麼什麼叫“百煉鋼”，“百煉鋼”的工藝過程又如何呢？簡單說來，“百煉鋼”就是以炒鋼為原料進行反複加熱鍛打，少則三五十次，多則百餘次，其目的是滿足製作優質兵器等物件所用特殊鋼的需求。北宋蘇頌在《本草圖經》中說，生鐵再三銷拍，可作 （ye，金屬薄片）者為 （xu）鐵，亦稱之為熟鐵。“銷”指入火炒煉，拍指拿出爐後鍛打。反複加熱鍛打過程，引起了一係列物理化學變化，提高了金屬材料質量，改善了鋼鐵的性能。其具體作用有以下幾方麵：一是使物質成份分布更加均勻。因為鍛打次數越多，就產生較強的機械攪拌作用，碳粒分布就越均勻。二是在多次鍛打中，雜質被逐步排除。三是使結構更加緊密。鍛打過程減少了其中的空隙，同時起到了細化晶粒的作用。正是百煉過程，鍛件硬度和韌性增強，使鐵變成了一種優質碳素鋼。晉代劉琨曾寫到：“何意百煉鋼，化為繞指柔”，說明“百煉鋼”既有硬度，又有韌性。科技人員曾對山東省蒼山縣出土的永初“卅湅大刀”、徐州銅山縣出土的建初“五十湅”劍進行了科學分析，得知其原料均是含碳量稍高的一種炒鋼。“卅湅刀”刃部含碳量為0.6～0.7%，組織均勻，珠光體很細，曾經淬火，可看到少量的馬氏體（純金屬或合金從某一固相轉變曾另一固相時的產物。轉變過程中，主要是晶體結構發生變化。鋼中的馬氏體在顯微鏡下多呈針狀）。“五十湅”劍刃部含碳量分層，中心稍高，約0.7%；兩邊稍低，低達0.4%，晶粒較細。在金相顯微鏡下，它們的夾雜總量都較少，數目較多，細薄分散，變形量大，說明在“卅湅”、“五十湅”過程中，材料曾多次被加熱鍛打，經受過較大的加工變形。
百煉鋼工藝一直延續後世。曆史上有許多“削鐵如泥”的寶劍的記載。三國時曹操曾命“有司”作“百煉”利器5枚。晉代崔豹在《古今注.輿服》中記載，吳大帝有寶刀三：“一曰百煉，二曰青犢，三曰漏景。”北宋的科學家沈括在《夢溪筆談》中談到了當時北方最大的冶煉中心之一磁州鍛坊煉製百煉鋼的情況：“……取精鐵鍛之百餘火……此鐵之精純者，其色清明，磨瑩之，則黯然青且黑，與常鐵迥異。”周去非在《嶺外代答》中記載廣西少數民族以“三十煉”的鋼刀為上品，佩帶在身上。南宋的曾敏行在《獨醒雜誌》中談到湘西瑤人中曾看到一種“黃鋼刀”，鋒利無比，“一揮能斷牛腰，乃百煉而成。”明代的宋應星在《天工開物》中也談到“百煉鋼”用在製作精美的刀刃上。可見百煉鋼對後人的影響極大。
我國進入鐵器時代約在公元前1400多年前的商代，遠早於“百煉鋼”出現的時間。1972年，在河北槁城台西村商代墓室中出土了一件鐵刃銅鉞（yue,古代兵器，形如板斧而較大）。1977年，在北京平穀縣劉家河村商代晚期墓中也發現了一件鐵刃銅鉞。經技術鑒定，這兩件器物的鐵刃部分均係從宇宙中降落在地球上的隕鐵加熱鍛成。到了春秋戰國時期，我國的冶鐵技術出現了三項重大發展。首先是生鐵冶鑄技術，它能從礦石中大量地省力地提煉生鐵，為鑄造各種鐵器打下了基礎。如公元前513年晉國鑄造了一個鐵質刑鼎，就是用生鐵鑄造的。其次是出現了含碳量在0.5～0.6%的中碳鋼，提供了比鐵更硬、銳利的原料。第三是創造了鑄鐵柔化技術。它通過對退火溫度和退火時間的控製這一“熱處理脫碳技術”，增強了鑄鐵的強度和韌性，使生鐵廣泛用作生產工具成為可能，加快了鐵器取代青銅器等生產工具的曆史進程。到了南北朝時期，我國已有了“灌鋼法”，方法是將溶化了生鐵灌到純鐵中去，使純鐵中的含碳量增加而變成鋼。
對古代鋼鐵文物的檢測，由於鋼鐵容易氧化，出土時有很厚的鏽蝕層，再加上鋼鐵材料因冶煉產生的內部不均勻性，分析鑒定比青銅文物困難得多。科技人員通過金相顯微檢驗可獲得文物中鐵碳合金相的內部構造麵貌以及古代滲碳、淬火、回火、鍛打、表麵處理等工藝信息。如隕鐵中鎳密度在5～8%左右，而人工冶煉的鐵中鎳的密度僅含約0.1%。正是通過對含鎳量的鑒定，專家們從而得出了商代的鐵刃銅鉞中的鐵刃部分是隕鐵加工而成的結論。
今天，人們不必經過煉鐵這一步，可以直接由礦石煉成鋼。世界上已取得成功的“一步煉鋼法”就有幾百種。如“等離子體煉鋼”用氫氣和天然氣作燃料，可將礦石直接煉成鋼。為避免重力作用及其它作用的影響，目前一些發達國家還進行了數十次“天外煉鋼”的實驗，煉出的鋼和合金，多用於航天及其它特殊要求的設備上。
最後更新：2017-04-04 07:03:14