1、 铜器时代

1.1 我们生活在材料世界里

我们所生活的世界实际上就是一个巨大的材料馆。“文明”本身就是建立在材料之上，没有了金属、陶瓷、混凝土、玻璃、有机物等材料，我们的文明世界将不复存在。人与动物的根本区别就是能够创造、使用工具。“工具”就是由形形色色的材料所构成。对于人类来讲，材料功不可没，我们的衣食住行无不依赖于各类材料。人类历史曾经以“材料”来划分。

从石器时代，到铜器时代，再到铁器时代……可以说，人类每进入一个新的时代，都是由一种新的材料所促成的。

1.2 青铜的使用与铜器时代

谈到人类文明，铜是绝对避不开的一种元素。铜与金、银还算是近亲，元素周期表上，金、银、铜属于同一族，也就是从左往右数的第11列。铜和金之间，不仅在化学性质上有着很强的关联，而且在文化上也是一脉相承。在我国古代的很多文献中，汉字“金”所指的，其实是铜，比如《过秦论》中提到秦始皇所铸的“金人十二”（图1），说的便是十二尊巨大的铜人[1]。

图1 秦始皇与金人十二[1]

铜是人类最早发现的金属之一，也是人类作为工具最早开始使用的金属。考古学家在伊拉克发掘的由自然铜制造的铜珠，据推测已超过1万年[1]。

最早的青铜器出现于6000年前的古巴比伦两河流域。早期的代表是苏美尔文明时期雕有狮子形象的大型铜刀。

在中国的尧舜禹传说时代，古文献上记载当时人们已开始冶铸青铜器。甘肃马家窑文化遗址出土的单刃青铜刀（图2）是目前已知的我国最古老青铜器，同时也是目前世界上最古老的青铜刀。经14C鉴定距今约5000年。

图2 单刃青铜刀（图片来自网络）

三星堆遗址是20世纪中国考古史上最伟大的发现之一，它体现了5000年前的古蜀文明。1986年，在三星堆遗址发现了震惊世界的两个埋藏坑，里面出土的文物近2000件之多，包括了各种金器、青铜器、玉器、象牙器等等。其中，最令专家惊叹的是三星堆出土的青铜器。发掘出来的青铜器数量之多，制作之精美为世所罕见。这些青铜器表示出早在5000年前我国就掌握了精湛的青铜冶炼以及制作技术[1]，我们的老祖先从那时起便不断尝试精进炼铜技术。铜制器具不仅促成了人类科技的突飞猛进，还催生了其他技术，以及城市和第一次人类文明的出现。

青铜是铜与锡的合金，因长期氧化呈青灰颜色而被称为青铜。青铜铸造业的出现，在科技史上具有里程碑的意义。铜器时代（也称为青铜时代），在考古学上是在新石器时代之后，早于铁器时代之前，以使用青铜器为标志的人类发展的一个阶段，其主要特点是青铜器在人们的生产、生活中占据重要地位。

随着青铜器的广泛使用，农业和手工业的生产力水平得以提高，物质生活条件也渐渐丰富，对提高社会生产力起了划时代的作用。中国的青铜时代为夏、商、西周和春秋战国时代。

1.3 为什么是青铜

在炭火的加热下，铜矿石能够容易还原成铜。例如主要成分为碱式碳酸铜的孔雀石，就可以被炭火燃烧时产生的一氧化碳所还原，在不太高的温度下就可以得到铜。因此，无论是哪个成熟的文明，其冶炼技术的开端都是从炼铜术开始，这绝非偶然。

青铜是金属冶铸史上最早的合金，和纯铜相比，青铜强度高且熔点低。从图3的Cu–Sn相图可以看出，纯铜的熔点为1083 °C，而含质量分数20%锡的青铜，熔点就会降低到约900 °C。

图3 Cu–Sn相图

古代冶炼时的主要燃料是木柴和木炭，将熔炉加热到1000 °C以上还是有一定困难。不像现代，有电、煤、石油、天然气等加热方式，可以轻而易举地将熔炉加热到2000 °C甚至更高。所以熔点降低了近200 °C，是非常有实际意义的。

青铜克服了纯铜器具的固有弱点，其质地坚硬，化学性质稳定，耐磨性好，韧性高，并有持久的金属光泽。青铜铸造性能好，熔液的流动性能好，不像纯铜熔液那样稠黏，利于灌入成型模具，凝固时体积收缩很小，能够铸造尺寸要求精确、器型复杂、纹饰繁褥、花纹清晰的铸件与工艺品。

由于锡比较稀有，青铜时代的人开发了许多精心找出的贸易路线，从康瓦尔和阿富汗等地运送锡矿到中东各文明的中心，就是为了能够冶炼出青铜这一目的。

1.4 精美的青铜铸件

青铜的冶炼和制造如果从新石器时代晚期发现青铜器开始算起，到商代晚期也有数千年的历史了。青铜器分为以下几大类：

1）生产工具。有农业用的锄、铲、䦆，还有实用的手工业生产工具斧、锛、斤、凿、钻、刀、削、锯、锥等。

2）武器。有戈、矛、钺、镞、剑、戟等。

3）礼器和生活用品。包括宗庙中的祭器，会盟时使用的礼器，陪嫁、赏赐和随葬的各种器具。

4）乐器。有铙、鼓等。

5）车马器。装饰在车和驾车马头上的各种青铜器。

青铜的冶炼和青铜器的铸造工艺水平在商代达到相当惊人的高度，有一整套科学的冶铸流程，包括采矿、熔炼、制模、翻范、配料、抛光等。鼎最初是烧煮食物的炊具，逐步演变为一种礼器，是权利与财富的象征。闻名世界的司母戊方鼎（图4）是商代青铜器的代表，它是商王朝王室的青铜祭器，是一个腹部呈长方形，上有两耳、下有四只圆柱形的鼎足。其腹内壁铸有铭文“司母戊”三字，因此称为“司母戊鼎”。该商代重器通高133 cm、器口长110 cm、宽78 cm、质量为875 kg，是目前我国已发现的最大古代青铜器。司母戊方鼎的结构复杂，鼎体饰以饕餮纹，耳上铸有两虎相向张口吞食一人头的形象，耳、身、足是分别铸成后再合成一个整体。它也是目前世界青铜文化中最大的一件青铜器。

图4 司母戊方鼎（图片来自网络）

春秋战国时期青铜铸造技术显著提高，新工艺失蜡法也在此时出现。失蜡法是一种精密铸造方法。先用蜡做成铸件的模型，再用沾浆法将耐火材料敷成外范。加热烘烤后，蜡模全部熔化流出，使整个铸件模型变成空腔。再浇灌青铜熔体，铸成器物。失蜡法铸造的器物玲珑剔透，有镂空的效果。用失蜡法铸造器物，由于采用整模不会出现合范带来的铸痕，表面光滑精细，并且可以铸造相当繁缛复杂的纹样。

曾候乙尊盘（图5）是春秋战国时期最复杂、最精美的青铜器。它于1978年在湖北曾侯乙墓中出土，尊盘通体用陶范浑铸而成，尊足等附件为另行铸造，然后用铅锡合金与尊体焊在一起，尊颈附饰是由繁复而有序的镂空纹样构成，属于熔模铸件。曾候乙尊盘是十大传世国宝之一，它巧妙地运用了分铸和嵌铸技术，巧夺天工，被史学界称为“臻于极致的青铜典范”，中国著名历史学家李学勤说：“镂空做得非常轻巧，我看着它琢磨了半天，甚至不敢用手去碰它”。在科学如此发达的今天，推测这件文物是用失蜡法铸造的，但却不了解具体的工艺步骤，复制文物也难以做到。

图5 曾候乙尊盘（图片来自网络）

1.5 使用青铜制造工具

纯铜制成的物件太软，易弯曲，且很快就钝。人们发现，只要加入百分之几的其他金属，形成合金，就能改变金属的颜色、硬度。把锡掺到铜里去制成铜锡合金——青铜，这样其硬度就得到了很大程度的提升（假如把锡的硬度值定为5，那么铜的硬度就是30，而青铜的硬度则是100~150）。青铜的强度也是随着锡含量的增加而增大（在锡质量分数小于20%时），见图6，在Sn质量分数为20%时，青铜的强度是纯铜的2倍以上。用青铜制造的刀具，要比用纯铜锋利得多。

图6 青铜的强度与锡含量关系

中国在出土的商初青铜器中，青铜的生产工具占相当比重，说明在商代的手工业中，青铜工具（图7）已广泛使用。历年出土的锄、铲等说明青铜的大量使用主要还是从事制作工具。青铜工具在生产中的效用，使青铜冶铸技术日益重要，因而能获得飞速的发展。

图7 青铜工具（a）与青铜兵器（b）（图片来自网络）

在南亚次大陆和东南亚、北亚、南亚，公元前2500年前后，青铜工具（图7（a））和武器（图7（b））广泛使用，有斧、镰、锯、刀、剑、镞和矛头等，手工业匠人对金属的热加工和冷加工都已达到较高的水平，能用焊接法制造金属器具，并刻有铭文。东南亚地区至今发现的最早青铜冶铸中心是泰国乌隆府的班清墓地，青铜器有矛头、手镯、脚镯，矛头（图7）是铸造后再锻打成形的。越南红河流域的青铜文化时期大量地制造铜鼓。菲律宾在公元前600年出现青铜器和铁器，是从大陆沿海经巴拉望岛传入的，其器类与中国南部和中南半岛的相似。卡拉苏克文化的代表性器物为曲柄刀、短剑、锛、弓形器、蹼形垂饰，并有装饰性动物纹样。朝鲜半岛的青铜文化以素面陶为特征。日本的青铜文化从弥生时代前期开始，约在公元前300年前后。

巴尔干和东南欧是一个青铜文化中心，以乌涅茨基文化著称，分布在捷克、摩拉维亚、多瑙河以北的下奥地利、西里西亚以及撒克逊等地。另一青铜文化中心是西班牙东南和葡萄牙南部的埃尔阿尔加尔文化，工具武器有刀、斧、剑、戟、弓箭等。

美洲的青铜手工业最早发生于中南美，以秘鲁和玻利维亚为冶铸中心，然后传到智利、阿根廷西南部和墨西哥，再传到北美。到13~15世纪时南美安第斯山区的印第安人已大量使用红铜、青铜、金、银、铅等金属制造器物。

2、 金字塔与铜

古埃及文明历史悠久、璀璨辉煌，它留给世人最大的瑰宝就是被誉为人类历史上七大建筑奇迹之一的古埃及金字塔（图8）。

图8 埃及金字塔（图片来自网络）

在埃及首都开罗郊外的吉萨，有一座举世闻名的胡夫金字塔，这是世界上最大的金字塔，是世界八大奇迹之一，此乃第四王朝第二个国王胡夫的陵墓，建于公元前2690年左右。据说，10万人用了30年的时间才得以建成。

在1889年巴黎的埃菲尔铁塔建成以前，胡夫金字塔一直是世界上最高的建筑物。高146.5 m；底座每边长230 m以上，三角面斜度52°，塔底面积52900 m2；塔身由230万块石头砌成，每块石头平均2.5 t，最大的重达160 t。如果用火车装运金字塔的石料，大约要用60万节车皮；如果把这些石头凿碎，铺成一条一尺宽的道路，能够绕地球一周。

金字塔是用大量岩石砌成的，与铜有什么关系呢？这无数形状规整、大小相似的岩石，难道是天然生成的吗？显然不是。埃及金字塔就是铜制器具大量应用的结果。建造金字塔用的岩石都是从矿场挖出来，再用铜凿子一块块削成固定大小。据估计，古埃及人挖掘了大约1万t铜矿，制造出30万把铜凿子。这是空前的成就。为了造金字塔，古埃及人制造出了铜凿子来凿出理想的岩石形状。没有金属铜就造不出金字塔。少了金属工具，就算召集再多奴隶也盖不出金字塔。

经过粗略估算，修建金字塔需要500万t石头，需求量虽然庞大，但吉萨附近就可以供应大部分。采石场在金字塔建筑地点南面，约有1500名采石工人在那里工作（图9）。由于铜是古埃及人当时掌握的最硬金属，因此每名采石工人会配有一把铜制凿刀。他们用铜凿刀将巨石凿开小孔，打入木楔，并在上面浇水，木楔浸水膨胀的力量就可以将石块胀裂。

图9 金字塔的施工（图片来自网络）

但铜凿子因为硬度不够，并不适合凿切岩石，拿来敲打岩石很快就会变钝。因此需要另一组人用火将钝凿软化，磨利后过水降温，以便石匠们再次使用。专家估计，铜凿子每敲几下就得重新磨利才能继续使用。建造金字塔的人需要强大的工具（图10），来切割金字塔的石头。埃及人长途跋涉开采铜矿，以获得切割金字塔石料的工具原料。

图10 加工金字塔石块的工具（图片来自网络）

也有的观点认为金字塔是由外星人修建的，还有观点认为，用于制造金字塔的石块，实际上是由几种材料——石灰石、黏土和石灰，在水中混合而成。金字塔内部和外部的石头，似乎都是“重组”的石灰石。当然，这些都有待于进一步考证。

3、 结束语

对青铜冶炼铸造技术的掌握在人类历史上具有划时代的意义，青铜所主导的铜器时代延续了数千年。我们的祖先在数千年之前就已经掌握了精湛的青铜铸造技术，某些方面可能令现代人望尘莫及。青铜的工具还在埃及金字塔的修建中立下了汗马功劳。而且，在现代社会，“铜”在我们的生产和日常生活中仍然发挥着重要的作用。

参考文献

[1]孙亚飞. 元素与人类文明. 北京: 商务印书馆, 2021

作者简介：贾成厂（1949—），男，北京科技大学教授、博士生导师。1982年毕业于北京钢铁学院金属材料系，获学士学位。1987年获日本东北（TOHOKU）大学硕士学位。1990年获得日本东北（TOHOKU）大学博士学位。获国家发明专利30余项。在国内外学术期刊上发表论文300余篇，其中被SCI检索100余篇，被EI检索150余篇。主编、副主编、参编、参译学术专著近20本，获教育部科技进步二等奖、中国冶金教育协会优秀教材一等奖等荣誉。担任《金属世界》编委、特邀撰稿人。

来源：金属世界

来源: 金属世界