供稿|楊平

內(nèi)容導(dǎo)讀 北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程和科學(xué)技術(shù)史是學(xué)校4 個國家一流學(xué)科中的2 個?？茖W(xué)技術(shù)史學(xué)科創(chuàng)始人柯俊院士等早年來自金相或金物專業(yè)，因此兩個學(xué)科有著特殊而密切的歷史淵源。出土的金屬文物是兩個學(xué)科交流的共同研究載體，也是跨學(xué)科思想火花碰撞的交匯點。本文以檢測西漢出土鋼制兵器為聚焦點，通過帶領(lǐng)授課學(xué)生并從材料科學(xué)基礎(chǔ)課程知識為出發(fā)點，與考古學(xué)學(xué)者一同開展檢測、分析、研討，感受由文物展現(xiàn)出的有趣的考古學(xué)人文歷史故事；同時重溫柯先生等老一代材料學(xué)家、科技考古學(xué)家的經(jīng)典文獻(xiàn)、經(jīng)典金相法鑒別案例以及學(xué)科建設(shè)等活動的軌跡，總結(jié)了相關(guān)活動的經(jīng)驗，整理出了典型的課程思政教學(xué)案例，豐富了課程教學(xué)資源。

為了貫徹國家優(yōu)先發(fā)展重工業(yè)的策略，北京科技大學(xué)于1952 建校時成立金相專業(yè)，其專業(yè)主干課程金相學(xué)即是現(xiàn)在的材料科學(xué)基礎(chǔ)課程。柯俊先生1953 年從英國留學(xué)回國，1954 年進(jìn)入北京鋼鐵工業(yè)學(xué)院金相教研室，1956 年他轉(zhuǎn)而創(chuàng)建了金屬物理專業(yè)。1972—1974 年間，柯俊先生、丘亮輝老師、韓汝玢老師、孫淑云老師這些來自金相或金物教研室或?qū)I(yè)的學(xué)者，一同創(chuàng)建了冶金史組，及隨后的冶金史研究室、冶金史研究所、冶金與材料史研究所?？萍际费芯克粩喟l(fā)展壯大，并與國外冶金考古學(xué)者（如C Smith，R Maddin 等）進(jìn)行了廣泛的交流[1-4]，現(xiàn)在發(fā)展成為北京科技大學(xué)科學(xué)技術(shù)史與文化遺產(chǎn)研究院，是世界上規(guī)模最大的冶金史研究的專門機構(gòu)。柯俊院士主持的“中國古代鋼鐵技術(shù)的發(fā)展歷程”研究項目，獲得1987 年國家自然科學(xué)三等獎、教育部科技進(jìn)步二等獎。因此，金相專業(yè)與冶金史研究有著密切的聯(lián)系。科學(xué)技術(shù)史學(xué)科與從金相專業(yè)發(fā)展而來的材料科學(xué)與工程學(xué)科同時都是北京科大學(xué)的國家級一流專業(yè)，在專業(yè)評估時都是A+。

柯先生、Smith 教授在材料領(lǐng)域與科技考古領(lǐng)域的貢獻(xiàn)筆者前期在文章中曾提及[5]，但遠(yuǎn)不夠具體。近期，筆者有幸結(jié)識了北京科技大學(xué)科技史與文化遺產(chǎn)研究院從事考古學(xué)研究的在職博士生、同時又是中國社會經(jīng)濟(jì)文化交流協(xié)會文博專業(yè)委員會副理事長梁斌先生，他有著非常豐富的古代兵器史研究經(jīng)驗，提出希望我們材料專業(yè)人員協(xié)助檢測漢代出土鋼制兵器的表面強化工藝及表面防腐工藝。具體講就是鋼制兵器是否經(jīng)過滲碳或滲氮之類的強化處理？兵器表面起著很好防腐作用的黑漆層結(jié)構(gòu)是什么？是自然形成的還是特殊方法制備的？早期冶金史教研室人員來自金相教研室，金相法是“看家”本領(lǐng)，梁斌先生是柯先生、韓汝玢教授傳下來的研究梯隊成員，拉近了我們的距離，此外，其豐富的考古學(xué)背景知識（古代器物、古代史），對大量相關(guān)古文文獻(xiàn)的閱讀理解力，令我們佩服不已。作為材料科學(xué)基礎(chǔ)（簡稱材科基）任課教師，課上曾告訴學(xué)生，利用顯微鏡觀察組織，可以從事很多領(lǐng)域的研究或職業(yè)工作，其中之一就是對出土文物組織的觀察、檢測和鑒別。因此，筆者不但愿意嘗試對約2000 年前的漢代鋼制兵器進(jìn)行檢測，而且還動員4 名上材科基課程且學(xué)習(xí)感到較困難的學(xué)生，一起與梁斌先生進(jìn)行跨學(xué)科的檢測、交流、研討，看看我們到底能走多遠(yuǎn)。為便于讀者理解，圖1 給出材科基課程、漢代鋼制兵器、科技史研究院三者之間關(guān)系及活動的意義示意圖，筆者把這項活動視為由教師學(xué)生組成的學(xué)習(xí)共同體，嘗試著跨學(xué)科式的交流，以下分別介紹。

圖1 材科基課程-出土鋼制兵器與科技史關(guān)系示意圖

對出土鋼制兵器的檢測及分析

圖2 為用于檢測的2 件樣品，為漢代高等級兵器中的鋼戟與鋼劍；圖2(a)為鋼戟實物，是中國戰(zhàn)漢時期所特有的兵器，箭頭所指為其胡部取樣位置。圖2(b)為殘斷鋼劍的實物，現(xiàn)存劍莖及部分劍身，于劍體做全截面取樣。鋼戟和鋼劍分別出自山東和湖北地區(qū)的西漢早期墓葬內(nèi)。兩者都來自水坑環(huán)境，即埋藏于地下水浸泡的墓室中，因此得到很好的密封保護(hù)，雖然經(jīng)過了2000 年，表面有不少鐵銹，但仍基本保存完好，特別是表層有一黑漆層，起到很好的防腐保護(hù)作用。對此兩件兵器，考古學(xué)者希望獲得的信息是：1）表層鋒銳的刃部是否經(jīng)過滲碳、滲氮處理？還是經(jīng)過了普通的淬火處理？2）表面黑漆層是什么結(jié)構(gòu)？是自然產(chǎn)物還是特殊制成的？3）兩件兵器制作工藝是目前已知的塊煉鋼、鑄鐵脫碳鋼還是炒鋼？關(guān)于第3 個問題，早年柯先生、韓汝玢教授，以及北京科技大學(xué)科技史的一系列學(xué)者都進(jìn)行過廣泛成熟的研究，形成了相應(yīng)的理論[6-9]，為我們提供了很好的參照。因此檢測分3 個方向：1）兵器表層與次表層組織結(jié)構(gòu)；2）兵器中夾雜物類型及對應(yīng)的冶煉工藝；3）檢測組織確定熱處理工藝。

圖2 樣品：(a)鋼戟；(b)鋼劍；及樣品(c)鋼戟鑲嵌后；(d)鋼劍鑲嵌后

經(jīng)檢測分析（見圖3 和圖4），初步確定最表層黑漆層是制造鋼戟、鋼劍時通過高溫堿浴特殊處理形成的，其厚度10 μm 左右（經(jīng)查證，一般發(fā)藍(lán)處理的厚度約2 μm）；黑漆層中含有特殊的Al、Si，其分布不是很均勻，但可以固溶形式存在。這種Al、Si 在次表層鐵銹內(nèi)（圖4 形貌圖中次表層及內(nèi)層是鐵銹），在內(nèi)部基體中都不存在；也不可能是埋在棺墓中自然形成的，因為Al、Si 不會在室溫下直接進(jìn)入黑漆層，且黑漆層表面反而較少測到Al、Si 顯著存在。

圖3 鋼戟表面黑漆層形貌及能譜：(a)微觀形貌；(b)黑漆層能譜（spot1）；(c)基體能譜（spot2）

圖4 鋼劍表面黑漆層形貌及能譜：(a)微觀形貌；(b)黑漆層能譜（spot1）；(c)黑漆層下鐵銹的能譜（spot3）

對夾雜物測定如圖5～6 和表1～2 所示，鋼戟主要存在硅酸鐵和磷酸鈣復(fù)合夾雜，形狀規(guī)則，應(yīng)該是液相中形成的，即內(nèi)生的，應(yīng)該是鑄鐵脫碳鋼。其特點是沒有復(fù)合形式存在的氧化亞鐵，夾雜物總量較少，均勻分布。而鋼劍中的夾雜物為氧化亞鐵、硅酸鐵、磷酸鈣復(fù)合夾雜，是典型的炒鋼工業(yè)形成的。炒鋼工藝的典型操作是先煉出鑄鐵，凝固后再加熱到半熔化態(tài)，在氧化氣氛中攪拌，邊脫碳，邊氧化，形成氧化亞鐵成球狀，被隨后的硅酸鐵液體包裹。磷酸鈣熔點較低，也是液態(tài)，最后形成。兩個樣品都經(jīng)過鍛打，部分硅酸鐵變形，氧化亞鐵也變形，但也有些夾雜物沒有明顯變形。

表1 鋼戟夾雜物成分（原子數(shù)分?jǐn)?shù)） %

表2 鋼劍夾雜物成分（原子數(shù)分?jǐn)?shù)） %

圖5 鋼戟基體中的夾雜物形貌及能譜：(a)微觀形貌；(b)點1 能譜；(c)點2 能譜

圖6 鋼劍基體中的夾雜物形貌及能譜：(a)微觀形貌；(b)點29 能譜；(c)點30 能譜；(d)點32 能譜

從浸蝕的組織看，鋼戟組織均勻，刃部有少量介于隱晶馬氏體或貝氏體的組織，其它區(qū)域為珠光體型的細(xì)屈氏體和鐵素體組織，屈氏體稍多，整體為亞共析鋼，見圖7。鋼劍的兩個刃部為馬氏體組織，見圖7(d)；隨著向內(nèi)部過渡出現(xiàn)珠光體團(tuán)。此外，鋼劍存在明顯的含碳不均勻性，中心層含碳少，鐵素體是多數(shù)相，見圖7(c)。中心主要為珠光體型的屈氏體加少量晶界鐵素體或魏氏體組織，見圖7(e)。顯微硬度測定表明，不同位置的組織與硬度值有很好的對應(yīng)性。

圖7 鋼戟鋼劍不同位置的組織：(a)鋼戟刃部組織；(b)鋼戟中心組織；(c)鋼劍低倍照片；(d)鋼劍刃部組織；(e)鋼劍近中心組織

基于不同表面層位置的氧化層組織，提出了表面黑漆層腐蝕風(fēng)化過程的設(shè)想，見圖8。過程如下，黑漆層不是完全致密的，存在夾雜物空洞，見圖8(a)；氧進(jìn)入后在次表層形成Fe2O3，基體內(nèi)部大量夾雜物都是優(yōu)先的腐蝕地點，見圖8(b)；Fe2O3主要向內(nèi)層基體中不均勻生長，同時向表層Fe3O4內(nèi)生長，替代掉Fe3O4，F(xiàn)e3O4還被分解成多相夾雜物而導(dǎo)致疏松。此外，潮濕環(huán)境下的水與鋼中S 作用，形成氫氣，產(chǎn)生應(yīng)力，加速表層黑漆層脫落，露出Fe2O3。

圖8 鋼劍表面層腐蝕程度差異的組織：(a)黑漆層相對完好的組織；(b)黑漆層被鐵銹層逐漸替代的組織；(c)黑漆層疑似發(fā)生分解的組織

重溫北京科技大學(xué)科技史學(xué)科創(chuàng)建路程

在原來初步了解Smith 教授、鑄鐵中國展覽、柯俊傳[1-5]中讀到的事件基礎(chǔ)上，進(jìn)一步閱讀柯先生、韓汝玢教授的經(jīng)典文獻(xiàn)[6-8]；品味“李眾”筆名的金相法考古及分析推理過程，見圖9。體會柯先生總結(jié)提出的中國鋼鐵10 大創(chuàng)新事件（表3），感受到了文化自信。在此基礎(chǔ)上，對比實測數(shù)據(jù)，探究他們?nèi)绾斡媒鹣喾ㄒ越饘賹W(xué)知識分析出制備工藝，以及他們的思路、邏輯關(guān)系、判斷法等。在鋼鐵制造技術(shù)方面，漢代是一個巔峰時期，鋼制兵器又是古代鐵器中的高科技產(chǎn)品，技術(shù)含量更高。古代條件下打造一口鋼制寶劍可能需要數(shù)年時間，百煉鋼需要經(jīng)過千錘百煉（圖10）。北京科技大學(xué)的科技史專業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了由冶金史教研室，冶金史研究所，科技史研究所，科技史與文化遺產(chǎn)研究院的發(fā)展壯大過程。新成立的“材料考古與保護(hù)教育部重點實驗室”，以及籌劃的考古博物館展示都是進(jìn)一步發(fā)展的重大舉措。相信隨著科技史專業(yè)方向的發(fā)展，更多的材料專業(yè)人員也將進(jìn)入跨學(xué)科合作、融合的狀態(tài)。希望這些都能激發(fā)學(xué)習(xí)材料專業(yè)學(xué)生的專業(yè)熱情及興趣。臨近退休時，筆者與一些已從事其他專業(yè)研究退休但對考古感興趣的同學(xué)交流，感到他們對考古的興趣只能通過看電視，到博物館參觀來表現(xiàn)，如果自己還可以“真刀真槍”地“下場”干一番，那不是很勵志嗎？經(jīng)過檢測漢代鋼制兵器，以及與考古學(xué)者的討論，再來閱讀老一代我國冶金史考古學(xué)家的經(jīng)典文獻(xiàn)，自然體會與感受就完全不同了。

表3 中國鋼鐵技術(shù)的十大發(fā)明[7]

圖10 韓汝玢教授、柯俊院士于1984 年發(fā)表的百煉鋼的經(jīng)典文獻(xiàn)[8]

此外，閱讀文獻(xiàn)中還被我國更老一代冶金學(xué)家周志宏先生（1955 年中科學(xué)院士，在文獻(xiàn)[10]有介紹）研究煉鋼冶金史的文章所觸動。以前，僅了解他與美國材料學(xué)家R.Mehl、Sauveur 教授對鋼中魏氏組織的研究?，F(xiàn)在了解到他解放前最早研究灌鋼工藝在近代的延續(xù)——蘇鋼工藝，并在四川北碚金剛碑考察了蘇鋼工藝[11]。周先生的研究填補了近代灌鋼工藝認(rèn)識的空白，見圖11。

圖11 周志宏先生1955 年發(fā)表的我國早期煉鋼技術(shù)文章[11]

以學(xué)習(xí)共同體方式與學(xué)生一同參與跨學(xué)科研究時的考慮

為了在跨學(xué)科研究中能對學(xué)生起到專業(yè)教育及應(yīng)用訓(xùn)練的作用，不能直接檢測樣品和討論數(shù)據(jù)，要同時考慮循序誘導(dǎo)的方式，帶動學(xué)生，盡量讓學(xué)生從旁觀者過渡到參與者。要照顧到學(xué)生的現(xiàn)狀（特別是學(xué)習(xí)比較吃力，缺乏專業(yè)興趣的學(xué)生），引導(dǎo)他們逐漸了解與解決實際材料學(xué)各個階段的問題?；静襟E是：

1）首先講述本次活動的背景；從上材科基第一節(jié)引言課展示的題目入手，見圖12。談及材科基知識與畢業(yè)后從事職業(yè)的關(guān)系，強調(diào)學(xué)好材料組織分析這個基本的“看家”本領(lǐng)，將來可能從事各式各樣的工作，即可能是考古中的組織鑒定，也可能對天體物質(zhì)的檢測分析（比如隕石，現(xiàn)在已不用等待外星球碎片墜落到地球上，而是可以到天體上取回物質(zhì)進(jìn)行檢測分析，從而了解星球上物質(zhì)的演變）。圖12(b)還在凝固一章中給出過簡單的例子，是柯先生等組織的中國古代鑄造技術(shù)發(fā)明創(chuàng)造展[1,5]。

筆者借助檢測出土西漢鋼劍、鋼戟機會，練習(xí)應(yīng)用課程知識，與考古學(xué)學(xué)者研討，重溫冶金史研究所創(chuàng)建及柯先生在冶金史考古發(fā)明的貢獻(xiàn)。期望學(xué)生放松心情，敢于提問，不怕說錯。

2）選出相關(guān)的基本概念，如擴(kuò)散原理（表層氧化層的形成分析），相圖原理（鐵碳相圖、鐵氧相圖、鐵氮相圖、氧化物夾雜相圖等），凝固原理（白口鐵凝固，共晶夾雜物凝固、先共晶、共晶凝固形貌特點等），固態(tài)相變（奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體、珠光體、魏氏體、馬氏體；不同氧化物之間的相變等）。熱變形（回復(fù)、再結(jié)晶及對相變的影響等）。

3）給學(xué)生轉(zhuǎn)發(fā)中央電視臺制作以梁斌副理事長為主人公的《銘文斷劍》節(jié)目（圖13），提高興趣。使學(xué)生不但看金相樣品，還盡可能看到實際出土物件，手握古代鋼劍，就像與古人握手，體會“冥冥之中”在與古人“對話”的情景。

圖13 中央電視臺軍事農(nóng)業(yè)頻道2020 年播出《銘文斷劍》節(jié)目截圖

4）進(jìn)一步分類各種知識，如熱處理課程知識（淬火、正火，滲氮，滲碳，馬氏體組織），冶金生產(chǎn)知識（煉鐵與煉鋼，氧化、還原，造渣），告訴學(xué)生實際材料問題是個綜合問題，會涉及到多門課程內(nèi)容，不可能單靠材科基一門課程知識就能解決，要注意分辨出不同課程的內(nèi)容，材料分析方法課程知識（掃描電鏡，能譜儀，顯微硬度儀等）和考古學(xué)知識，訓(xùn)練綜合應(yīng)用的能力。

5）介紹北京科技大學(xué)柯先生創(chuàng)建的冶金史及專業(yè)。介紹柯先生、韓汝玢教授的經(jīng)典考古文章、中國鋼鐵十大發(fā)明。

6）集中活動時間還要考慮到學(xué)生臨近期末考試，集中復(fù)習(xí)的現(xiàn)狀，避開學(xué)生的其它選修課時間。這里的確在時間安排上不易處理好合作研究和帶動學(xué)生的關(guān)系。因為合作研究不能單方面等學(xué)生有時間再去進(jìn)行，還需滿足合作方盡快得到檢測結(jié)果的希望。

7）將全部檢測報告發(fā)給學(xué)生，告訴他們有不會的問題時，可通過微信等方式隨時提問。

總之，通過這項有趣、有意義的活動，各方都有不同程度的收獲，筆者感覺收獲最大，因為親自“下場”開展了對漢代鋼制兵器的研究，檢驗了自己的能力，學(xué)習(xí)了很多科技考古學(xué)的知識和文化，重溫了柯先生、韓汝玢等老一代的考古研究之路及金相與冶金考古學(xué)科的聯(lián)系，了解了與學(xué)生共同開展跨專業(yè)交流的經(jīng)驗。這為今后進(jìn)一步拓展合作及教研打下了基礎(chǔ)。

結(jié)束語

探索由教師、學(xué)生組成學(xué)習(xí)共同體，基于材科基課程知識，就漢代出土鋼制兵器與考古學(xué)人士跨學(xué)科合作研究，合作中重溫了柯俊院士創(chuàng)建的冶金史專業(yè)發(fā)展歷程與考古金相法鑒定過程，得到多重收獲。

1）體會了檢測漢代鋼制兵器的考古研究過程，與考古學(xué)人士交流，碰撞火花，學(xué)到了很多考古學(xué)知識，也貢獻(xiàn)了自己材料學(xué)分析的特長。

2）與學(xué)生共同開展出土鋼制兵器檢測分析的過程中，總結(jié)出了課程知識與實際應(yīng)用的有效銜接方法，考慮學(xué)生的基礎(chǔ)條件，將基本知識逐漸拓展到分析應(yīng)用的階段式方法中，更注重綜合能力的培養(yǎng)，即養(yǎng)成大膽提問，動手做些力所能及的工作，分辨出不同課程中學(xué)到的知識，注重與考古學(xué)人士的交往，了解其它領(lǐng)域知識及工作方法；

3）重溫了柯先生等老一代金屬物理學(xué)家、考古學(xué)者創(chuàng)建古代鋼制兵器的研究過程，“重新踏上了”他們走過的“道路”，從他們的經(jīng)典文獻(xiàn)中讀出了考古知識、方法，也讀懂了歷史和他們的開拓精神。

4）總結(jié)了一個課程知識應(yīng)用案例，也是一個課程教學(xué)資源，豐富了材科基課程的教學(xué)改革的歷史。為所講授的國家級一流課程再塑一個精彩的課程思政案例。一門課程不單是一本教材，一組課件，一個試題庫或一本學(xué)習(xí)指導(dǎo)書；也包含著課程文化、課程歷史，這些課程資源更好地展示著課程的厚重。目前的課程特點是擁有課堂教學(xué)外的巨大網(wǎng)絡(luò)資源，這些資源不但要從國內(nèi)外收集，更要自己去創(chuàng)造。

致謝：首先感謝梁斌先生提供的檢測用樣品以及對本文涉及的考古學(xué)背景知識及術(shù)語的把關(guān)修正；也感謝馬丹丹博士，博士生王通、碩士生曹博、崔鳳娥高級工程師、李簫工程師幫助進(jìn)行電鏡檢測；還要感謝材科20 級學(xué)生汪勁帆、崔家偉、吳雨冰、歐陽楚參加了本次活動。