易丹青——金属材料与人类文明.ppt

材料的历史易丹青中南大学材料科学与工程学院材料与人类文明人类文明的发展程度与制造工具、生产、生活所用的主要材料息息相关。人类文明重要的发展阶段是用材料来命名的旧石器时代、新石器时代、青铜时代和钢铁时代等材料生产和应用领域的变革加速人类文明由低级向高级的发展:半导体硅材料的出现,微电子工业的诞生-信息时代的到来。目前所知我国最早经人工冶炼的铁是江苏六合出土的春秋晚期的铁条和铁块。经检验,铁条由块炼铁锻成,铁块是白口铸铁。这个事实说明在中国块炼铁和生铁这两种技术可能是同一历史时期发展起来的。殷周时期高度发达的青铜冶铸技术,从矿石、燃料、筑炉、熔炼、鼓风和范铸技术各个方面为生铁的早期出现做好了准备。即冶铁术是从冶铜术内部产生的,一开始就有自己的特点。欧洲十四世纪才有生铁,在此之前,主要使用块炼铁。中国钢铁技术的起源早在公元前十三、四世纪,我国人民就识别和使用了铁。1972年在河北藁城出土的商代中期铁刃铜钺,经检验,铁刃的含镍量在8%以上,是用含镍量较高的陨铁经加热锻打成型后,和青铜钺体铸接的。同样,北京平谷出土的商代中期的铁刃铜钺和河南浚县出土的铁刃铜钺和铁援铜戈(西周初年物,现藏于美国弗里尔博物馆),其铁刃部分含镍,由含镍较高的陨铁锻成。炒铁法制钢—脱碳制钢这种制钢技术出现在西汉时期。开始时将铁铸件的脱碳处理得到熟铁或钢。后来发展成有意识在高温下炒炼生铁料,使之氧化脱碳,成为熟铁或钢。这样产生了一个飞跃,即从铸铁脱碳处理的范畴转变为生铁炒炼成熟铁或钢的技术。在炒铁出现后,到了东汉,铁兵器便全部代替了同兵器。较大的锻铁农具如长达30多厘米的镢和镰增多按照获得途径:天然材料(天然铜、金、陨铁、石材、木材、动物骨和角、竹、藤、天然橡胶)人工制备的材料(金属材料、陶瓷材料、高分子材料)材料的分类按照化学组成:金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料按照主要性质和用途:结构材料(钢铁、铝合金、花岗岩、木材)功能材料(半导体材料、磁性材料、萤光材料、热电材料)人类文明发展进程中材料的重要性1、材料影响并决定生产力的发展水平,生活水平和生活质量2、生产工具是由一定的材料制造的,生产工具决定了工、农业生产的效率;石器时代,人类主要使用石质工具,农业生产效率较低,青铜时代,石质工具和青铜器工具并用。3、人类文明史上,具有划时代意义的发展和进步,都与新材料的发现和使用分不开。青铜、铁器、3、千万年来,人类无数次梦想进入太空,要制造大推力火箭和能返回地面的飞船、材料至关重要。考工记《考工记》是我国最早的手工艺专著,全书7100余字,作者佚名,成书年代尚存争议。有人认为,成书于春秋末年;也有人认为成书于战国初年。考工记采用齐国的度量衡制,作者为齐人,是齐国的官书。考工记有一篇专门论述冶铸青铜器配方的文字叫“攻金之工”。全文如下:“攻金之工,筑氏执下齐,冶氏执上齐,凫氏为声,栗氏为量,段氏为鎛,桃氏为刃。金有六齐,六分其金而锡居一,谓之钟鼎之齐;五分其金而锡居一,谓之斧斤之齐;四分其金而锡居一,谓之戈戟之齐;三分其金而锡居一,谓之大刃之齐;五分其金而锡居二,谓之削杀矢之齐;金、锡半,谓之鉴燧之齐。”青铜器铜/锡比铜(wt%)锡(铅)(wt%)钟鼎斧斤戈戟刀剑箭矢鉴燧6:15:14:13:15:22:《攻金之工》篇计算出来的各种青铜器的铜和锡(铅)比例考工记规定钟鼎类的器物含锡(包括铅)%,现代科学研究表明,这一总结具有高度的科学性。对于打击乐器而言,它符合机械、工艺和声学等综合技术要求。根据曾侯乙编钟研究复制组的实验,当含锡量略大于13%时,基频强度明显增强,音色·变得浑厚丰满,加少量铅不会使音色发生变化,但会使钟的振动阻尼加大,加速衰减,有利于演奏。对于鼎来说,历年来出土的鼎的锡铅含量大多与考工记的记载相近,1939年在河南安阳殷墟出土的司马·戊大鼎,重达875公斤,是世界上现已发现的最大古青桐器,%。完全符合考工记的规定。