中国古代青铜器7

第五章青铜小知识金属的键结构金属的原子结构特征是最外层电子少，易于脱落，而形成自由电子（freeelectron）自由电子可以在金属中移动而形成所谓的电子云（cloudofelectrons）。电子云带有负电，另一方面失去电子的金属原子带有正电而成为阳离子，因此，电子云和阳离子之间所作用的引力和离子相互间及电子相互间的斥力之间形成平衡而发生结合。这种结合叫做金属键（metallicbond）。

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..................自由电子金属阳离子金属的键合方式决定金属的如下特性1、良好的塑性（plasticproperty）2、良好的导电性（electricalconductivity）3、良好的传热性

（heattransferproperty）固态物质晶体非晶体金属在固态下通常都是晶体(a)原子钢球模型(b)晶格(c)晶胞金属晶体结构的描述方式

自然界中的晶体有成千上万种，它们的晶体结构各不相同。根据单位晶胞中上述六个参数（a、b、c、α、β、γ）将晶体进行分类，分类时只考虑a、b、c是否相等，α、β、γ是否相等以及它们是否呈直角等方面的特征，将晶体划分成七个晶系（crystalsystem），14种晶格（布拉菲（Bravais）晶格）立方晶系六方晶系正方晶系菱方晶系斜方晶系单斜晶系三斜晶系晶系与布拉菲晶格

绝大多数金属的晶体结构是下列三种类型面心立方结构（face-centeredcubic，简写为“fcc”）体心立方结构（body-centeredcubic，简写为“bcc”）密排六方结构（hexagonalclosed-packed，简写为“hcp”）(1)

面心立方结构面心立方结构的单位晶胞如图所示，除单位晶胞的八个角上各有一个原子外，在各个面的中心还有一个原子。具有面心立方晶格的金属有γ-Fe，Al，Cu，Ni，Au，Ag，β-Co，Pb等。(2)

体心立方结构体心立方结构的单位晶胞如图所示，除单位晶胞的八个角上各有一个原子外，在中心还有一个原子。具有体心立方晶格的金属有α-Fe，Cr，W，V，β-Ti，Mo等。(3)

密排

六方结构密排六方结构的单位晶胞如图所示，在六方单位晶胞的十二个角上以及上下底面的中心各有一个原子，单位晶胞内部还有三个原子。具有密排六方晶格的金属有α-Ti，α-Co，Mg，Zn，Be，Cd等。正三角倒三角单晶体与多晶体晶粒晶界古代青铜器的青铜一定是多晶体晶界实际上是原子错排的地方金属的塑性变形主要是通过滑移来实现的理想晶体的滑移示意图ττ按此模型，理论值与实测值相差100～1000倍！！！实际金属是有晶体缺陷的（即原子的错排）刃型位错位错是一种线缺陷

重要结论实际金属的滑移过程就是位错运动的过程，因此凡是阻碍位错运动的因素都阻碍滑移的进行，从而使金属的塑性下降，强度升高。滑移带1、塑性变形使得晶粒变形拉长形成纤维组织冷塑变对金属性能与组织的影响2、产生“形变强化”（加工硬化）形变强化形变强化形变强化

随着冷塑性变形的进行，位错密度不断增加，位错运动的阻力由此不断加大，导致金属塑性下降，强度升高的现象。

是否具有滑移带、纤维组织或是否在同一成分时有强度的升高，是判断青铜器件是否经过塑性变型加工的重要手段。由硬度试验判断是否有加工硬化由金相显微镜观察是否有纤维组织越南存样品WFB003麻江型44铜鼓为低铅的锡铅青铜.组织为α等轴晶，颗粒铅和残留的(α+δ）共析组织分布在晶界。(α+δ）共析组织中α出现聚集，说明样品铸造以后经过热锻。晶内大量滑移带的存在表明样品还经过冷加工。合金的组织

青铜是铜与锡、铅、…等其它元素的合金，其在显微镜下的组织遵从所有合金的规律，即由固溶体和金属化合物两大类“相”组成。合金相固溶体金属化合物间隙固溶体置换固溶体有限固溶体无限固溶体按溶质原子位置分按溶解度分按溶质原子分布分无序固溶体有序固溶体正常价化合物电子化合物尺寸因素化合物合金相的分类

固溶体

固溶体是溶质原子溶入固态的溶剂中，并保持溶剂晶格类型而形成的相。根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置，可将固溶体分为置换固溶体（substitutionalsolidsolution）与间隙固溶体（interstitialsolidsolution）。间隙固溶体

当溶质原子比较小时，如碳、氢、氮、硼等，它们插入晶格空隙而形成的固溶体称为间隙固溶体，如下图所示。溶剂原子溶质原子

置换固溶体溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置而形成的固溶体，如同在这些结点上的溶剂原子被溶质原子所置换，所以称为置换式固溶体，如下图所示。置换固溶体示意图溶剂原子溶质原子固溶强化固溶强化固溶强化

由于溶质原子溶入导致溶剂晶格发生畸变而使位错运动受阻，合金塑性下降，强度升高的现象。固溶强化是青铜比红铜强度高的重要原因之一。合金中固溶度越高，固溶强化效果越好。金属化合物

在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，除了形成固溶体外，还将形成晶体结构不同于任一组元的新相，称为金属化合物。金属化合物往往具有较高的熔点、较高的硬度、是合金中的重要强化相。纯铜（红铜、紫铜）的结构与性能外观：

新鲜表面是玫瑰红色，表面形成氧化亚铜Cu2O皮膜后呈紫色，故又称紫铜。密度：8.89~8.95×l03kg/m3

晶体结构：面心立方晶体（fcc)熔点：1083℃沸点：2593℃化学性能：惰性金属，耐蚀性与周期表上同族金属金、银相似，在清洁的乾燥空气中不受腐蚀。空气中含有S02、H2S、CO2和Cl2时，则生成CuSO4·3Cu(OH)2、CuCO3·Cu(OH)2、和CuC12·3Cu(OH)2等化合物，在Cu表面上形成一薄层青绿色铜锈（铜绿）。力学性能：

状态抗拉强度σb屈服强度σs伸长率δ断面收缩率ψ布氏硬度HB

MPa％退火24070507545冷加工450380635120Cu-Sn二元合金平衡相图Sn青铜的室温相组成α相是Sn固溶于Cu中的固溶体，是面心立方晶格。塑性良好。Sn在室温的溶解度极低，由520℃

到室温的α分解及慢，实际应用时可不考虑。δ相是复杂立方晶格的金属化合物Cu31Sn8。在室温极端硬脆，不能塑性加工。在350℃发生的

δ一α＋ε共析反应极慢，在实际生产条件下室温只能看到δ相，很难见到ε相。锡青铜中的金属化合物相

β相：以体心立方晶格的电子化合物Cu5Sn为基的固溶体，只在高温（586℃）下稳定。

γ相：以CuSn化合物为基的固溶体，只在520℃以上稳定。

δ相：是复杂立方晶格的金属化合物Cu31Sn8。在室温极端硬脆，不能塑性加工。

ε相：Cu3Sn，极硬脆，极其缓慢冷却才能出现，实际铸造的青铜器中很难发现该相。

η相：Cu6Sn5，极硬脆，锡青铜中的这些金属化合物相分布在青铜固溶体基体上，阻碍位错运动，降低青铜的塑性，提高强度，严重时，会大幅度降低青铜的韧性。《吕氏春秋*别类编》载有：“金柔锡柔，合两柔则刚”的记述。我们祖先早就认识到这一规律，即合金强化规律。铅炮铜的金相组织Sn:4.0~6.0Zn:4.0~6.0Pb:4.0~6.0α固溶体＋（α＋δ）＋Pb炮铜的金相组织Sn:7.5~8.5Zn:3.5~4.5Pb:0.5α固溶体上分布着（α＋δ）共析体＋Pb锡青铜中锡含量对其力学性能的影响中国古代青铜器的成分《周礼·考工记》中指出：“金有六齐：六分其金而锡居一，谓之钟鼎之齐。五分其金而锡居一，谓之斧斤之齐。四分其金，而锡居一，谓之戈戟之齐。三分其金，而锡居一，谓之大刃之齐。五分其金而锡居一，谓之削杀矢之齐。金锡半，谓之鉴燧之齐”。这六种不同成分青铜合金的配方，是世界上最早研究成分与性能、用途的关系的科学文献，它指出了青铜合金的性能随其配方比的不同而引起变化的规律。用以指导制造不同的器具。中国古代青铜器配料比我们的祖先在二千多年以前，已掌握锡青铜中含锡量与机械性能、硬度的关系，钟鼎之类的青铜铸件既需要—定的强度，硬度，也需要一定的韧性，同时要求敲击后的声音洪亮，含锡量在15一17％正可达到这个要求。斧斤之类的工具，则要求较高的强度、硬度，但仍需一定的韧性，因此其含锡量可稍高，兵器如刀剑戈戟主要要求较高的硬度和强度，含锡量又可高一些。鉴隧因需磨制表面光亮并具银白色的光泽，则需追求高硬度，因而是“六齐”中含锡量最高的。第六章中国古代青铜器铸造技术中国古代青铜器的主要铸造技术和方法1、泥范铸造法2、失蜡铸造法对中国古代青铜器范铸技术的研究根据的是古代铸铜遗址的遗物，如：郑州商城铸铜遗址。安阳殷墟铸铜遗址（获得铸型19000余块）洛阳北窑西周铸铜遗址（获得铸型万余块）侯马东周铸铜遗址（出土的残破铸型不胜其数）铸型材料不同于制陶泥科，理论上需具备如下工艺性能：1．一定的湿强度，保证在塑制或翻制泥模、从泥模翻制泥范的过程中，不改变其几何形状；2．良好的可塑性，便于塑制形状复杂、纹饰细腻的泥模，井使得从泥模上翻印的范纹饰清晰；一、泥料的选取与制备泥范铸造法的一般问题3、一定的干强度，使泥模、泥型在搬运、焙烧和浇注过程中能承受一定的外力而不损坏；4．较高的耐火度，能承受高于1200℃的高温而不软化和馈散，使铜液浇注时铸型仍能保持预定形态；5．良好的退让性，使得铸型在液态金属凝固和冷却过程中，能随着金属的收缩而相应收缩，不致使铸件产生裂纹；6．低的发气性，因为若铸型在浇注过程中发气，气体则进入金属液中使铸件生成气孔，影响铸件质量以至报废；7．高的透气性，使铸型型腔中的气体在浇注过程中能够排出，不致在烧注时混入金属液中，使铸件产生气孔乃至报废。

古代の青銅器の鋳型（いがた）は、土の焼きものでした。その土の粒子が細かければ細かいほど、細かい文様に適した鋳型ができます。その細かな文様を表現するのに理想的な土が中国の「黄土」でした。

日本で鋳型を作るとしたら数種類の土を混ぜ合わせなければならないのですが、中国では黄土だけで理想の鋳型を作ることができました。「黄土」は殷（いん）・周代の中原（ちゅうげん）の大地全体に広がっていいました。

こうしたことも中国が世界に冠たる青銅器文明を隆盛させることになった要因の１つといえます。

(一)泥料选取研究表明，商周泥型的原料与中国早期陶器的泥料相类似，说明铸型泥料也是就地取材、略加选择的干净泥土。(二)泥料加工1．过筛与漂洗

目的是选择泥土的合适粒度、减少含泥量，以较好地满足铸型的综合性能要求。若粒度太细，耐热性和热稳定性都会变差，强度也会变低；若粒度太粗，“复印性”则会变差，难以刻塑和翻制细如纤毫的泥模并翻制出泥范。

2．羼（chàn）和

该工艺直接承自制陶工艺。陶器中羼和料的比例高者达30％左右，以砂粒为主。目的：（1）减小烧制过程中发生变形和开裂的倾向；（2）减少粘土粘性作用，便于起模；（3）提高泥型的耐火度、高温强度和尺寸稳定性。

例：侯马东周泥范可能就在过筛和淘洗后的原生土中羼入了一定量的100一260目的细砂。在侯马东周铸铜遗址中发现多处米黄色或白色细砂，当系羼和料及其加工场所。

3．练制与陈腐

所谓练制就是搓揉、摔打使泥料组成更趋均匀、密度增大，从而提高其强度．使铸型不易变形、分层和开裂。所谓陈腐，使将泥料在某种特定环境陈放一定时间、更进一步提高物理性能。二、铸型设计与制作铸型设计与制作的目的：通过对青铜器铸件的分析，设计铸件的形态和功用，由此制作铸型，为浇注和最后获得青铜器件作准备。

（一）制模

模是器物的模样，是制作铸型的依据，是实现青铜器件铸造的首道工序。模的塑制过程就是青铜器的设计过程，也是铸型工艺的设计过程。对于形状简单的器物，可用这些器物直接作模。但形状较为复杂的器物，则以泥为模，这是殷墟和侯马铸铜遗址出土的实物所证实了的。泥模的塑制与陶器的制作过程相类似，塑形与雕刻当是制模的两大步骤，甚至在塑形工序中还采用了制陶工艺中的轮制法。

（二）翻制范和芯范和芯构成了铸型的主体。范形成器物的外表，芯则形成器物的内腔、孔以及某些中空部分。一般来说，浇注后被金属包络的部分称之为芯，而金属外侧的则称之为范，范与范的结合面称为“分型面”。铸造复杂器物的铸型往往需要多个范和芯的组合。

1、制范和芯步骤：

在泥模上涂以分型剂以便脱模（例用油烟熏模即为处理法之一）；将练制好的泥料做成形状较为规则的泥块。用泥弓将泥剖成一定厚度的泥片，把泥片贴覆于泥模的相应部位，外面再贴覆泥片以至预定厚度（14～130mm）；或将泥料制成小块，顺序分层贴压于模上；

修整分形面，做出与另一边范或芯装配的榫卯并撒上分型剂，即可印制下一块范。为了便于组装时辩识，往往在范背上刻划以符号；待全部泥范制就并略变干硬后，从最后制就的一片范开始倒序起模；2．组合铸型

范与芯组合成铸型。这一工序的要求是范、芯定位准确，相对位置稳定。因之，在翻制泥范时就在分型面上作出了榫卯，以备组合。铸型组合后，外面通常要捆绑加固，有的还要再糊以泥层。榫卯的形状

3．干燥

泥范或泥芯往往采用阴干，再经焙烧才能组装。组装之后还要再次干燥（同时也是预热）方能浇注。侯马东周铸铜遗址中，翻制的泥范是放在地窖内阴干的。这样可以避免泥范干操时开裂，并减少变形。通常阴干时的环境温度不宜过高，以控制水分蒸发速度，使之均匀脱水，特别在初始一段时间内更需如此。三、熔化与浇注

考古表明，至迟在商代早期，已不延用早先那种矿石冶炼后直接铸造的一步法工艺，而将冶炼和铸造分开进行。这种进步的生产方式，免去矿石与燃料的辗转之累，而将矿山附近炼得的金属，直接运至重要都邑铸造成器。可能早在夏代已是如此运作。所谓“禹收九牧之金，铸鼎于荆山下。”当是这种两步法工艺的写照。（一）溶化

早年，曾认为殷代用“将军盔”作为“炼锅”，在将军盔里配料，在炼炉中加热冶炼。这种方法与后来外加热式坩埚冶炼相同。事实上，殷墟出土的“将军盔”都是内部受热较外部为烈，不应是冶炼用的坩埚，而是盛放铜液用于浇注的浇包。(二)浇注

浇注是将熔融的铜合金注入铸型型腔的过程。先秦青铜器大多数形状较为复杂，纹饰繁缛，器壁多数较薄，要保证青铜熔液充满整个型腔确非易事