关于秦国武器的误区与探讨

青铜兵器的基本问题:


要探究青铜兵器问题必须从最基本的常识入手。


历史上制成的铜兵器,有早期和青铜时代的两种。早期铜器时代的铜兵器,主要是由不含锡或含锡量极低的纯铜或砷铜冷锻而成,这种锻造法耗费工时较多。到了青铜时代,兵器改以含锡和铅的青铜铸造,铸成后经过锻打提高其性能--除了中国以外的其他大文明莫不如此。原因其实很简单,用几句话就可以说清楚。


铸造锡青铜,在含锡5%时,布氏硬度HB50;10%时,HB60;15%时,HB85;20%时,HB150;25%时,大幅上升至HB280;30%,更是飙升到HB430。(但有不同的数据,如有的书上写道:含锡10%时,HB为70-100;有的则认为是HB88,我这里从较新的田长浒先生数据)


那么,岂不是含锡量越高的青铜兵器越好?慢着。请继续看:铸造锡青铜的铸态组织多呈α相和δ相。α相,是锡溶于铜中的固溶体,δ相,是以金属间化合物Cu31Sn8为基的固溶体,它的特点是硬而脆--注意我这句话!当锡青铜含锡6%以下时,由α单相组成,含锡6%以上,则α相周界析出α+δ共析体,随着含锡量增加,δ相也就不断增加。因此,随着含锡量不断增加,青铜会越来越脆。大体上,当含锡量在5%以下时,强度、硬度、韧性均随含锡量增加而增加;从5%开始,韧性不断下降--记住!当含锡量10%时,青铜抗拉强度达到28公斤/平方毫米的高值,到15%时达到至高值30公斤/平方毫米。含锡量20%时,抗拉强度下降,之后急剧下降。


这样就出了一个两难问题:如果含锡量低,青铜兵器的韧性当然会好,但硬度会很低,而含锡量高的话,硬度会高,但韧性会很低。解决的办法就是铸造+锻打。如含锡量10%的铸造锡青铜,经锻打后硬度上限为HB228。但锻打之后,脆性仍然会增加,这时的解决办法是退火。对于含锡5%-15%的锡青铜,通过退火可以减少δ相乃至使其消失,这样就提高了青铜的韧性,还可以增加其强度和塑性,当然,付出的代价是硬度下降。


所以,除了中国以外其他大文明对于青铜兵器的打造方法大体上可以表述为铸造+锻打+退火,这样造出来的铜兵器,硬度和韧性可以达到一个大体平衡,从而实现总体机械性能的优良,根据实际需求的不同,可以通过调整含锡量来达到不同性能,若对韧性要求高,可以将含锡量控制在5%,若要求得各项性能的均衡,可将含锡量控制在10%--这就是西方所谓的“标准青铜”,因为经过以上步骤制造的含锡10%的青铜制品机械性能是最均衡的。


公元前23世纪,西亚最先按以上步骤制造出含锡8-11%的青铜制品,这种青铜制品的性能优越性使各个文明很快进入了青铜时代。在青铜时代的全盛时期,各文明的兵器、农具、工具和日常生活用品,大量由青铜制造。在实践中人们发现铸造青铜时加铅可以增加液态金属的流动性,利于铸造,后来青铜中加入的铅逐渐确定为5--15%之间,尤其以10%左右为常见。另一个新工艺是给青铜器淬火和回火,不过这种工艺主要用于青铜镜等不需要韧性的器具。因为淬火的青铜器一般含锡量都已经很高,已经无法增加其韧性了。历史上也不见有给青铜兵器淬火的证据,我们这里谈的是兵器,所以这个工艺可以不必理会。


从公元前16世纪开始,中国也进入了青铜时代。但中国的青铜器铸造业似乎从一开始就走上了歧途,不仅铸造工艺比两河明显落后(这时可以理解的),更重要的是中国青铜器非常缺乏锻打和退火的传统。商代中国青铜器的含锡比例相差悬殊,显示出尚未掌握青铜的合理比例。通过对出土文物的金相分析表明,锻打痕迹主要出现在早期纯铜制品中,青铜时代经过锻打的器物跟纯铸造的器物相比不仅数量很少而且大多没有经过可靠的金相分析,值得注意的是这些制品主要出土于中原北部原游牧民族的活动地区。经过西周到春秋战国时代,中国的青铜制造业有了发展,有研究者认为这时的铜用具普遍经过了锻打,这似乎可以很好的解释为什么西周和春秋时期的铜农工具有明显增加,当然这是还不能确定的,一般的观点仍是认为在整个青铜时代,中国的铜制农工具都很少,尤其是跟其他文明比较而言。但有一点是可以肯定的,就是春秋战国时代的中国铜兵器已经完全走上了一条邪路:一味增加含锡量来增加其硬度。春秋战国时期的华夏国家铜兵器,其含锡量高得吓人,14%?那是起步,一般都在15%以上,乃至23%。仿佛含锡量低就不好意思跟人打招呼了似的。通过上述的简单常识介绍我们已经知道一味增加含锡量,对于青铜兵器来说没有好处,虽然硬度增加了,但是其韧性下降了。要知道,含锡14%的铜器,δ相就已经很明显,何况21%!这种武器是一碰就折的,也就是说它的含锡量虽然很高,但总体机械性能很差。更要命的是,我们知道,只有含锡量15%以下的青铜才可以锻打和退火,含锡量如此之高的青铜兵器,可以说是已经断绝了一切改善其性能的途径,只能保持其铸态下的机械性能了。


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