课程知识应用、古代钢制兵器检测与北京科技大学科学技术史学科建设

供稿|杨平

内容导读 北京科技大学材料科学与工程和科学技术史是学校4 个国家一流学科中的2 个。科学技术史学科创始人柯俊院士等早年来自金相或金物专业，因此两个学科有着特殊而密切的历史渊源。出土的金属文物是两个学科交流的共同研究载体，也是跨学科思想火花碰撞的交汇点。本文以检测西汉出土钢制兵器为聚焦点，通过带领授课学生并从材料科学基础课程知识为出发点，与考古学学者一同开展检测、分析、研讨，感受由文物展现出的有趣的考古学人文历史故事；同时重温柯先生等老一代材料学家、科技考古学家的经典文献、经典金相法鉴别案例以及学科建设等活动的轨迹，总结了相关活动的经验，整理出了典型的课程思政教学案例，丰富了课程教学资源。

为了贯彻国家优先发展重工业的策略，北京科技大学于1952 建校时成立金相专业，其专业主干课程金相学即是现在的材料科学基础课程。柯俊先生1953 年从英国留学回国，1954 年进入北京钢铁工业学院金相教研室，1956 年他转而创建了金属物理专业。1972—1974 年间，柯俊先生、丘亮辉老师、韩汝玢老师、孙淑云老师这些来自金相或金物教研室或专业的学者，一同创建了冶金史组，及随后的冶金史研究室、冶金史研究所、冶金与材料史研究所。科技史研究所不断发展壮大，并与国外冶金考古学者（如C Smith，R Maddin 等）进行了广泛的交流[1-4]，现在发展成为北京科技大学科学技术史与文化遗产研究院，是世界上规模最大的冶金史研究的专门机构。柯俊院士主持的“中国古代钢铁技术的发展历程”研究项目，获得1987 年国家自然科学三等奖、教育部科技进步二等奖。因此，金相专业与冶金史研究有着密切的联系。科学技术史学科与从金相专业发展而来的材料科学与工程学科同时都是北京科大学的国家级一流专业，在专业评估时都是A+。

柯先生、Smith 教授在材料领域与科技考古领域的贡献笔者前期在文章中曾提及[5]，但远不够具体。近期，笔者有幸结识了北京科技大学科技史与文化遗产研究院从事考古学研究的在职博士生、同时又是中国社会经济文化交流协会文博专业委员会副理事长梁斌先生，他有着非常丰富的古代兵器史研究经验，提出希望我们材料专业人员协助检测汉代出土钢制兵器的表面强化工艺及表面防腐工艺。具体讲就是钢制兵器是否经过渗碳或渗氮之类的强化处理？兵器表面起着很好防腐作用的黑漆层结构是什么？是自然形成的还是特殊方法制备的？早期冶金史教研室人员来自金相教研室，金相法是“看家”本领，梁斌先生是柯先生、韩汝玢教授传下来的研究梯队成员，拉近了我们的距离，此外，其丰富的考古学背景知识（古代器物、古代史），对大量相关古文文献的阅读理解力，令我们佩服不已。作为材料科学基础（简称材科基）任课教师，课上曾告诉学生，利用显微镜观察组织，可以从事很多领域的研究或职业工作，其中之一就是对出土文物组织的观察、检测和鉴别。因此，笔者不但愿意尝试对约2000 年前的汉代钢制兵器进行检测，而且还动员4 名上材科基课程且学习感到较困难的学生，一起与梁斌先生进行跨学科的检测、交流、研讨，看看我们到底能走多远。为便于读者理解，图1 给出材科基课程、汉代钢制兵器、科技史研究院三者之间关系及活动的意义示意图，笔者把这项活动视为由教师学生组成的学习共同体，尝试着跨学科式的交流，以下分别介绍。

图1 材科基课程-出土钢制兵器与科技史关系示意图

对出土钢制兵器的检测及分析

图2 为用于检测的2 件样品，为汉代高等级兵器中的钢戟与钢剑；图2(a)为钢戟实物，是中国战汉时期所特有的兵器，箭头所指为其胡部取样位置。图2(b)为残断钢剑的实物，现存剑茎及部分剑身，于剑体做全截面取样。钢戟和钢剑分别出自山东和湖北地区的西汉早期墓葬内。两者都来自水坑环境，即埋藏于地下水浸泡的墓室中，因此得到很好的密封保护，虽然经过了2000 年，表面有不少铁锈，但仍基本保存完好，特别是表层有一黑漆层，起到很好的防腐保护作用。对此两件兵器，考古学者希望获得的信息是：1）表层锋锐的刃部是否经过渗碳、渗氮处理？还是经过了普通的淬火处理？2）表面黑漆层是什么结构？是自然产物还是特殊制成的？3）两件兵器制作工艺是目前已知的块炼钢、铸铁脱碳钢还是炒钢？关于第3 个问题，早年柯先生、韩汝玢教授，以及北京科技大学科技史的一系列学者都进行过广泛成熟的研究，形成了相应的理论[6-9]，为我们提供了很好的参照。因此检测分3 个方向：1）兵器表层与次表层组织结构；2）兵器中夹杂物类型及对应的冶炼工艺；3）检测组织确定热处理工艺。

图2 样品：(a)钢戟；(b)钢剑；及样品(c)钢戟镶嵌后；(d)钢剑镶嵌后

经检测分析（见图3 和图4），初步确定最表层黑漆层是制造钢戟、钢剑时通过高温碱浴特殊处理形成的，其厚度10 μm 左右（经查证，一般发蓝处理的厚度约2 μm）；黑漆层中含有特殊的Al、Si，其分布不是很均匀，但可以固溶形式存在。这种Al、Si 在次表层铁锈内（图4 形貌图中次表层及内层是铁锈），在内部基体中都不存在；也不可能是埋在棺墓中自然形成的，因为Al、Si 不会在室温下直接进入黑漆层，且黑漆层表面反而较少测到Al、Si 显著存在。

图3 钢戟表面黑漆层形貌及能谱：(a)微观形貌；(b)黑漆层能谱（spot1）；(c)基体能谱（spot2）

图4 钢剑表面黑漆层形貌及能谱：(a)微观形貌；(b)黑漆层能谱（spot1）；(c)黑漆层下铁锈的能谱（spot3）

对夹杂物测定如图5～6 和表1～2 所示，钢戟主要存在硅酸铁和磷酸钙复合夹杂，形状规则，应该是液相中形成的，即内生的，应该是铸铁脱碳钢。其特点是没有复合形式存在的氧化亚铁，夹杂物总量较少，均匀分布。而钢剑中的夹杂物为氧化亚铁、硅酸铁、磷酸钙复合夹杂，是典型的炒钢工业形成的。炒钢工艺的典型操作是先炼出铸铁，凝固后再加热到半熔化态，在氧化气氛中搅拌，边脱碳，边氧化，形成氧化亚铁成球状，被随后的硅酸铁液体包裹。磷酸钙熔点较低，也是液态，最后形成。两个样品都经过锻打，部分硅酸铁变形，氧化亚铁也变形，但也有些夹杂物没有明显变形。

表1 钢戟夹杂物成分（原子数分数） %

表2 钢剑夹杂物成分（原子数分数） %

图5 钢戟基体中的夹杂物形貌及能谱：(a)微观形貌；(b)点1 能谱；(c)点2 能谱

图6 钢剑基体中的夹杂物形貌及能谱：(a)微观形貌；(b)点29 能谱；(c)点30 能谱；(d)点32 能谱

从浸蚀的组织看，钢戟组织均匀，刃部有少量介于隐晶马氏体或贝氏体的组织，其它区域为珠光体型的细屈氏体和铁素体组织，屈氏体稍多，整体为亚共析钢，见图7。钢剑的两个刃部为马氏体组织，见图7(d)；随着向内部过渡出现珠光体团。此外，钢剑存在明显的含碳不均匀性，中心层含碳少，铁素体是多数相，见图7(c)。中心主要为珠光体型的屈氏体加少量晶界铁素体或魏氏体组织，见图7(e)。显微硬度测定表明，不同位置的组织与硬度值有很好的对应性。

图7 钢戟钢剑不同位置的组织：(a)钢戟刃部组织；(b)钢戟中心组织；(c)钢剑低倍照片；(d)钢剑刃部组织；(e)钢剑近中心组织

基于不同表面层位置的氧化层组织，提出了表面黑漆层腐蚀风化过程的设想，见图8。过程如下，黑漆层不是完全致密的，存在夹杂物空洞，见图8(a)；氧进入后在次表层形成Fe2O3，基体内部大量夹杂物都是优先的腐蚀地点，见图8(b)；Fe2O3主要向内层基体中不均匀生长，同时向表层Fe3O4内生长，替代掉Fe3O4，Fe3O4还被分解成多相夹杂物而导致疏松。此外，潮湿环境下的水与钢中S 作用，形成氢气，产生应力，加速表层黑漆层脱落，露出Fe2O3。

图8 钢剑表面层腐蚀程度差异的组织：(a)黑漆层相对完好的组织；(b)黑漆层被铁锈层逐渐替代的组织；(c)黑漆层疑似发生分解的组织

重温北京科技大学科技史学科创建路程

在原来初步了解Smith 教授、铸铁中国展览、柯俊传[1-5]中读到的事件基础上，进一步阅读柯先生、韩汝玢教授的经典文献[6-8]；品味“李众”笔名的金相法考古及分析推理过程，见图9。体会柯先生总结提出的中国钢铁10 大创新事件（表3），感受到了文化自信。在此基础上，对比实测数据，探究他们如何用金相法以金属学知识分析出制备工艺，以及他们的思路、逻辑关系、判断法等。在钢铁制造技术方面，汉代是一个巅峰时期，钢制兵器又是古代铁器中的高科技产品，技术含量更高。古代条件下打造一口钢制宝剑可能需要数年时间，百炼钢需要经过千锤百炼（图10）。北京科技大学的科技史专业发展经历了由冶金史教研室，冶金史研究所，科技史研究所，科技史与文化遗产研究院的发展壮大过程。新成立的“材料考古与保护教育部重点实验室”，以及筹划的考古博物馆展示都是进一步发展的重大举措。相信随着科技史专业方向的发展，更多的材料专业人员也将进入跨学科合作、融合的状态。希望这些都能激发学习材料专业学生的专业热情及兴趣。临近退休时，笔者与一些已从事其他专业研究退休但对考古感兴趣的同学交流，感到他们对考古的兴趣只能通过看电视，到博物馆参观来表现，如果自己还可以“真刀真枪”地“下场”干一番，那不是很励志吗？经过检测汉代钢制兵器，以及与考古学者的讨论，再来阅读老一代我国冶金史考古学家的经典文献，自然体会与感受就完全不同了。

表3 中国钢铁技术的十大发明[7]

图10 韩汝玢教授、柯俊院士于1984 年发表的百炼钢的经典文献[8]

此外，阅读文献中还被我国更老一代冶金学家周志宏先生（1955 年中科学院士，在文献[10]有介绍）研究炼钢冶金史的文章所触动。以前，仅了解他与美国材料学家R.Mehl、Sauveur 教授对钢中魏氏组织的研究。现在了解到他解放前最早研究灌钢工艺在近代的延续——苏钢工艺，并在四川北碚金刚碑考察了苏钢工艺[11]。周先生的研究填补了近代灌钢工艺认识的空白，见图11。

图11 周志宏先生1955 年发表的我国早期炼钢技术文章[11]

以学习共同体方式与学生一同参与跨学科研究时的考虑

为了在跨学科研究中能对学生起到专业教育及应用训练的作用，不能直接检测样品和讨论数据，要同时考虑循序诱导的方式，带动学生，尽量让学生从旁观者过渡到参与者。要照顾到学生的现状（特别是学习比较吃力，缺乏专业兴趣的学生），引导他们逐渐了解与解决实际材料学各个阶段的问题。基本步骤是：

1）首先讲述本次活动的背景；从上材科基第一节引言课展示的题目入手，见图12。谈及材科基知识与毕业后从事职业的关系，强调学好材料组织分析这个基本的“看家”本领，将来可能从事各式各样的工作，即可能是考古中的组织鉴定，也可能对天体物质的检测分析（比如陨石，现在已不用等待外星球碎片坠落到地球上，而是可以到天体上取回物质进行检测分析，从而了解星球上物质的演变）。图12(b)还在凝固一章中给出过简单的例子，是柯先生等组织的中国古代铸造技术发明创造展[1,5]。

笔者借助检测出土西汉钢剑、钢戟机会，练习应用课程知识，与考古学学者研讨，重温冶金史研究所创建及柯先生在冶金史考古发明的贡献。期望学生放松心情，敢于提问，不怕说错。

2）选出相关的基本概念，如扩散原理（表层氧化层的形成分析），相图原理（铁碳相图、铁氧相图、铁氮相图、氧化物夹杂相图等），凝固原理（白口铁凝固，共晶夹杂物凝固、先共晶、共晶凝固形貌特点等），固态相变（奥氏体转变为铁素体、珠光体、魏氏体、马氏体；不同氧化物之间的相变等）。热变形（回复、再结晶及对相变的影响等）。

3）给学生转发中央电视台制作以梁斌副理事长为主人公的《铭文断剑》节目（图13），提高兴趣。使学生不但看金相样品，还尽可能看到实际出土物件，手握古代钢剑，就像与古人握手，体会“冥冥之中”在与古人“对话”的情景。

图13 中央电视台军事农业频道2020 年播出《铭文断剑》节目截图

4）进一步分类各种知识，如热处理课程知识（淬火、正火，渗氮，渗碳，马氏体组织），冶金生产知识（炼铁与炼钢，氧化、还原，造渣），告诉学生实际材料问题是个综合问题，会涉及到多门课程内容，不可能单靠材科基一门课程知识就能解决，要注意分辨出不同课程的内容，材料分析方法课程知识（扫描电镜，能谱仪，显微硬度仪等）和考古学知识，训练综合应用的能力。

5）介绍北京科技大学柯先生创建的冶金史及专业。介绍柯先生、韩汝玢教授的经典考古文章、中国钢铁十大发明。

6）集中活动时间还要考虑到学生临近期末考试，集中复习的现状，避开学生的其它选修课时间。这里的确在时间安排上不易处理好合作研究和带动学生的关系。因为合作研究不能单方面等学生有时间再去进行，还需满足合作方尽快得到检测结果的希望。

7）将全部检测报告发给学生，告诉他们有不会的问题时，可通过微信等方式随时提问。

总之，通过这项有趣、有意义的活动，各方都有不同程度的收获，笔者感觉收获最大，因为亲自“下场”开展了对汉代钢制兵器的研究，检验了自己的能力，学习了很多科技考古学的知识和文化，重温了柯先生、韩汝玢等老一代的考古研究之路及金相与冶金考古学科的联系，了解了与学生共同开展跨专业交流的经验。这为今后进一步拓展合作及教研打下了基础。

结束语

探索由教师、学生组成学习共同体，基于材科基课程知识，就汉代出土钢制兵器与考古学人士跨学科合作研究，合作中重温了柯俊院士创建的冶金史专业发展历程与考古金相法鉴定过程，得到多重收获。

1）体会了检测汉代钢制兵器的考古研究过程，与考古学人士交流，碰撞火花，学到了很多考古学知识，也贡献了自己材料学分析的特长。

2）与学生共同开展出土钢制兵器检测分析的过程中，总结出了课程知识与实际应用的有效衔接方法，考虑学生的基础条件，将基本知识逐渐拓展到分析应用的阶段式方法中，更注重综合能力的培养，即养成大胆提问，动手做些力所能及的工作，分辨出不同课程中学到的知识，注重与考古学人士的交往，了解其它领域知识及工作方法；

3）重温了柯先生等老一代金属物理学家、考古学者创建古代钢制兵器的研究过程，“重新踏上了”他们走过的“道路”，从他们的经典文献中读出了考古知识、方法，也读懂了历史和他们的开拓精神。

4）总结了一个课程知识应用案例，也是一个课程教学资源，丰富了材科基课程的教学改革的历史。为所讲授的国家级一流课程再塑一个精彩的课程思政案例。一门课程不单是一本教材，一组课件，一个试题库或一本学习指导书；也包含着课程文化、课程历史，这些课程资源更好地展示着课程的厚重。目前的课程特点是拥有课堂教学外的巨大网络资源，这些资源不但要从国内外收集，更要自己去创造。

致谢：首先感谢梁斌先生提供的检测用样品以及对本文涉及的考古学背景知识及术语的把关修正；也感谢马丹丹博士，博士生王通、硕士生曹博、崔凤娥高级工程师、李箫工程师帮助进行电镜检测；还要感谢材科20 级学生汪劲帆、崔家伟、吴雨冰、欧阳楚参加了本次活动。