潘春旭 武汉大学物理科学与技术学院教授
石器时代、青铜时代、铁器时代，是我们耳熟能详的人类社会进化的里程碑。你有没有想过为什么会先有“青铜时代”，后有“铁器时代”？如果在网上搜索，答案最多的是“因为铁的熔点（1539℃）比铜高很多（1083.4 ℃），古人没有高温炉，所以冶铁出现得晚于冶铜”，这是初中化学课本的知识，并不符合冶金学和金属学原理，真实的发展历史可能要复杂得多，需要用更专业的知识和理论进行科学解读。从现代冶金学、金属学、化学可知， 金属冶炼是把金属氧化物（矿石）中的金属置换出来，得到纯金属，是一个“化学置换反应”，与金属熔点没有关系！除了高温冶炼以外，还有湿法冶金从水熔液中进行金属元素的置换与提取。调控碳含量才是古人跨越“生铁炼成钢”所面临的巨大“鸿沟”。
实际上，仅在中华大地上，最早冶铁的考古证据是2009年甘肃省临潭县磨沟寺洼文化墓葬出土的“两块铁条”，时间为青铜时代的商朝中晚期，距今约3500年。还有著名的“玉柄铁剑”，1990年出土于河南省三门峡市上村岭虢（guó）国墓地，时间为西周晚期，距今2700年，也属于青铜时代。然而“铁器时代”的起点公认为是西汉中晚期（公元前100—前50年）。显然冶铁技术的发展远远没有“温度”这么简单！人类为了“铁器时代”的出现，付出了千年的探索，也彰显了古人无穷的智慧与坚韧不拔的创新精神。
甘肃省临潭县磨沟寺洼文化墓葬出土的“两块铁条”
河南省三门峡市上村岭虢（guó）国墓地出土的玉柄铁剑
首先，我们来看青铜是如何冶炼的。古代青铜主要指铜锡合金，或者加铅的铜锡合金。当青铜技术进入成熟期以后，古代工匠的做法是：首先从矿石中分别冶炼出纯铜、纯锡和纯铅等金属，然后根据制作器物的需要，再往铜熔液中加入不同数量的锡和铅金属，配比成合金。这个过程就像炒菜时放不同的佐料，以获得不同的口感和味道，俗称“炒菜法”。青铜冶炼的核心是“做加法”，金属配比的添加量容易控制和掌握。
对于冶铁来说，要想获得能够打制刀剑与使用工具的铁合金或钢铁，现代冶炼过程需要二步：第一步将铁矿石冶炼或者还原成“生铁”；第二步把“生铁”进一步冶炼成钢。本质上，炼铁成钢是一个减少碳含量的过程，是“做减法”。然而，古人没有碳的概念，生铁中的碳看不见摸不着，成为困扰古人的千年难题。
实际上，对于青铜时代的工匠来说，发现铁矿石，实现“生铁”冶炼，不是难题！然而，当他们按照冶炼青铜“做加法”的思路，将铜、锡、铅，甚至金、银等，向铁熔液中添加时，发现对“生铁”性能的改善没有作用，甚至更差！现代金属学研究也表明铁与铜、锡、铅等金属很难形成合金。向铁中添加这些元素，不仅不能提高性能，反而还会使铁的性能下降！可以想象，当时工匠的表情是多么失望，甚至异口同声地说：“铁没有青铜好用！”但是，他们又找不到解决方法，成为一个“难以逾越的技术难题”！
将用处较小的“生铁”变为用途广泛的“钢”，人类经历了漫长的探索过程，既有深深的无奈，也有“灵光一闪”的智慧与坚持不懈的创新。直到西汉中晚期（公元前100—前50年）发明了 “炒钢”、“罐钢”、“百炼钢”等技术，使得中国完全进入了“铁器时代”，并一直延续到清末洋务运动前（公元1900年）。
“炒钢（铁）”技术。炒钢或称炒铁，被认为是炼铁史上的一次技术革命。原理是：反复搅拌铁水，让碳在空气中转变为CO、CO2挥发掉，从而减少生铁中的碳含量，使铁软化，有韧性，也就是将“生铁”炒成了“熟铁”。其技术难度是“炒”的过程很难控制，容易让碳含量减少到很低的程度。所以“熟铁”很软，不能打制刀剑等工具，没有实用价值。
“炒钢”技术示意图
“罐钢”技术。又叫团钢法，或生熟法。被认为是中国早期炼钢技术的一项最突出的成就。原理是：将高碳的“生铁”和低碳的“熟铁”按照一定比例混合，再进行冶炼，“中和”以后得到碳含量适中的铁（碳素钢），达到提高强度和韧性的目的。
“灌钢”技术示意图
“百炼钢”技术。原理是：将生铁与熟铁多层交叠（“诸铁和合”），然后在固态下反复加热、折叠、锻打，使组织变得致密，同时使碳含量适中，具有“刚柔并济”的特点。成语“百炼成钢”，文献中“卅炼”“五十炼”， “炼”字前的数字是加热锻打的次数。百炼钢制成的刀剑不仅锋利无比，在刀剑上还布满了蜿蜒曲折的花纹，变幻莫测，广受欢迎。史书记载三国时期的曹操和孙权都有这样的宝刀。在电视剧《汉武大帝》中，汉武帝派张骞出使西域大月氏国（现在的阿富汗），带回了“锻炼精钢技术”，实际上就是“百炼钢”，与著名的“大马士革刀”一脉相承。
“百炼钢”技术
大马士革刀
安徽省滁州市天长博物馆收藏的“汉代云纹铁剑”
最后一个问题：为什么人类要坚持不懈地探索和改进铁器的制作？我认为有一个因素非常重要，即：铁的冶炼只需要一种矿石与一次冶炼，工序简单，成本低，有实现大规模使用的潜在可能。而青铜则需要多种矿石的多次冶炼，然后再通过“炒菜法”配成合金，工序多，成本高，矿石难寻找，很难广泛使用。
实际上，在20世纪以前，所有的钢铁生产基本上都是凭经验！后来出现了各种科学仪器，才实现了碳含量的精确测定。现在通过精炼技术提升钢水纯净度，精确控制成分，制备出了无数个品种的合金钢等高端钢材，极大地满足了社会发展的需要。
在历史和考古学研究中，自然科学的加入能让其更加符合科学原理，使探索人类文明发展进程更接近历史的真实情况。
