泉州海船的载重估计为200吨，约合宋时的三千六百料。在宋代，造船业制定了以料（一料指载粳米一石，重宋斤九十二斤半，约合55公斤）作为造船和运营的基本单位的制度，这是造船业科学水平提高的表现。当时的大海船的载量比这艘船要大，如《梦粱录》卷一二所说，“大者五千料”，则是载重量约300吨的船，在当时已经很为可观。
大船在海洋中航行，“夜则观星，昼则观日，阴晦则观指南针”（宋·朱彧《萍洲可谈》，1119年成书）。宋·徐兢《宣和奉使高丽图经》（1123年成书）也说：“若晦冥，则用指南浮针，以揆南北。”有关指南针的早期记载，见于宋·杨维德的《茔原总录》（1041年）。它的应用于航海，应不晚于11世纪。宋代的船用指南针之实物未见。但在河北磁县、江苏丹徒、辽宁旅大等地出土的元代针碗，有的在碗心画出用三枚浮漂托起来的磁针，有的在碗底还写出“针”字，表明它们即“指南浮针”所用针碗。至于所谓“夜则观星”，就是以星辰定位。多为测北极星与其他天体的海平高度，从而换算出船在南北方向上的纬度。《汉书·艺文志·数术略》著录有《海中星占验》、《海中五星经杂事》等书，多达一百三十六卷，它们的内容应与天文导航有关。到了14、15世纪时，航行在南中国海和印度洋的海船上用以测星的工具为牵星板，其测量方法叫牵星术。牵星板在明·李诩《戒庵老人漫笔》中有记载：“牵星板一副十二片，乌木为之，自小渐大。大者长七寸余，标有一指、二指以至十二指，俱有细刻若分寸然。”目前学术界对其用法意见尚不尽一致。大体上说，使用时应左手持木板，右手牵紧自木板中心穿出的绳子，目光随绳端望去，使木板上缘对准星体，下缘对准海平线，即可量出星体的高度。这种方法以前认为是阿拉伯航海家发明的，测量星体高度的计量单位“指”，也认为得自阿拉伯语的Issaba（手指），1 Issaba=1°36′。但华南师范学院、北京天文台等单位组成的航海天文调研小组发现“指”这一角度测量单位，早在长沙马王堆3号汉墓出土的帛书《五星占》中已经使用。唐代的《开元占经》引用的汉代著作《巫咸占》中，也有金星和月亮的纬度相去最远时是5指（合9.5度）的记载，1指折合1.9°。因此学术界又认为牵星法是中国传统测天计量法和阿拉伯航海测天技术互相融合并加以改进之后形成的。指南针与牵星板当时对航行来说均不可或缺。指南针指引航线，“进某澳，转某门，以至开洋、避礁、避浅，皆以针定”（《松江府志》）。指南针指示的航线叫针路，记载针路的专书叫《针经》。而用牵星板进行天文观测的结果则被编成过洋牵星图（即天文航海图）。明代的过洋牵星图还有四幅在《郑和航海图》中保存至今。郑和出洋时，“累次校正针路、牵星图样”（《顺风相送·序》）。《针经》和《牵星图》是航行中至要之件，交船师掌管，“以针经、图式付与领执，专一料理，事大责重，岂容怠忽”（《西洋番国志》）。因为正确使用此二者，就可以保证航线不出偏差。
明代郑和下西洋，是我国航海史上最重大的事件之一。但郑和船队中最大的宝船到底有多大，一直是一个没有完全解决的问题。据《明史·郑和传》所记为“修四十四丈，广十八丈”。谈迁《国榷》也记为“长四十四丈，阔一十八丈”。长四十四丈、阔十八丈这个数字乍看起来或不感觉奇怪，但折合成公制时，则长度为150米，阔为61米；排水量当在三万吨左右。新中国于1979年建成的远洋科学考察船向阳红10号，总长为156.2米，排水量13000吨，当时是世界上同类船型中最大的一艘；且于2006年荣膺“中国十大名船”称号。而一艘明代的木船比它还大，这就令人不得不产生疑问。古文献中所记科学技术方面的数字，往往需要认真复核。例如《晋书·王浚传》说他：“作大船连舫，方百二十步，受二千余人。以木为城，起楼橹，开四出门。其上皆得骑马来往。”虽然不能说其中没有史实的影子，但数字不可尽信。当时的一百二十步合170多米。长宽各170米的大连舫，在长江中无论扬帆、撑篙、划桨或拉纤都难以操纵。如任其顺流而下，在半途不是搁浅就是撞岸了。对此，连宋代的邵博都曾提出怀疑（《邵氏闻见后录》卷八）。
再从结构强度上分析，大型木船在波浪中航行，船体愈长，则所受拉、压力应愈大。若依上述尺度进行计算，宝船就需要有340毫米厚的船底板和380毫米厚的甲板，才能承担它所受的弯矩。而使用如此之厚的板材实际上做不到，所以对《明史》记载的尺度进行复核是有必要的。
1957年南京市文管会在明代宝船厂遗址发现了一根长11.07米的铁力木舵杆。这根舵杆可以成为复核上述尺度的根据之一。上海交通大学造船系杨槱教授等人认为此舵杆所属之舵为排子舵型，舵的面积较大（图5-25）。而根据制造木海船的老工人的估算方法，面梁一般与舵杆长相当，那么装此舵之船的长度只能在60米左右。又据舵杆的长度，李邦彦先生计算出来的船长是57.8米。而根据南京《静海寺碑》所记，郑和下西洋的船是“二千料海船”和“一千八百料海船”（《东方杂志》第43卷第1号）。那么，它的长度不过十余丈，显然偏小。不过据上述两种舵杆之长计算出的船的长度相当接近，可供参考；它的排水量应在1200吨左右。比起葡萄牙航海家达·伽马所用之300吨的船及哥伦布所用之280吨的旗舰来，落在当时世界各国的航海家眼里，也算得上是一艘骇目耸听的大船了。
图5-25 明代大海船上的舵，据南京中保村出土明代铁力木舵杆复原
六 冶 金
谈冶金，得先从铜的冶炼谈起。这项技术在我国出现得比西方晚。可是西方的早期铜器除红铜制品外，主要是用砷铜和镍铜。我国则不然。早期铜器如陕西临潼姜寨仰韶文化遗址中的黄铜片，含锌达25％，距今在六千年以上；甘肃东乡林家马家窑文化遗址的青铜刀，含锡6％—10％，距今近五千年；甘肃永登蒋家坪马厂文化遗址的残铜刀，也是锡青铜，距今四千余年。表明在我国炼铜的起步阶段，合金配比已与西方明显有所不同，所以未曾也无从自外部取得借鉴。然而三千多年前，在甘肃西北部的四坝文化中，曾有一段单纯制作砷铜的时期。促成这种现象的原因固然与当地出产之矿石的成分有关，却也不排除是受到西来的冶炼技术的影响所致。甘肃玉门火烧沟四坝文化遗址中就出土了一件四羊首铜权杖头。我国古代不使用此物，它具有浓厚的西亚色彩。这种器型很可能是伴随砷铜一起传入的。但砷铜的出现对我国来说，只不过是增加了一个非主流的合金品种，而且处在我国已经独立完成冶铜技术的发明之后；所以作用不是很大。另外，我们知道，19世纪前期丹麦的汤姆森提出了著名的三期论：认为人类主要的生产工具和武器是按照石器、青铜器、铁器等三个技术阶段依次发展的。到了19世纪后期，意大利的基耶里克提出在石器和青铜时代之间增加一个铜石并用时代。他说的铜主要指红铜。但红铜软，与石器相比优越性不明显。红铜加锡成为青铜，硬度提高而融点降低，其优越性就远非石器可比了。我国从马家窑文化时期就使用青铜，所以我国没有一个明确的铜石并用时代。
进入夏代，在二里头遗址中出土的青铜器中，有鼎、爵、斝、盉、铃、戈、戚、刀、镞、锥、凿、鱼钩等。特别值得注意的是其中的礼器和兵器。二里头出土的爵，是用合范铸造的。二里头出土的铜铃，器形矮，口侈；安徽肥西出土过类似之器。而安徽宣城孙家埠出土的西周铜钟的器形却正和它相近。故二里头之铜铃应与后来的钟等乐器有关。同时，二里头还出土了各种铜兵器，特别应当注意的是箭镞。镞是消耗性的军用物资，如果不是青铜生产发达，是不会用青铜镞取代石镞的。对比西北地区出土的铜器，那里多以小型工具和装饰品为主。前二千年代以后，才出现镞、矛等兵器。而二里头文化所属的夏代，却是礼器与兵器并重，他们把最先进的技术和材料，应用在“礼乐征伐”上。拥有军事优势，讲究制礼作乐，标志着中原地区在当时是文明和权力的中心。
到了商周时，青铜器已成为生产力发展的标志。这时继承了夏代开创的传统，在“国之大事”的祭礼上要使用成套的铜礼器。世界其他地区虽然也有青铜器具；但商周铜礼器却成为当时的意识形态的象征，不仅为祖先崇拜的精神力量所推动，更成为代表贵族阶层的社会地位的符号。商周主要用泥范铸铜器，范的面泥是用水淘洗过的澄泥，可塑性和强度都好。我们看山西侯马出的那些范块，都像一件件精致的工艺品。范的背泥则用粗料，掺砂子或植物纤维，为的是让它有透气性。浇铸前还要烘范，以免冷隔。浇铸时把范拼接在一起，是为合范浑铸。殷墟出土的后母戊鼎，通耳高1.33、长1.16、宽0.79米，是用二十多块范拼起来浑铸的。鼎大，范块也得大；但安阳苗圃北地曾出长达1.2米的陶范，所以这方面不成问题。此鼎重832.84公斤，加上浇铸时的浇口、冒口、飞溅、飞边、烧损等，所用金属料原应在1000公斤以上。过去曾认为铸这么大的鼎须用七十至八十个坩埚（将军盔），但这在技术上是不可行的。上述苗圃北地曾出直径约80厘米的熔铜炉，用这种炉子有六座就够用了。浇铸时将六座熔炉布置在铸型之外，依次打开出铜口，使铜液经地槽注入型内便可铸成。只不过鼎耳是在鼎身铸好后，再在其上安模、翻范，浇铸而成的。鼎上铸有“后母戊”三字。建国初有学者把它释成“司母戊”，是不对的。商代有些字的写法左右无别。比如“好”字可以写成“”，“”字可以写成“”；例子很多。后母戊鼎铭中的“后”字写成“司”，亦同此例。再如妇好墓出土的圆尊和方尊上都有“后母”铭文。但其中的“后”字，两个尊上的写法就一反一正，却不能认为它们不是同一个字（图6-1）。妇好是商王的配偶，卜辞中就称她为“后帚好”（《合集》2672）。再看商代铜器铭文，其中器主名“亚某”的不罕见，如“亚”、“亚启方彝”等。“亚”是爵称，《》之“诸侯大亚”，《辛彝》之“王饮多亚”，均可为证。称“亚某”和称“后某”的语例正同。
图6-1 后母圆尊与方尊的铭文
1．圆尊
2．方尊
均为安阳小屯商代妇好墓出土
谈到商周时的铸造工艺，许多书上都推崇分铸，即先铸出若干部件，再与器身铸接到一起。精美的四羊尊就是分铸的。其实合范浑铸也需要很高的技术。譬如铸钟，为了使音质纯正悦耳，不宜分铸后再铸接或焊接，而要一次成型。特别是体型较大的钟，泥范须分层叠合，每层又有许多块，须装配准确，拼接严密。又须使大量泥范不干裂、不变形，使铸出的成品表面光洁，花纹整齐，是非常不容易的。直到后来，我国一些著名的大钟，如北京大钟寺之重46吨的大钟也是浑铸。不过它用的已是陶范，而且每层是一整圈，再套合而成，所以现在看到的范缝是横向的。
我国古代铸造工艺上的另一项成就是发明了叠铸法。所谓叠铸，就是把许多个范块叠合起来组装成一整套，用一个总浇口，一次就可以铸出几十个甚至上百个铸件。这种铸造方法效率高，节省造型材料和金属液，能降低成本，适合小型铸件的大量生产。战国时，齐国已用叠铸法铸造刀币。汉代仍用这种方法铸钱。在西安郭家村新莽烘范窑中出土了五套完整的“大泉五十”陶范，均垒成椭圆柱体，由陶范二十三合（四十六件范片）组成，每合铸币八枚；每套一次可铸币一百八十四枚，效率很高。这项技术至东汉时又有所发展。河南温县招贤村发掘的一座东汉烘范窑，在约9平方米的窑室里，堆放着五百多套叠铸范。它们都是用金属范盒翻制的，范腔清晰，结构谨严，每层合范之间都有定位榫，接触面光滑平整，且用心轴或辅以定位线组装，合拢后既严密又不易错动。其总浇口的直径有的只有8—10毫米，分浇口有的只有2—3毫米，能铸出很薄的铸件。成品的表面光洁度可以达到5级（光洁度共分14级），金属收得率可以达到90％。现代的铸造工程师看到这些实物时，也都赞叹不已。
下面谈谈冶铁。
建国以来，在科技史研究的许多领域，大都是逐渐积累材料，一步步深化认识。但在冶铁史方面，新发现却仿佛井喷一样，使人目不暇接，传统的老看法这时几乎被全面刷新了。
我国最早利用的铁是陨铁。1972年，正当“文化大革命”期间，在河北藁城台西村商代遗址中出土了一件铁刃铜钺。发掘单位是河北省博物馆，他们把这件钺送到冶金工业部钢铁研究院去分析，检验结果说是古代的熟铁。《考古》1973年第5期发表的简报中，不仅肯定了这一点，而且还把它和郭沫若《“班”的再发现》一文中，推测“周初已有铁矿的冶炼和铁器的使用”的说法相联系，认为：“台西铁刃铜钺的发现证明了郭沫若同志的论断是正确的。”既有实物，又有鉴定结果，又有郭老的高见，一时间似乎成为无可动摇的定论了。可是也就在发表上述简报的那期《考古》上，有一篇夏鼐先生的《读后记》，认为其铁刃所用的材料有可能是陨铁。这下差点闹出大乱子，有人说夏先生是在贬低古代劳动人民在冶铁方面的伟大成就。幸亏随后在钢铁学院柯俊教授指导下，重新对这件钺作了检验分析。证明铁刃中所含的镍达6％，而且出现了分层的高镍偏聚。这种现象只能在冷却极为缓慢（每百万年冷却1℃—10℃）的天体中才能发生，从而肯定了铜钺的刃用的是陨铁（图6-2）。
图6-2 藁城出土商代铁刃铜钺
1．出土时的外形（铸接在铜援前部的铁刃已大部锈蚀不存）
2．夹在铜援中的铁刃残留物之镍元素分布曲线
其实像藁城出的这类嵌陨铁刃的铜兵器还有好几例。美国华盛顿弗利尔美术馆藏有1931年河南浚县出土的一件西周早期的陨铁刃铜钺和一件陨铁援铜戈。1977年在北京平谷刘家河商墓中也出土了一件陨铁刃铜钺。1991年河南三门峡市上村岭西周晚期的2009号大墓中又出土了一件陨铁援铜戈（图6-3）和用陨铁制刃的锛和削。以上情况不仅落实了我国古代使用陨铁的史实，而且通过两件带陨铁刃的普通工具，表明当时只把陨铁看作优良的金属材料；不像古埃及称陨铁为“来自天堂的黑铜”，给它戴上神圣的光环，反而限制了它的使用。
图6-3 嵌陨铁刃的铜兵器
1．北京平谷刘家河出土的商代陨铁刃铜钺
2．河南三门峡上村岭出土的西周陨铁援铜戈
我国内地（不算新疆，新疆发现的铁器比内地早）出现人工冶炼的铁的时间就今所知是在西周末。三门峡上村岭2001号虢季墓出土了一件玉柄铁剑（图6-4）、一件铜内铁援戈。2009号虢仲墓出土了一件铜骹铁叶矛。经检验，戈援是块炼铁制品，剑和矛则是块炼渗碳钢。人类冶铁都是从块炼铁开始。将铁矿石和木炭在炉子里加热，可以通过化学上的还原作用生出金属铁。但铁矿石在熔化后的还原过程中，变成疏松的全是气孔的海绵状物，还原出来的小铁珠凝固并隐藏在渣块中。它叫块炼铁，也叫海绵铁，含碳量很低，相当软。之后在反复加热锻打中挤出渣子，并由于同炭火接触，渗碳变硬而成为块炼钢。考古学证明，我国在西周末已经生产出这样的铁和钢。
图6-4 玉柄铁剑，三门峡上村岭出土
过去讨论这个问题时，多半依靠文字材料。或根据《班簋铭》中的“人”，认为西周初年已用铁。或根据《叔夷钟铭》中的“徒”；《诗·大雅·公刘》中的“取厉取锻”；《左传·昭公二十九年》中的“遂赋晋国一鼓铁，以铸刑鼎，著范宣子所为《刑书》”等记载，认为春秋时代已有铁。但这些说法均有可商之处。如《班簋铭》中明说，人是用于“伐东国瘄戎”的。《叔夷钟铭》也说，以徒“为汝敌寮”。可见他们都可能是士兵，而不是冶铁工人。何况上述《钟铭》中称，这一次所赐徒的人数达“四千”之众，如果这四千人都从事冶铁，则叔夷掌管的铁工业的规模更大得无从想象。至于“取锻”一词中的锻，早期的训诂家都不拿它作为动词。毛传：“锻，石也。”郑笺：“锻，石所以为锻质也。”《释文》：“锻，本又作碫。”“厉”字《释文》也说：“本又作砺。”砺、碫都当粗石讲。退一步说，即便是动词的锻，它的原始意义也不专指锻铁。金文锻（段）字作（段簋），像一人在屋内手执工具对进行加工。此字是“黄吕”之吕，也可能是金文金字（麦鼎）、（师鼎）省形，总之均系指铜而言。对北京故宫所藏商周青铜工具和兵器检验的结果表明，其中大部分均经过锻打。《尚书·费誓》说“锻乃戈矛”，正可相印证。故锻亦指锻铜，锻字和锻铁没有必然联系。至于《左传》中的记载，虽然曾在讨论用铁的文章中被多次引用；但《孔子家语·正论解》中言及此事时，不作“一鼓铁”而作“一鼓锺”。鼓和锺都是量名，这里说的是统一度量之举，与《管子·君臣》之“衡石一称，斗斛一量”、《周礼·夏官·合方氏》之“一度量”的语例相同。《左传》中这段话应在“遂赋晋国”下断句。赵鞅在晋国建立税制、统一度量之后，乃铸“刑鼎”，公布范宣子起草的成文法，正是互相关连的一套措施。相反，如果真的是在全国征收一鼓（即一斛）之铁，那么每户的征收量少得可怜，就讲不通了。不过并不是说在出现上述记事的年代中我国尚不知用铁，仅内地出土的春秋铁器已不下八十余件。如白云翔先生所说，这时发现铁器的地点“西起陇东、东到江苏六合，北起山西长子、南达湖南长沙”。特别是濒海的山东地区也有这方面的实例。近年学术界注意到淄博附近品位既高又易于开采的露天铁矿和古代的冶铁遗址，认为研究我国早期冶铁，淄博是一个不可忽视的地方。当然这些新发现与上面提到的文字材料仍牵合不到一起。
我国在西周末出现了块炼铁和块炼渗碳钢，到春秋早期就出现了铸铁。山西天马—曲村遗址出土了春秋早期和中期的条状铸铁。长沙窑岭15号墓出土了春秋晚期的铸铁鼎，重量超过3公斤。铸铁是在竖炉里以高温液态还原法炼出来的。铁的熔点是1536℃，但是用不着这么高的温度，加热到1200℃时，被木炭还原出来的固态铁就迅速吸收碳；当含碳量超过2％时，烧到1146℃铁就熔化了。西方古代炼铜时，炉子里的温度肯定超过铜的熔点1083℃，只要再提高120多度就能炼出铸铁来。可那边就愣是长期迈不过去这道坎。可能因为西方冶铁的传统是锻打海绵铁，冶铁之神的造像手里永远拿着象征锻铁的火钳和锤子。公元初年罗马的炼铁炉有时因过热而炼出了铸铁即生铁，然而由于生铁一锻即碎，所以都被当作废料抛弃了。
与块炼铁相比，铸铁较为纯净，矿石里的非金属夹杂物可以造渣排出。而块炼铁中的硅酸盐等夹杂物，无论怎样反复锤打也难以清除得很彻底。战国以后，我国在铸铁炼炉中添加石灰石作熔剂，更降低了渣的熔点和渣中的含铁量。渣轻，漂在表层，倒掉就是了。在液态介质中，重者居下，轻者居上，这点道理太简单了。可是有时也闹这方面的笑话。民国初年，清史专家孟心史先生在一篇文章中说，盛宣怀为了巴结西太后，为西太后去易县谒陵修了铁路，小火车中的卫生间里摆着“如意桶”。桶中下铺黄沙，中注水银；便溺落入，则被水银所掩，不泄气味云云。假如真有此事，则水银当沉到桶底，黄沙和污物反而浮在上面；再加上水银蒸发的毒气，真够西太后她们闻一阵子的。盛宣怀当然不会也无法这么做。
铸铁夹杂物少，并可铸器，它的发明是冶铁技术史上的一次飞跃。西方开始用铁的时间比我国早，但14世纪以前他们一直用块炼铁。在使用铸铁这件事上，西方比我国晚了一千八百年。而我国之所以能很早就炼出铸铁，主要是因为我国最先采用高炉冶铁。我国冶铁的高炉源于炼铜的竖炉。湖北大冶发现的春秋时期的三座炼铜竖炉，复原后炉高1.2—1.5、直径0.7米。我国古代冶铁的高炉与炼铜的竖炉基本上属同一类型。汉代冶铁的高炉，在河南、江苏、北京及新疆等地一再被发现。其中结构相当先进的一座是河南郑州古荥镇1号高炉，复原后炉高4.5米，断面呈椭圆形，从短径的两侧鼓风，克服了风力吹不到炉缸长径之中心的困难。下部炉墙向外倾斜，形成62°的炉腹角，使边缘炉料与煤气的接触仍较充分。全炉可能有四个风口，用四个皮橐鼓风。高炉容积约44立方米，日产量约0.5—1吨。在两千年前是很杰出的成就了。
我国古代不仅冶炼出铸铁，而且还发展出一套以铸铁为基体的热处理技术。铸铁性脆，韧性比较差。可是如果在高温下将铸铁件长时间加热，使铁中的化合碳发生变化，就可以改变其质地与性能。其中有一种方法叫铸铁柔化（可锻化）处理。经过这样的处理后生成的可锻铸铁（又叫展性铸铁），性能介乎钢和铸铁之间，具有较高的强度。而我国在用铁的初期已经这样做了。洛阳水泥厂战国早期灰坑中出土的铁铲，就已经被处理成可锻铸铁。
由于退火温度和处理方法的不同，可锻铸铁又分白心可锻铸铁和黑心可锻铸铁两种。白心可锻铸铁具有较高的硬度和强度；黑心可锻铸铁的抗拉强度虽较白心可锻铸铁小，但更耐冲击且具有韧性。洛阳水泥厂出土的战国铁铲就是黑心可锻铸铁。而白心可锻铸铁在战国时也已出现，石家庄出土的战国铁斧、易县燕下都44号墓出土的燕国铁等铸件都具有白心可锻组织。这两种可锻铸铁虽各有短长，但总的来说，黑心比白心要强些，生产周期和成本也要短些和低些；而在技术上，黑心可锻铸铁的生产要比白心困难些。通过对出土物的金相鉴定发现，汉代的可锻铸铁件多数是黑心组织，这和现代可锻铸铁发展的趋向是一致的。
为什么可锻铸铁比普通铸铁强韧呢？让我们再略作解释。铸铁中的白口铁以渗碳体为基本组织，又脆又硬，自不待言。就是灰口铁，虽然因为含硅量较多（0.5％—3％），在冷却速度较慢时，一部分碳会以片状石墨的形式析出。但片状石墨仍对基体有切割作用，故仍有脆性。而经过可锻化退火后，铸铁中的石墨变成团絮状，切割作用大为降低，遂获得了较优的机械性能，塑性和韧性都大为提高。如河南南阳所出汉代铁臿（图6-5）。过去曾认为白心可锻铸铁是法国人在1722年发明的，被称为“欧洲式可锻铸铁”。黑心可锻铸铁则认为是美国人在1826年发明的，被称为“美国式可锻铸铁”。我国战国早期可锻铸铁的发现，和秦汉以来可锻铸铁的广泛应用，表明我国在这项技术上领先西方两千多年，我国才是可锻铸铁的故乡。
图6-5 含团絮状石墨的可锻铸铁，河南南阳出土东汉铁臿
与制出可锻铸铁的同时，又开始使用金属范。河北兴隆和磁县之燕国和赵国铁范的出土，表明我国这项发明的出现不晚于战国（图6-6）。后来在南阳、郑州、满城、莱芜等地又陆续出土了许多汉代铁范。其中有比较复杂的多合范和双型腔。而且范壁厚薄均匀，还使用了防止铸件变形的加强结构和现代也不是太容易处理的金属型芯。铁范可以重复使用，铸件规整，减少加工余量，并降低成本。它的这些优点已被研究者屡屡提起。然而更值得注意的是，采用铁范可以使铸件较快冷却，有利于得到白口铁。下一步进行可锻化处理时，无论准备生产白心可锻铸铁或黑心可锻铸铁，都要用白口铁件作为坯件。所以铁范铸造可以被看作是当时生产可锻铸铁的工艺流程中之一个环节上的必要的措施。当世界其他地区连铸铁都不能生产的时候，我国的铁范铸造是超越了几个技术发展阶段的先进事物。
图6-6 战国铁镰范，河北兴隆出土
我国古代还依托可锻化技术生产出球墨铸铁，这种铸铁中的石墨呈分散的小球状，对基体的切割作用很小，所以非常坚韧，甚至可以部分代替铸钢。河南巩县铁生沟冶铁遗址出土的一件西汉后期的铁，经检验，含有相当于现代球墨铸铁的球状石墨，形状良好，有明显的石墨核心和放射状结构。就其球化等级而论，可以达到我国现行稀土镁球墨铸铁部颁标准的1—2级。高温金相研究表明，尽管它的硅含量与现代球铁不同，但其石墨结晶致密，一直加热到液相出现才中空脱熔，开花解体，表现出球状石墨的形态稳定性。现代球墨技术是英国学者莫罗于二战后的1947年首先公布的，是在灰口铁中加入稀土金属或镁、钇等作为球化剂而制得。上世纪50年代初笔者在北京华北农业机械总厂看到厂里夜间炼球铁，当在铁液中加镁时，刺眼的亮光冲天而起，连暗夜中的云朵都映射成白色的了。黑天白云，留下的印象非常深刻，当时感到铁包里的球化反应是何等剧烈！虽然汉代匠师如何生产球铁，技术上的若干细节现在还不完全清楚，但大体上说，是将低硅的白口铁通过退火的方法制得的。退火时不造成上面说的那种紧张气氛，风平浪静而殊途同归。汉代制球铁的工艺真是巧妙异常。尽管现代人对球铁的球化机理尚持有不同的论点，但公认球铁中的石墨球应具有偏光效应，这是球铁的重要特征。而铁生沟西汉铁中的石墨球的偏振光已经观察证实，它与现代镁球铁、稀土镁球铁、钇基重稀土球铁中的石墨结构并无区别。除巩县铁生沟的铁外，我国古代球铁制品还在河南南阳瓦房庄汉代冶铁遗址与渑池汉魏铁器窖藏中发现（图6-7）。已经检验的有五例，产自汉魏时期的五个冶铁作坊，时间从西汉后期到北魏，相去五百多年，说明绝非偶然出现。
图6-7 球墨铸铁
1．河南巩县铁生沟出土的西汉铁镢中的石墨球
2．铁生沟铁镢之石墨球的偏光特征
3．河南渑池出土汉魏铁铲中的石墨球
上面谈的是冶铁，下面再说炼钢。
西周末年的三门峡上村岭虢国墓中既出块炼铁又出块炼渗碳钢，铁和钢并列在我国钢的冶炼史的第一页上。本来无论钢或生、熟铁都是纯铁和碳的合金。一般把含碳量小于0.1％的叫熟铁，0.1％—2％为钢，2％—6.67％为生铁。原始的块炼铁的含碳量接近熟铁，要渗碳增硬，才能成为钢。但渗碳十分费工，在高温下将坯料反复锻打六至八个小时，不过渗入2毫米左右。河北易县燕下都44号墓，是一座阵亡军人的丛葬坑，墓内有人架二十二具，并有交叉叠压完残不一的武器多件。今以第12号剑为例，此剑带有铜剑首，其余部分长98.5、宽4厘米，是将块炼铁锻成薄片，加热渗碳折叠锻打而成。在刃部有针状马氏体结构，表明此剑曾加热至900℃以上淬火。马氏体的硬度高，此剑中铁素体部分的显微硬度为150—180、淬火部分的硬度为530（公斤／平方厘米）。这些武器和遗骸一并埋入荒郊，不再回收。战国晚期燕的国势较弱，可是就连燕这样的国家也不将这类钢制品当作十分珍罕之物。如果拿到当时世界上的其他地区，可就是一把难得的宝剑了。
块炼钢制作的刀剑虽有相当高的硬度，但在增碳过程中没有进行均匀化处理，所以往往出现含碳不均匀的分层现象，并且有时会含有大块夹杂物。而河北满城西汉刘胜墓出土的佩剑，金相检验的结果表明，其中虽然也有大共晶夹杂物，也是用块炼钢锻成的，但钢的质量却有很大提高。这表现在共晶夹杂物的尺寸减小、数量减少，钢件中不同碳含量的分层程度减弱，各层组织较均匀；这是由于在制作过程中增加了反复加热锻打的次数所致。比起块炼钢来，它在质量和制法上均有所提高；所以被当成另外的一类，俗称“百炼钢”。
可是，以块炼铁为原料锻造“百炼钢”，却苦于用工量大、效率低。西汉中期以后，出现了用生铁“炒”成熟铁或钢的新工艺。这是将生铁在空气中加热到1200℃左右，对之鼓风，使它达到半熔融状态，同时撒入矿石粉并进行搅拌，促使生铁中的碳氧化。在搅拌过程中，由于碳的含量不断降低，最终可以得到熟铁。但如果有控制地把含碳量降到所需要的比例，适时停止搅拌，就可以得到钢，称为炒钢。其中的夹杂物成分一致而且数量减少。炒钢技术的出现打通了生铁、钢和熟铁之间的界限，使冶炼者认识到，在含碳量递减的过程中，只要控制得当，可以完成前者向后者的转换。炒钢为使用简单的方法大量生产钢材成为可能。因为在发明温度达到1600℃的平炉，使铸铁在液态下氧化脱碳成钢以前，不能由直接冶炼法得到钢。所以当1744年炒钢在英国开始应用时，引起冶金界的震动，甚至称之为“动摇大地”的巨变。
有了炒钢，于是制“百炼钢”时也用它作原料。这就消除了由块炼铁带来的严重影响钢的质量的那种大共晶夹杂物，更大大简化了锻打渗碳的繁慢工序。江苏出土的新莽残剑已是用炒钢锻成的。山东苍山出土的东汉永初六年（112年）环首刀，也是用含碳较高的炒钢为原料锻成的。它的各部分含碳量均匀，夹杂物的长度比刘胜剑短很多。被视为具有成熟性的“百炼钢”的早期标本。
不过“百炼钢”这个名称其实是从文献和口头习惯用语里来的，虽然也参考了对出土钢铁制品所作的金相鉴定以及铭文中记载的工艺规格。但是，在我国早期金属制品的铭文中没有用“炼”字的，只有对“湅”数的记载。而且这种铭文最先不是出现在钢铁制品上，而是在铜器上。在铜器铭文中，湅数最少的为“三湅”，也有“四湅”、“五湅”的。讲究的铜器则为“十湅”，如《汉元延鼎铭》称：“乘舆十湅铜鼎，容一斗，并重十一斤三两。元延三年（前10年），供工工强造，护臣武，啬夫臣彭兼，椽臣丰，主守右丞臣放，守令臣赛省。”（《汉金文录》卷六）再如《汉建武弩机铭》：“建武卅二年（56年）二月，虎贲官治十湅铜濡錌鐖百一十枚。工李严造，部郎□，彤朱，椽主，右史侍郎刘伯录”（《考古学报》1964年第2期）。以上铭文中的“湅”字指铜的精炼。粗铜含有杂质，影响它的铸造和机械性能，入炉重新熔化，使杂质造渣除去，可使铜的质量得以提高。但“湅”字的本义指丝帛的漂练，与冶金无关，因此在这里它应与炼字的意义相通。镜铭中有“湅冶铜锡去其宰（滓）”之语，说的正是这番意思。上引十湅鼎是御用之器，铭文中不仅记有湅数，并标明该器的容量、重量、制造年份、制器工匠之名、监造官员之名等，体例很严格，所记湅数应当是可靠的。建武弩机是虎贲守卫宫廷所用兵器上的部件，质量要求高，铜材须精炼，所记湅数也不会是虚文。可是到了3世纪，在铜镜铭文中“三湅”竟和“百湅”同时出现。甚至同一位工匠（师陈世）在同一年（黄龙元年，229年）中所铸之镜，有的标作“三湅”，有的竟标作“百湅”（《鄂城三国六朝铜镜》图111，《汉三国六朝纪年镜图说》第62页）。镜子的质地看不出有何变化，湅数却无端增加了几十倍。试看建武虎贲弩机仅仅十湅；铸武器不过如此，铸日用之镜又何须多达百湅呢？所以后者显然是一种夸张的、服务于商业目的的语言。
无独有偶，在钢铁制品的铭文中也有记明“湅”数的，但只见于锻打的刀剑而不见于铸造的容器。它们的数字都比较大，多为几十湅。上面提到的苍山出土之刀，铭文中就说自己是“卅湅大刀”。这把刀的夹杂物有明显的分层。检验者称：“如以位于同一平面的连续或间断的夹杂物作为一层的标志，由三个观察者在100倍显微镜下，整个断面观察到的层数分别平均为31层、31层弱及25层”（《考古学报》1975年第2期）。这种现象的形成应是将坯件折叠锻打的结果。由于湅数与钢刀的分层数基本一致，所以湅数可能是折叠打后的层数。不过应当强调指出的是，钢刀铭文与铜器铭文中虽同样标出湅数，但含义是不同的。刀铭中的湅字当为“”字之省。《说文·攴部》：“，辟铁也。”《文选·七命》：“万辟千灌。”李善注：“辟谓叠之。”故钢刀和铜器虽然都称自己经过多少“湅”，却分别指（折叠锻打）和炼（熔化精炼）这两种不同的工艺而言。由于在反复折叠锻打的过程中，钢件的含碳量在不断变化，所以就像炒钢时一样，须由匠师适时地作出判断，准确地加以掌握，断难用固定的锻打次数代表其质量标准。更不能无条件地认为湅数愈多，刀剑的质量就愈好，如清·朱骏声说的“愈锻愈善”（《说文通训定声·乾部》“”字下）。相反，如锻打过度，脱碳过量，还会失去应有的硬度，以致不成其为钢件了。
国内所出汉代刀剑铭文中的湅数最多不过“五十湅”，见江苏徐州出土的建初二年（77年）剑。但是到了东汉末年，在文学作品中却出现了“百炼精刚（钢）”的提法。陈琳《武库赋》说：“铠则东胡阙巩，百炼精刚。”赋不厌侈，这里的“百炼”显然是夸张性的修饰语。试看同样是铠，同时代的诸葛亮的军事训令《作刚铠教》中只说：“敕作部皆作五折刚铠。”“五折”和“百炼”的差距之大，正与“三湅”镜和“百湅”镜的差距相当。钢铠如此，刀剑也不例外。如曹操在《内诫令》中曾提到“百炼利器”。他说的“百炼”同样是泛指加工之精熟。这里的“炼”字与“辟”字用意相近。曹丕《典论·剑铭》说：“余好击剑，善以短乘长。选此良金，命彼国工，精而炼之，至于百辟。”不过实际操作时，既无须百炼，也无须百辟。《论衡·率性》说：“世称利剑有千金之价……其本铤，山中之恒铁也。冶工锻炼，成为铦利。……工良师巧，炼一数至也。”王充认为恒铁（常铁）只要“炼一数至”，就能“成为铦利”。更何况对铜材来说，“百湅”虽然夸张，但其精炼的次数从概念上讲并无限制，而钢材的折叠锻打却必须适可而止。《册府元龟》卷一六九记荆南向五代诸国贡献的刀剑，不是“九炼纯钢手刀”，就是“九炼纯钢金花手剑”。以小事大，进奉方物，是个很严肃的事，关系到这些小国家的安危，对贡品的质地自应如实呈报，不会也不容虚构。可是“九炼”和“百炼”也差得太远了。从技术上讲，显然不能以一百次当作折叠锻打之一成不变的规格。所以尽管百炼钢是一个引人入胜的词藻，却不能被看作是一个科学的术语。一味强调折叠锻打，则与我国钢铁冶炼技术发展的趋向背道而驰。如其称之为“百炼钢”，倒不如叫“辟炼钢”（折叠锻打而成的钢），更显得名实相符。
由于我国的炼钢技术不是朝着强化锻打的方向发展，因而出现了一些既省工又有效的方法。1974年在北京丰台大葆台西汉燕王墓出土的环首刀，是用铸铁脱碳而成的。将低硅铸铁件在氧化氛中加热，退火脱碳，可以得到含碳量不同的高碳钢以至低碳钢。这种方法的优点是：1．铸铁容易成型。2．铸铁中的夹杂物比块炼铁少，用它脱碳成钢，保留了夹杂物少的优点。3．能在相对较低的温度下生产钢。但是，必须有控制地脱碳；因为它和可锻铸铁的区别就在于基本不析出或者只析出很少的石墨。如果火候未控制好，生成多量石墨，坯件就变成可锻铸铁而不是钢了。这种方法的出现反映出当时在铸铁热处理领域里的技术是何等高超，竟把一般的铸铁热处理工艺发展成一种制钢的方法，直接变铁为钢。经过检验的铸铁脱碳钢件还有不少，郑州东史马东汉墓出土的簧剪，金相图中球状小颗粒的渗碳体均匀地分布在铁素体基体上，只要磨砺开刃就能使用。还有的是将生铁铸成薄板，脱碳后成为钢板，用作锻造器物的原料。古荥镇“河一”冶铁遗址中出了不少这种板材。
由于以上种种成就，遂使中国古代冶炼钢铁的技术水平在世界上长期遥遥领先。周边各族也都直接间接从中原地区学会冶铁。北方的匈奴人原先用的是“革笥木荐”（《汉书·晁错传》）、“素弧骨镞”（《盐铁论·论功》）。《汉书·陈汤传》说：“胡兵五而当汉兵一，何者？兵刃朴钝，弓弩不利；今闻颇得汉巧。”匈奴得“汉巧”而知用铁兵器。自出土物观察，匈奴的刀剑多与汉制相类似，也证明了匈奴地区的冶铁业即其所得“汉巧”的内容之一。有如前苏联学者达维多娃的说法，是中国的战俘和逃亡者在匈奴从事铁器的制作（《古代史学报》1953，No.2）。南方的半独立的南越国的铁器亦仰给于汉，故《汉书·两粤传》说：“高后时，有司请禁粤关市铁器。”以防止冶铁资源流入南越。至于帕米尔高原迤西，“自宛以西至安息国……不知铸铁器”（《汉书·大宛传》）。即自今乌兹别克斯坦的费尔干纳盆地直到伊朗，都只用块炼铁而不会炼铸铁。汉通西域后，中国钢铁曾输往西方。印度梵文中的钢，有一词为cīnaja（秦地生），就反映出在古代印度人眼里中国是钢的原产地。公元1世纪时，罗马博物学家老普林尼在其名著《自然史》中说：“虽然铁的种类很多，但没有一种能和中国来的钢相媲美。”证以史实，其说并非虚誉。
有一部自称“本片编剧主要以《史记》和《汉书》为蓝本。直接取材、改编正史，而不是改编讲史小说或演义”（胡玫《“新古典主义”艺术的宣言》）的电视剧《汉武大帝》。剧中说匈奴的“精钢”，“坚利可切金玉”，“此种质材，我朝（汉朝）至今不能炼造”。剧中的汉、匈军格斗，汉军的刀剑纷纷被匈奴兵给斫断了。还说张骞到大月氏女王那里去讨要“精钢粉”，即“炼精钢所用的添加料”，女王于是给了一点黑末末。古代的钢都是碳素钢，无须添加料。合金钢要到近代才出现，而且所添加的如钨、钼、钒、钛等难熔金属，古代根本不曾利用。碳素钢中除去铁元素外主要含的是碳，难道张骞不远万里跑去就是为了要点在汉地唾手可得的木炭末？编导们也不想一想，前2世纪初匈奴拥有四十万骑兵，高、惠、文、景均不敢撄其锋。假若他们的科技水平也如此先进，那还有汉朝的活路吗？无视史实到这种程度，诚为讲史小说或演义所不及。
上面再三说过，中国古代炼钢技术之不容忽视的要领之一是掌握火候。比如炒钢，倘使炒过了火，坯料被氧化烧损，含碳量会很低，再锻打增碳就费工了。继而发现重新加入生铁可以补救；后来掌握了这一规律，自觉加以运用，遂导致了灌钢法的诞生。梁代的陶弘景最早提到灌钢法，他说的“杂炼生（生铁）鍒（熟铁）”而成的钢就是灌钢。这是利用生铁碳高、熟铁碳低的特点，将熔化的生铁灌到熟铁里去，使碳分达到设定的水平而成为钢。北齐时，綦母怀文造成“宿铁刀”，“其法烧生铁精，以重柔铤，数宿则成刚”（《北齐书·綦母怀文传》）。这种刀能“斩甲过三十札”。后来沈括在《梦溪笔谈》里说的“用柔铁屈盘之，乃以生铁陷其间，泥封炼之，锻令相入”，李时珍在《本草纲目》里说的“有生铁夹熟铁炼成者”，宋应星在《天工开物》里说的“凡铁分生熟，出炉未炒则生，既炒则熟。生熟相和，炼成则钢”，指的都是灌钢法。灌钢是在古代手工业条件下炼钢技术的最高成就。后来的“生铁淋口”、“苏钢”等制钢法，原理均与灌钢法相通。
冶炼技术的发展还以鼓风的加强、炉型的扩大、燃料和熔剂的改进为标志。在鼓风方面，战国时已使用人力压动的皮橐鼓风，见《老子》和《墨子·备穴》、《吴越春秋》等书的记载，其图像见山东滕州宏道院汉画像石（图6-8）。东汉初，更先于欧洲一千二百多年就发明了水力鼓风机——水排。这时的南阳太守杜诗，“造作水排，铸为农器”（《后汉书·杜诗传》）。至宋代，皮橐即皮风囊为活门式木风箱所替代，见曾公亮《武经总要》。它的侧面作梯形，利用箱门板的开合来鼓风。元代的木风箱也是这一种，见王祯《农书》和陈椿《熬波图》。明代又发明了活塞式木风箱，装有活塞和因风压而自动启闭的小活门，能产生较连续的压缩空气，更加增大了风量，强化了冶炼（图6-9）。现代欧洲学术界有人认为瓦特蒸汽机上的活塞曾受到中国活塞式风箱的启发。
