古代西方铁兵器的技术指标及与同时期中国的比较

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古代西方铁兵器的技术指标及与同时期中国的比较（修改版）

文章提交者：寄生室 加贴在 历史风云之中国史 铁血论坛 http://bbs.tiexue.net


在我的一个帖子《秦剑和西方青铜剑到底哪个脆》中比较了青铜时代中西方青铜剑的优劣，　　　　　　当时有人问我当时西方的铁兵器性能如何，与中国比怎么样，　　因为我当时没有具体的资料，这个问题只能从侧面去回答，　　现在偶然的机会得到了西方铁兵器的技术资料（这要感谢一位舰船的朋友），这个问题终于可以正面回答了。　　　　先回顾一下秦剑，秦剑含铅甚微，这和走高铅邪路的西方青铜完全不同，合理的铜锡使秦剑韧性和强度结合的恰倒好处，鄂洲博物馆的董亚巍先生复制过秦剑，发现按当时的技术制造的秦剑内韧外坚，内部的硬度低不少，可惜没有给出内部的伸长率，不过可以根据更早时期使用相似技术制作的戈类比，在云南出土的这种戈，“分析表明,外镀层的锡铅含量较高,铜的含量相对于戈体内部来说比较少,戈体内铜的含量相对均匀,锡的含量在8%到18%之间,由外到内锡的含量逐渐减少,”（ 《云南楚雄出土春秋时期青铜戈的理化分析》《云南师范大学学报(自然科学版)》 2003年03期） 　　可见由于铸造时内外冷却速度不同，使内外金相组织不同进而影响了锡的分布，内部的锡含量低到8%， 根据青铜锡含量和性能关系曲线（《纯铜及其铜合金》《冶金丛刊》 1998年06期），这个锡含量的青铜塑性刚好达到峰顶，约33%左右，可见韧性是非常好的。可见秦剑确实是内韧外坚。外部的硬度，兵马俑中出土的秦剑检测数据是106HRB，约290HV。　　　　那么来看看同时期或者更晚时期西方的铁剑：　　　　由于西方锡比较缺乏，要从非洲腹地运来，因此他们比较早就使用铁器了，尽管这时的铁性能并不比青铜有优势。　　　　古代西方一直没有开发出铸铁柔化技术和炒钢技术，兵器一直使用块炼铁，块炼铁是铁矿石在较低温度下还原而成，形成比较纯的铁颗粒和矿渣，呈海绵状，虽然铁颗粒的纯度比较高，但杂质聚合成大量的矿渣分布期间，需要大量锻打将矿渣排出，但锻打也有极限，不能超过二三十次，这里还有金属疲劳问题，所以块炼铁制品整体来说还是含有比较多的杂质，如古希腊块炼铁制作的钢里面的矿渣比较多，有的矿渣达上百微米。矿渣的存在严重影响了铁器性能，对韧性和强度都大大不利。　　　　当时西欧最好的铁出在西班牙，因为那里有很好的铁矿，下面的图片是书的扫描，从西班牙Almedvilla墓出土的铁剑含碳极少，属于熟铁，硬度仅有95~135HV。还不到秦剑的一半。另外的一把剑含碳稍高，约0.2%~0.3%，但它的硬度也只有70  ~  117HV。可这已经是公元前二世纪了，已经到中国西汉时期，环首铁刀已经开始取代剑，各种渗碳技术、热处理技术已经大量使用了。　两把Basel博物馆里的凯尔特长剑，“not very much better",　　一个含碳量0.04～0.1％，也是熟铁，不过硬度达到160～191HV，　　 　　另一个相对“well piled",含碳量0.15～0.5％，最高硬度达到286HV，确实和秦剑相差无几。不过这把剑已经是少有的精品了，“This is very much better than any of the other weapons......"　　　　它们也是没有经过热处理的“No attempt had been made at heat-treatment"　　　　对湖南长沙杨家山出土的春秋晚期钢剑的分析表明,其含碳量为0.5%左右,属块炼铁渗碳钢制品,其年代为公元前6世纪左右。　　　　看来西方的铁兵器出现的是比较早，可是碳含量太少，根本不是钢，所以中国使用钢兵器甚至还早于多数西方地区。

[ 本帖最后由 zglcl007 于 2005-9-21 13:35 编辑 ]

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再看罗马的：　　著名的罗马短剑Gladius和公元2世纪后出现的长剑Spatha都是没有经过热处理的，　　德国地区出土的Gladius虽然内外含碳量不同，但硬度都没有超过200HV的。居然还没有到秦剑的水平。　　　　看来有些人又是撒谎的，罗马的金属热处理技术其实很差。居然铁剑都不经过淬火，　　战国时期燕下都出土的普通士兵用的铁剑都经过淬火，　　而且上面提到的湖南长沙杨家山出土的春秋晚期钢剑已经出现回火组织了，这是在淬火技术基础上发展出来的热处理技术。　　　　这些都是比罗马时代早，　　“对徐州狮子山楚王陵出土的4件凿刀的金相分析表明,该4件凿刀都经过对刀头的局部淬火处理,以获得刀头硬、刀体韧的效果。对在山东苍山汉墓出土的环首钢刀、陕西扶风汉墓钢剑和汉代刘胜错金书刀的分析也表明,这些刀剑仅在刃部观察到马氏体,剑的脊部未见淬火组织，可见我国先民至迟在公元前二世纪已掌握了局部淬火技术。”　　　　“……例如通过对易县燕下都发掘的战国晚期的矛和镞铤的分析发现,这两件铁器为块炼铁渗碳钢产品,其含碳量分别为0 20%和0 25%,内部组织由铁素体和珠光体构成,珠光体具有很宽的片间距,金相分析结果表明,这与今天的奥氏体在空冷即正火处理所获得的组织相似……”　　在古代,淬火器物太硬,退火器物又太软,采用冷却速度适中的空冷,既省钱又省力。　　我国汉代的工匠对铸铁脱碳得到的低碳钢和中碳钢制造的器具很多不用淬火,而采用这种工艺。（唐电. 邱玉朗《中国古代金属热处理——试论退火、淬火、正火与回火》 《 材料热处理学报 》 2001年02期 ）　　　　公元前二世纪中国已经有局部淬火技术了，刃部经过淬火有很高的硬度，而脊部仍然保持很好的塑性和韧性。　　到了东汉末年还出现了土包埋淬火，也就是将剑脊部分用黏土封住，这样淬火时就仅有刃部分被淬火提高硬度，这种技术在明代之前使用比较普遍。这种技术后来传到了日本，日本刀至今还在使用这种技术。　　在某人的一个帖子中极力推崇日本的这种土包埋淬火技术，并且以此嘲笑中国的局部淬火技术，殊不知日本人的这一套恰恰是跟我们老祖宗学的。

[ 本帖最后由 zglcl007 于 2005-9-21 12:53 编辑 ]

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这是罗马铁兵器性能列表，

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注意到了公元4世纪，罗马的大多数铁刃硬度还是没有达到秦剑的水平，　　有两把工具小刀的硬度达到369HV和720HV，后者接近HRC50，　　但这是什么时候了？秦剑已经是600年前的技术了，要比也要和这时的中国比了。　　中国已经到了东晋时期，百炼钢已经成熟了数百年，顺便说一句，百炼钢技术并非失传，知道上个世纪三十年代中国的北方很多地区制作的折花钢剑就是百炼钢的传世技术。　炒钢技术的好处是没有象块炼铁那样的矿渣，质地均匀，杂质很少，　　　　如《扶风汉代钢剑的科技分析》《考古与文物》1999年03期上的这把公元前的钢剑，　　　　即使使用扫描电子显微镜能谱仪这种高灵敏度的仪器进行分析，发现该剑心部硅、锰、磷、硫都含量甚微甚至未有显示。　　西汉铁生沟遗址出土的炒钢料含碳1.288%、硅0.231%、锰0.017%、磷0.024%、硫0.022%，硫磷的含量降低到现代高级优质钢的标准（含磷量≤0.035%、含硫量≤0.030%）。同时出土的另一块熟铁料含碳0.048%、硅2.35%、锰微量、磷0.154%、硫0.012%，也达到了现代熟铁的标准，这个熟铁是作为铁器的锻打原坯，在锻打过程中铁料在红热状态下暴露在空气里，使硫、磷杂质进一步氧化脱除，而且锻打能使碳、硫、磷迁移富集，“造渣”形式脱除。所以中国的钢剑成品的有害物质硫磷的含量降低到检测不出来。对于99.76%都是高硫磷矿的中国本土矿石来说，中国人以自己的智慧弥补了自然造化的不足，而不是像印度欧洲一样拜天所赐有直接获得高质量铁矿石的便利，这是难能可贵的。　公元前4世纪战国燕下都遗址的普通士兵用的钢剑，由含碳量0.5～0.6％的高碳层和0.15～0.2％的低碳层多层相间组成，其制作方法是不同含碳量的块炼铁薄片对折叠合在一起锻打成型，经900度淬火，得到刚柔相济的效果。剑芯部索氏体较多，刃部马氏体较多，内韧外坚。　　刃部硬度达到530HV，远比六百年后的罗马剑高的多。公元前2世纪西汉刘胜墓的错金书刀，也是低碳钢渗碳叠打而成，经过表面渗碳，最后局部淬火，刃部硬度570HV，刀背表面硬度260HV,芯部硬度HV140。也是内韧外坚。　　　　刘胜的佩剑刃长达86.5厘米，宽3.4厘米，也是叠合锻打渗碳和局部淬火，每层钢层厚度仅为0.05～0.1CM,已经是花纹钢了，刃部硬度达900～1170HV，比日本刀还硬，芯部硬度220～300HV，韧性是相当好的。　　（《中国古代块炼铁技术》《粉末冶金材料科学与工程》 1999年01期）这些都是公元前2世纪之前的中国铁兵器，不仅同时期的著名的西班牙和凯尔特铁剑没得比，就连五六百年后的罗马剑也远不能望其项背。秦剑的韧性，我帖子一开头就讲了，根据春秋时期戈的理化分析，青铜内部的含锡量低到8％，对应的塑性达到33％，比西方铅青铜剑高了10倍多，　　　　所以韧性对于秦剑来说是根本没有问题的。　　　　至于抗压，抗拉，这是强度指标，秦剑外部含锡量17~20%,根据那个曲线，也正是处于强度顶峰位置。　　　　而到公元前2世纪，著名的凯尔特长剑还是用熟铁来做，因性能好而著称的西班牙铁剑更是如此，硬度低的可怜，而且质量也参差不齐。　　看来西方人对铁器处理的各种技术并没有熟练掌握,不仅锻打不充分，而且热处理技术跟本就没有应用，看来这点有些人的说法是太抬举他们了，抬举的有点撒谎了。　　　　而且这种熟铁剑由于是块炼铁制作，看来是没有经过充分的锻打的，不然含碳量不会如此低，因而内部肯定存在大量的矿渣，是不能指望它有多好的强度和塑性的。　　如上面那个含碳量0.2～0.3％的西班牙剑，硬度仅为秦剑的1/3，比另一把0.04～0.1％含碳量的剑还低不少，看来就是内部的矿渣使然。从前说西方士兵用熟铁做的铁剑打仗，一刺就弯，要用脚踩直再刺，根据上面的数据，看来这个说法完全可信。这样的武器来对付比这还早的秦军，结果可想而知。　　　　而罗马剑到了4世纪居然还不经过热处理，真让人感到奇怪。   罗马的少数工具用铁确实是经过淬火的，如上面提到的那两把4世纪的小刀。　　有人也以罗马的小刀小凿用过淬火为证据来猜测罗马剑也是一定经过热处理的，结果忽悠出罗马短剑刃的硬度达到55HRC。　　　　现在看来这确实是胡说了，　　　　小刀小凿这些都是生产或生活使用的，根本不是兵器，平时切切削削足够了，用不着多大的韧性。而兵器和小刀工具的要求是完全不同的。 　　　　罗马地兵器到4世纪还是没有经过热处理，　　对这点书上写的也很清楚，为什么兵器不热处理：“presumably in order not to make it brittle" 　　　　可见，是因为罗马人无法解决兵器淬火后变脆的问题，他们没有中国人早就有的局部淬火和回火等技术，虽然硬度不够，但他们可以忍受。罗马人为什么“偏爱”短剑也是这个原因，有人说他们一手执盾所以剑不能长，但根本不是这个原因，30多厘米长的刃，即使拿盾也确实不顺手，而且要刺杀只能贴身肉搏，这是很危险的，刃长60厘米以上才符合人体工学，刺杀用着才顺手。 　　　　他们的铁太软，剑又是主要用于刺，所以不能做长，如此软如果稍微长一点就更容易刺弯。所以罗马人只能如此将就，他们的短剑一直都不能砍，也有这方面的因素。 　　　　刺杀恺撒的是多个人围住一起刺，身中多剑才死，布鲁图拿的是短匕首，当然越短越不容易弯。　　　　凯尔特长剑全长也不过60多厘米，前面的数据表明他们的铁也是比较软，不过比西班牙剑和罗马剑还是要硬一些，故能做的稍长，不过这个长度比起秦剑以及一米多长的楚国燕国的铁剑，可是差太多了。

[ 本帖最后由 zglcl007 于 2005-9-21 12:54 编辑 ]

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[ 本帖最后由 zglcl007 于 2005-9-21 12:56 编辑 ]

血润寒锋

学习贴 顶一个。端枪的手就是不一样啊！

soso

好贴,这样技术性强的帖子,应该强顶.

fox001

学习了

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从上面看来罗马4世纪的铁兵器性能并不比青铜有多少优势，西方锡比较缺乏，青铜用锡要从非洲腹地运来，这可能是他们很早就使用铁兵器的一个原因。不过中国由于铸铁以及铸铁柔化技术出现的早，铁制生产工具的普及要比欧洲早，中国的富铁矿较少也是一个原因。
不过考古发现欧洲的多数富铁矿在工业革命前并没有被利用，而且铁具普及的地区多数都是铁矿附近。

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《秦剑和西方青铜剑到底哪个脆》--- 反方，攻擂

《秦国武器的误区与探讨》----  擂主

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我们通常说的“铁”分“生铁”和“熟铁”两种，包括“钢”在内，都是以铁（Fe）和碳（C）两种元素为主的一种合金。人们通常把含碳量在0.05%以下的叫熟铁，0.05%到2.0%的叫钢，2.0%到6.67%的叫生铁。

人类早期炼得的熟铁通常叫块炼铁，它是铁矿石在800到1000摄氏度左右的条件下，用木炭直接还原得到的。出炉产品是一种含有大量非金属夹杂的海绵状固体块。块炼铁和生铁比较起来，有如下几个缺点：一是它不能从炉里流出，取出铁块时，炉膛要受到不同程度的破坏，不能连续生产，生产率比较低，产量比较小。二是成形费工费时。三是所含非金属夹杂比较多，要通过反覆锻打才能排除。四是含碳量往往比较低，因而很软。生铁的冶炼温度是1150到1300摄氏度，出炉产品呈液态，可以连续生产，可以浇铸成型，非金属夹杂比较少，质地比较硬，冶炼和成形率比较高，从而产量和质量都大大提高。由块炼铁到生铁是炼铁技术史上的一次飞跃。
我国钢铁冶炼技术的发展道路和世界各国是不完全相同的。国外一般是先有块炼铁，经过长期缓慢发展之后才有生铁。國外最早的块炼铁据说是公元前1200年前后发明出来的（有土爾其境內赫梯族Hettler BC1200之說），但是直到公元十四世纪才有生铁。我国却不是这样。我国冶铁术不晚于商代中期，而且早在春秋時期已発現有生铁冶铁术，这就表明我国是世界上最早发明并使用生铁的国家。

1972年在石家庄藁城台西商代遗址中出土的铁刃铜钺，是目前我国发现的年代最早的铁器，也是人类最早使用和制造的铁器；而台西发现的铁矿石和经冶炼的铁矿渣，证明在3400多年前石家庄的先人已掌握了冶铁技术，為世界最早的铁矿渣。

我国现已发现确属春秋晚期的铁器共有九件；1951年在湖南长沙识字岭楚墓出土凹口锄一件；1952年在长沙龙洞坡楚墓出土刮刀一件；1958年在常德楚墓出土刮刀一件；1964年在江苏六合程桥吴墓出土铁丸一件；1972年在程桥另一吴墓出土铁条一件；1976年在长沙杨家山楚墓出土剑一件、刮刀一件、鼎形器一件；1978年在河南淅川下寺楚墓出土玉茎剑一件。上述楚吴铁器遗物经金相鉴定，杨家山铁剑系渗碳钢，程家桥铁丸是白口生铁，杨家山鼎形器是白口铸铁，程桥铁条则为块炼锻件。

战国中晚期，铁器在我国农业、手工业生产中占据了主导地位。据不完全统计，目前出土的战国铁质生产工具大约十六种左右，其中多数是生铁和它的柔化处理件，块炼铁处于辅助地位。这表明这时我国生铁生产已经有了比较大的发展。
我国生铁技术发明比较早的原因是多方面的，我们以为在技术上至少应包括以下几点：一是我国冶铜术中很早就使用了比较强的鼓风装置。二是很早就对冶炼用的原料进行了比较好的选择和处理。三是很早就发明了比较高大的冶炼竖炉。一般认为，我国生铁技术的发明和发展同青铜技术有密切的关系。

可锻铸铁
可锻铸铁原是白口铁经高温退火得到的一种高强度铸铁，具有一定的塑性和冲击韧性。依热处理条件的差别，又可分成白心可锻铸铁和黑心可锻铸铁两种：白心可锻铸铁以脱碳为主，又叫脱碳可锻铸铁；黑心可锻铸铁以石墨化为主，又叫石墨化可锻铸铁。
国外的白心可锻铸铁是公元1722年由法国人首先发明的。公元1826年，美国人又发明了黑心可锻铸铁。此后一个相当长的时期里，人们都把白心可锻铸铁叫做“欧洲式可锻铸铁”，把黑心可锻铸铁叫做“美洲式可锻铸铁”。其实，这两种可锻铸铁，我国早在两千多年前都已经发明了。
“洛阳水泥制品厂战国早期灰坑遗址”出土过一件铁铲，铲体基本锈蚀，只在銎（qióng）部（装柄的孔）有部分金属残留，在金相显微镜下显示了黑心可锻铸铁组织，基体是铁素体，上面分布着团絮状退火石墨。这是到现在为止世界上经过科学分析的最早的铸铁可锻化退火处理件。战国中晚期后，可锻化处理工艺有了比较大的发展，主要表现在：第一，分布地域更广了。在北方，目前经分析过的有河北易县燕下都遗址的铁钁、铁锄、铁鐏等，在南方有湖北包山出土的空首斧、湖南长沙出土的铁铲等。第二，部分器件已经处理得比较好，器件断面基本上是可锻铸铁组织，中心没有白口铁残余，如燕下都的铁鐏等。汉代到南北朝时期，铸铁可锻化技术发展到比较成熟的阶段：一是使用范围有了进一步扩展。近年在山东薛城、河南南阳、渑池和巩义市，北京清河和大藻台，湖北铜绿山等地，都发现了这类器件。南阳瓦房庄出土的农器有十二作，经过分析，九件是普通可锻铸铁，两件是铸铁脱碳钢，只有一件是白口铁。二是技术水平有了进一步提高。凡处理过的器伴，中心很少有白口铁组织残留，石墨发育比较好，形态多和现代可锻铸铁相当。这些可锻铁中，有白心的，也有黑心的，多数是农具。

铸铁可锻化处理有十分重要的意义。在常温下，碳在铸铁中主要有两种存在形式：一是化合态，主要是渗碳体；二是自由石墨态，有条状、团絮状、球状石墨等。碳的存在形式不同，同一成分的铸铁，性能也是不尽相同的。白口铁中，碳全部以渗碳体形式存在，因渗碳体硬度很高，塑性极低，所以白口铁性硬而脆。通过可锻化处理，白口铁中的碳或以自由石墨态形式析出，或因氧化而去除，从而使材料强度提高，硬脆性减少，综合机械性能得到改善。战国中期以后，我国在农业、手工业中这样广泛地使用了铁器，可锻铸铁的发明和发展是起了重要作用的。

球墨可锻铸铁
球墨可锻铸铁因所含石墨呈球状而得名。它有比较高的强度、塑性和韧性，铸造加工性能也比较好。
1974年，河南渑池发掘了一个北魏铁器窖，里面藏有从汉代到北魏的铁器四千多件，种类有生产工具、兵器、日用器皿以及铸范、铁材等。有一件铁斧，整体经过脱碳退火处理，器件断面大部分相当于含碳百分之○·四的中碳钢，没有石墨析出。但在銎的底部发现有球状石墨，直径是二十微米，分布在平均厚度约三，二毫米、总长五十毫米的U形断面上，共约三十颗，外形比较规整。这类具有球状石墨的铸件在南阳瓦房庄、巩义市铁生沟等两汉冶铸遗址也有发现。特别值得指出的是巩义市铁生沟一件汉代铁钁，它的石墨发育良好，有明显的核心和放射性结构，和现行国家球墨铸铁标准一类A级相当。从现有研究资料看，这种球状石墨应是白口铁退火过程中得到的。
在国外，铸态球墨是1947年后使用了加入球化剂的方法才得到的。多年来，人们一直试图用白口铁退火的方式来获得球状石墨，但是难度很大。我国古代生铁含硅量长期偏低，在低硅的情况下，我国人民不但生产了大量具有絮状石墨的可锻铸铁，而且生产了部分球墨可锻铸铁，这在世界冶金史上是十分罕见的，实在难能可贵。

炼钢技术
1．炒钢
炒钢因在冶炼过程中要不断地搅拌好像炒莱一样而得名。
炒钢的原料是生铁，操作要点是把生铁加热到液态或半液态，利用鼓风或撒入精矿粉等方法，令硅、锰、碳氧化，把含碳量降低到钢和熟铁的成分范围。炒钢的产品多是低碳钢和熟铁，但是如果控制得好，也可以得到中碳钢和高碳钢。
炒钢工艺不晚于发明于戰國時期。1976年4月，在长沙杨家山65号墓发掘出土一把钢剑。剑茎作圆柱形，中脊隆起，通长38.4厘米，身宽2－2.6厘米，断面可看出是经过反复煅打的层次有七至九层，可能还经过高温退火处理。经金相鉴定，为含有球状碳化物的碳钢，含碳量约0.5%，这是我国目前发现最早的一柄钢剑。近年在河南巩义市铁生沟、南阳瓦房庄等处都发现过汉代炒钢炉遗址。巩义市遗址断代是西汉中期到新莽，瓦房庄遗址使用时间比较长，由西汉中期到东汉晚期。另外，铁生沟还出土了一些炒炼产品，经分析，有的含碳量是百分之一·二八，有的是百分之○·○四八。文献上关于炒钢的记载最早见于东汉《太平经》卷七十二，书中说：“使工师击治石，求其铁，烧冶之，使成水，乃后使良工万锻之，乃成莫邪耶。”这“水”应指生铁水。“万锻”应指生铁脱碳成钢后的反覆锻打。
炒钢的优点是成分可适当控制，生产率比较高，质量也比较好。在现代，人们常把由矿石直接制钢的工艺叫一步冶炼或直接冶炼，而把先由矿石冶炼成生铁、然后再由生铁炼钢的工艺叫两步冶炼或间接冶炼。炒钢的生产过程也分两步：先炼生铁，后炼钢。因而在某种意义上说，炒钢的出现便是两步炼钢的开始，是具有划时代意义的重大事件。它进一步促进了我国古代铁器的广泛使用和社会生产力的发展。十八世纪中叶，英国发明了炒钢法，在产业革命中起了很大的作用。马克思怀着极大的热情给予了很高的评价，说不管怎样赞许也不会夸大了这一革新的重要意义。

2．百炼钢
“百炼钢”以一种含碳量比较高的炒炼产品作为原料，操作要点是反覆加热锻打，千锤百炼。现在见到的最早百炼钢实物是东汉晚期的制件。1961年日本大和栎本东大寺古墓出土一把东汉灵帝中平年间（公元184年到189年）的纪年钢刀，上有错金铭文“百练清刚”字样。“练”就是“炼”，“刚”就是“钢”。在文献中，“百炼钢”一词最早也见于东汉晚期。曹操作宝刀五枚，称誊是“百炼利器”；陈琳（？—217）《武军赋》说：“铠则东胡阙巩，百炼精钢。”这些实物和文献都说明了百炼钢工艺已经兴起。除百炼钢外，我国古代还有“卅炼钢”、“五十炼钢”等说。1974年，山东苍山出土过一把东汉安帝永初六年（公元112年）大钢刀，上有错金铭文“卅湅大刀”字样；1978年徐州铜山出土一把东汉章帝建初二年（公元77年）大钢剑，上有“五十湅”字样；在文献注录中还有东汉和帝永元十六年（公元104年）“卅湅”金马书刀等物。看来，标以“炼数”的制钢工艺至迟在东汉早期就已产生。
宋代沈括《梦溪笔谈》卷三曾对百炼钢的工艺操作作了比较详细的记载，说把“精铁”锻炼一百多火，一锻一称一轻，待到斤两不减，就成“纯钢”了；“凡铁之有钢者，如面中有筋，濯尽柔面，则面筋乃见。”沈括所说的“精铁”，不应是生铁，也不是现代意义的熟铁，由建初“五十湅”长剑、永初“卅湅大刀”等器物的科学考察，以及有关文献来看，应是含碳量稍高的一种炒炼产品。这种炒炼产品所含非金属夹杂是比较多的。一锻一称一轻，是因为逐渐排除这些夹杂，氧化铁皮不断产生并脱落了。说最后“斤两不减”，这是相对来说的，实际上，不断地加热锻打，氧化铁皮不断地产生又脱落，重量总要不断减轻的。渗碳和脱碳都不是百炼过程的主要环节。百炼铜工艺的主要操作是反摄加热锻打。锻打可以去除夹杂，减小残留夹杂的尺寸，使成分均匀，组织致密，有时也可以细化晶粒，从而使材料强度大大提高。曹植（192—232）在他的《宝刀赋》中称赞百炼钢刀能“陆斩犀革，水断龙舟”，沈括在《梦溪笔谈》卷三中说百炼钢“其色清明，磨莹之，则黯黯然青且黑，与常铁迥异。”这都说明了百炼钢性能的优良。
百炼钢是在块铁渗碳钢反覆锻打的基础上，伴随着炒钢技术、刀剑工艺的发展而兴起的。“十炼”，“三十炼”的说法在公元前一世纪的西汉后期就已出现，最初是用在炼铜上的。魏晋时期百炼钢发展到了鼎盛的阶段，之后，虽因一些技术和社会的原因而有所减弱，但一直沿用到了明清时期。百炼钢制作比较艰难，成本比较高，主要用来制造宝刀、宝剑等一类贵重器物，它凝聚着我国古代劳动人民的勤劳和智慧，一定程度上反映了当时金属冶炼和加工技术的先进水平。

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3．铸铁脱碳钢
铸铁脱碳钢是用热处理方法制作出来的。它的操作要点是先生产出白口铁铸件，然后在氧化性气氛中脱碳退火，使含碳量降低到钢的成分范围以下，不析出或很少析出石墨。它的金相组织同近代的钢和熟铁相似。
铸铁脱碳技术大约可以追溯到战国早期。洛阳水泥制品厂战国早期灰坑遗址出土过两件铁锛，对其中一件的銎部作了金相分析，知道它的表层已经脱碳，稍里是珠光体，中心是白口铁组织。这表明铁锛进行过不完全的脱碳退火处理，应属铸铁脱碳钢的前身或早期阶段。经秦、汉、魏、晋到南北朝时期，这项技术发展到相当成熟的阶段，主要表现在：第一，进行这种处理的器物更多了。近年在北京大葆台、河北武安和河南渑池、南阳瓦房庄、郑州古荥镇、鲁山望城岗等处都有发现，种类有铁斧、铁剪、铁铲、铁小刀、铁凿、铁笄、铁犁、铁铧等成形件，以及梯形和长方形的小铁板等半成品件。第二，多数器件的整个断面都已经脱碳成钢或熟铁，中心再没有白口铁组织残余，没有或只有微量石墨在晶粒间界析出。第三，部分器件在整体脱碳成钢或熟铁后，经过局部锻打、刃部渗碳或其他加工，获得了更加良好的使用性能。第四，铸铁脱碳钢主要用作手工业工具的斧、剪以及农具的镰一类锋刃器，而一般可锻铸铁主要用作农具的锄、钁、铲一类，至于铁釜、铁范、轴承一类生活用器、生产工具和交通用具，多用白口铁和灰口铁制作，说明当时人们对这些材质的性能已经有了相当认识，也说明铸铁脱碳钢技术、可锻化处理技术已经达到比较高的水平。南北朝时期以后，由于炒钢等冶炼工艺和加工工艺的发展等，铸铁脱碳钢技术、可锻铸铁技术逐渐失去了它们在生产中的重要地位，唐代以后就很少看到了。
铸铁脱碳钢的发明具有十分重要的意义。古代一般是没有铸钢的，而锻钢生产率很低，加工成形比较难，所含杂质比较多。我国古代利用生铁生产率比较高、容易成型、夹杂比较少的优点，通过脱碳退火的办法，得到一种组织和性能同近代铸钢相近的铸件，这是我国古代冶金技术上的一项重大发明。

4．灌钢
所谓“灌钢”，用宋代苏颂的话来说，就是“以生柔相杂和，用以作刀剑锋刃者”。“生”就是生铁，“柔”应是一种可锻铁，只从含碳量看，应包括现代意义的钢和熟铁。所以依苏颂所说，灌钢是由生铁和可锻铁在一起冶炼得到的、用来制作刀剑锋刃的一种含碳比较高、质量比较好的钢。
灌钢发明时间似可追溯到汉魏晋时期。东汉末年王粲（177—217）的《刀铭》中说：“灌襞已数、质象已呈。”西晋张协《七命》中说：“乃炼乃烁，万辟千灌。”“辟”同“襞”，意思就是“叠”，指钢铁材料的多层积叠，多次折叠。“灌”应指“灌炼”，就是“灌钢”。
南北朝时期，灌钢工艺有了一定的发展，南朝梁代陶弘景说灌钢是“杂炼生鍒作刀镰者”。既然灌钢已用作刀、镰一类普通生产工具和生活用器，可见它的生产已经比较普遍。北朝东魏北齐间的綦毋怀文用灌钢制造了一把大钢刀，叫“宿铁刀”，“斩甲过三十札”，非常锋利。
在历史上，灌钢有过好几种不同的操作工艺。一种是把生铁和柔铁片捆在一起，用泥封住，入炉冶炼，如沈括《梦溪笔谈》卷三所说：“用柔铁屈盘之，乃以生铁陷其间，泥封炼之，锻令相入，谓之‘团钢’，亦谓之‘灌钢’。”一种是把生铁放在熟铁（可锻铁）片的上面，生铁先化，渗淋到熟铁中，如宋应星《天工开物》卷十四所说：“用熟铁打成薄片如指头阔，长寸半许，以铁片束包尖紧，生铁安置其上，又用破草履盖其上，泥涂其底下，洪炉鼓鞲，火力到时，生钢先化，渗淋熟铁之中，两情投合。取出加锤，再炼再锤，不一而足。俗名团钢，亦曰灌钢者是也。”一种是“苏钢”，它是灌钢发展的高级阶段，灌钢的优点在这里得到了最充分的表现。
苏钢操作的要点是：先把熟铁料放到炉里鼓风加热，后把生铁的一端斜放到炉口里加热。当炉温达到一千三百摄氏度左右时，炉里生铁不断熔滴，熟铁料已经软化，使用钳子钳住生铁块，使铁水均匀地浇淋到熟铁料上。浇淋完毕后，停止鼓凤，夹出钢团，砧上锤击，去除夹杂。一般要渗淋两次。苏钢冶炼高明的地方有两点：一是熟铁组织比较疏松，所含氧化夹杂比较多，硅、锰，碳含量比较高，灌炼时氧化反应比较剧烈，有利于渣、铁分离。二是熟铁所含铁氧化物和生铁中的碳作用后，部分铁可被还原出来，提高了金属收得率。
灌钢以生铁和可锻铁作为原料，灌炼操作在生铁熔点以上进行，因此生产率比较高，渣、铁分离比较好；人们可以通过控制原料配比和鼓风等操作来控制产品成分，因此产品质量也比较好。在公元1740年坩埚液态炼钢法发明以前，世界上制钢工艺基本上属于固态冶炼和半液态冶炼，渣、铁分离比较难。像灌钢这样，成分比较容易控制，渣、铁分离也比较好，在古代制钢技术中是十分罕见的。


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