中国人为改变命运而进行的努力
恩格斯说：“最初的铁往往比青铜软，所以石器只是慢慢消失的。”这是欧洲的情况
，而在中国，铁工具和农具普及较快，兵器却普及较慢。
中国绝大多数的铁矿石品质都很恶劣，但偶然遇到富矿而打造出来的铁兵器的锋利坚
固，仍给中国人以很深的印象（这成为那些铁剑传奇的最初来源），他们开始尝试着使用
铁兵器。为了使铁兵器变得像传说中的神剑那样优秀，工匠们进行了不懈的努力。
铁（繁体字为“鐵”）音ｔｉｅ３，化学元素［周期系第Ⅷ族（类）元素］符号Ｆｅ
，原子序数２６，银白色。相对密度７．８６。延展性良好。纯铁的磁化和去磁都很快。
含杂质的铁在潮湿空气中易生锈。溶于稀酸，浓硝酸或冷的浓硫酸能使铁纯化。加热时能
同卤素、硫、磷、硅、碳等非金属反应，但同氮不能直接化合。氮化铁需在氮气中加热生
成。铁的化合价一般为＋３价和＋２价。重要矿物有磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿、
黄铁矿、铬铁矿等。中国铁矿储藏量丰富，但贫矿占绝大多数。纯铁可以用氢气使纯氧化
铁还原而得。工业用铁是将铁矿石、焦炭和助燃剂（如石灰石等）置于高炉中冶炼而得，
其中常含有碳、硫、磷、硅等元素。根据含碳量不同，可分为生铁（亦称“铸铁”含碳２
％以上）、工业纯铁（含碳量一般在０．０２５％以下）和钢（含碳量在０．０２５％－
２％之间）纯铁用于制造发电机和电动机的铁芯，铁粉用于粉末冶金，钢铁用于制造机器
和工具。铁及其化合物还用于制磁铁、药物、墨水、颜料、磨料、染料等。铁是铁器时代
之后经济建设和军事建设最重要的金属，并且是生命必须的微量营养元素。
生铁：含碳２％以上的铁碳合金，由铁矿石在高炉内冶炼而成。除碳外，还含有硅、
锰及少量磷、硫和其他元素。特点是性硬而脆、不能展延、锻造。
熟铁：又称锻铁，含碳０．２％以下。由铁矿石用碳直接还原，或由生铁经过溶化并
将杂质氧化得到的产物。前者冶炼温度很低，采用较早，后者温度较高，但生铁去碳后由
于熔点增高而变稠。两者都不易使杂质同铁完全分离，所以固体中常含有少量的渣，在加
工之后显示纤维组织。特点与生铁正好相反：较软，但延展性佳。
钢：含碳含碳量在０．０２５％－２％之间的铁基合金的总称。常含有锰（一般含量
０．１％～２％）、硅（一般含０．４％以下）、磷、硫（两者一般各不超过０．０５％
）等杂质。不含合金元素的钢称为碳素钢。含有一种或以上合金元素的钢称为合金钢。钢
兼具硬度和延展性，是最理想的冷兵器材料。
自然界中没有天然铁块，人类最初使用的是陨铁，陨铁就其性能来说，并不理想。而
且来源没有保证，显然不能取代青铜。中国在前１３世纪已经有了铜柄陨铁刃的大斧，但
之后４个世纪都没有其他铁器发现，证明了陨铁不被人重视。
后来，两河流域的人们使用了块炼铁技术。此法以地炉、竖炉为之。地炉的直径一般
为４０厘米，深２０厘米。冶炼时铺一层木炭，铺一层铁矿石，再铺一层木炭，这样一层
一层地堆积起来，然后将木炭点燃，冶炼后取出全部炉料，经过锻打分离炼渣，或者先行
破碎，分选之后烧结锻造成锭。铁矿石中的铁一般呈氧化物状态。在一定温度下，铁矿石
中的氧化铁与还原剂（木炭及其它燃烧物所产生的一氧化碳）接触，便可逐渐还原为铁。
大约５００－６００度以上开始还原，到１０００度左右，就可以得到含碳量很低的固体
铁块。这种铁块是软的、海绵似的熟铁块，结构疏松，表面有很多孔隙。孔隙中夹有矿石
本身存在的许多氧化物，需要在锻铁炉中烧红后，经过不断锻打，才能挤出一部分或大部
分杂质，取得较纯的熟铁块，锻造成各种铁器。
块炼铁无论是在外国还是在中国都首先被运用在兵器上。目前出土的中国最早的铁剑
的时代是西周晚期，因此可以审慎的把中国块炼铁技术出现的时间定在西周早期，只是由
于前面说过的原因，这项技术长期没有推广，铁兵器开始受到中国人重视是在几百年后的
春秋晚期。
在块炼铁多次加热中由于同炉火接触而触碳变硬，人们由此逐渐总结出了块炼铁渗碳
增成钢的经验，即“块炼钢”冶炼技术。渗碳、反复叠打、快冷或淬火都可以使钢铁变硬
。在１４世纪之前，块炼铁／钢法一直是中国文化圈以外用铁民族普遍采用的炼铁方法。
中国最初使用的也是块炼铁法，但在前六世纪左右已经发明了生铁铸造法。目前发现
最早的生铁制造物是江苏六合县东周墓出土的铁丸。最早的铸铁器是在长沙窑岭一座春秋
战国期间墓中出土的由麻口铁铸成的铁鼎。
生铁由铁矿石和木炭在高大的炉内通过高温熔炼而成。在冶炼过程中铁矿石（各种氧
化铁）在一定温度下与高温还原剂（木炭及其燃烧产物一氧化碳）接触，就可以逐步的还
原出金属铁。还原生成的固态铁吸收碳后，熔点也随之降低。当含碳量达到２％时，熔点
降至１３８０摄氏度。当含碳量达２％时，熔点达到至低点１１４６摄氏度。利用鼓风技
术使炉温升高到１１００－１２００摄氏度以上，可得到液态铁水流集于炉底，其上覆盖
的一层铁渣保护铁水不再被氧化。铁水从炉底流出冷却成块，就是生铁。
生铁含碳量较高，质硬而脆，最初只能用来铸造一些粗笨的东西，如铁鼎之类。锤锻
则易坏。显然，用它来制造兵器是不可能的。
在得到块炼铁技术后不久就发展出了生铁铸造技术是中国的特有现象。罗马人也曾偶
然炼出过生铁，但却把它当作废品抛弃了。大概其他国家看不上这种不能做兵器的脆铁，
而中国人意识到了它在生产方面的巨大作用。并且中国的青铜铸造技术也是比较先进的，
其中对生铁铸造十分有用的是鼓风技术。最早的鼓风工具是一种用牛皮制成的大皮囊，叫
做“橐”。人们手拿橐的把手，使它一张一合，把风鼓入炉中，把炭火吹旺，使金属熔化
。开始是一人一橐，通过一个进风管鼓风。大约在春秋末期，又发明了多管鼓风方法，就
是把许多橐排起来，通过几个进风管，一起向炉里鼓风。这种多管鼓风工具就叫做“排橐
”。中国人很聪明的把青铜铸造术“嫁接”到冶铁上面，使生产力得到了极大提高。后来
又出现了用畜力代替人力的鼓风机具，叫做“马排”。但是所花费的畜力也相当可观，据
古书记载，熔化一次矿石，需要上百匹马来拉鼓风机。耶元31年，南阳太守杜诗召集工匠
，组织设计、制造了水排，即水力鼓风机。水排能够节省人力、畜力，降低建立大型冶炼
场的成本。鼓风技术的出现和改进对于提高炉温是不可缺少的。
不过正如前面所说，生铁铸造兵器是不可能的，解决的办法有三种。
第一种是两河流域的老办法：块炼钢技术。这是最可靠、最成熟的一种办法。中国人
利用了它。１９７６年在长沙杨家山春秋晚期墓中出土的钢剑，是这种技术的证明。它长
３８．４ｌ厘米，宽２－２．６厘米。从剑身断面上可以看出反复锻打的层次，中部由７
－９层迭打而成。这是用块炼铁打成片后进行固体表面渗碳，使两面形成高碳层，中间夹
着低碳层，经过对折锻合，并用若干片迭搭锻打成长剑，钢的含碳量为０．５％－０．６
％，金相组织均匀，可能进行过热处理。这把剑的制作工艺可以使我们联想到同期中国的
复合剑。
第二种是钢铁热处理技术。早期生铁为白口铁，其中的碳都以硬度很高的化合态的渗
碳体形态存在的，使生铁性硬而脆，铸造性能好，但强度不够，为克服其脆性，战国早期
创造了白口铁柔化处理技术。所谓“柔化”就是将生铁铸件进行退火处理，即将生铁铸件
加热到高温，保持较长的时间缓缓冷却，就会适当降低其硬度和脆性，增加其可塑性和冲
击韧性，从而得到可锻铸件。依处理条件不同可以分为白心韧性铸铁和黑心韧性铸铁。前
者是在大约７５０摄氏度左右的较低温度下进行退火脱碳处理而得到的白心韧性铸件，也
叫做脱碳可锻铸铁；后者是在９００摄氏度左右较高退火温度和３－５天较长退火时间处
理下，使渗碳体石墨化而生成的黑心韧性铸件，也叫石墨化可锻铸件，石墨以团絮状存在
。
这种经退火而使铸件柔化的技术，既保持了生铁易于铸造的优点，又增强了铸件的强
度及韧性，刚柔结合，大大增加了铁器使用的寿命，使生铁的广泛运用成为可能，加快了
铁器代替青铜器的历史过程，战国中晚期，这种工艺较普遍的应用到农具和兵器的生产上
，大冶铜绿山、河北易县燕下都出土的铁锤、斧、锄、镢、锛、（钅尃）、（钅尊）等礼
器、用具、工具、农具，是钢铁热处理技术这时已经存在的证据。
中国人在生铁技术上的天才是令人惊讶的，我们可以比较一下，在世界上第二个发明
白心韧性铸铁的是法国，在１７２２年；而黑心韧性铸铁是由美国第二个发明的，在１８
２６年。
然而，经过热处理的生铁，终究也只是生铁，还是不很合适制造兵器，对于兵器来说
，最理想的是材料是钢。中国人很快又发现：含碳量高的白口生铁铸件，在氧化性气氛中
脱碳退火，将含碳量降低到钢的范围，而不析出或很少析出石墨，也可以得到钢。铸铁脱
碳钢技术在战国初出现，洛阳水泥制品厂出土的战国早期铁锛，就属于铸铁脱碳钢技术早
期的产品。
问题依然存在：块炼渗碳钢件或退火过分的铸铁脱碳钢件，坚硬程度可能不足，这就
迫使人们在实践中摸索出钢的淬火处理工艺，钢的应用和淬火是分不开的。战国晚期，淬
火技术得到运用。所谓淬火，指钢件加热到高温之后使之急速冷却（常见的是浸入冷水或
冷油中）经淬火处理的钢件，质地就变得坚硬，如是兵器，刃部将更锋利。淬火的冷却剂
，起初都用水，后来拓展到动物脂肪和尿。尿中含盐分，冷却能力比水强；用脂肪淬火，
高温时冷却快，低温时冷却慢，，用这两样东西淬火，可能得到性能良好的钢件制品。燕
下都的铁兵器都经过淬火处理。
如上所述，到了战国后期，制造兵器的钢铁的冶炼技术难关已经逐步被攻克，中国铁
矿石品质低劣的困难初步被克服。铁兵器普及已经不存在大的问题了。这时，铁兵器终于
可以与铜兵器一较短长。但自然资源条件这个问题再一次显示了它的威力。还是因为铁矿
石的品质问题，经过多次改进的中国铁兵器在生产性能上已经超过铜兵器，但在锋利程度
上还不能完全压倒成熟的铜兵器。很显然，不在质量上进一步提高，铁兵器的优势就不能
完全发挥。
汉代，决定性的转变终于到来了。
西汉的铁产量进一步提高。原因在于高炉的普及。高炉用于冶炼生铁。从上面装料，
下部鼓风，形成炉料下降，煤气上升的相对运动。燃料产生的高温煤气穿过料层上升，把
热量传给炉料，其中所含一氧化碳同时对氧化铁起还原作用。这样燃料燃烧的热能和化学
能同时得到比较充分的利用。下层的炉料被逐渐还原以至溶化。上层的炉料便从炉顶徐徐
下降，燃料被预热而能达到更高的燃烧温度。
汉代的高炉有圆形截面、椭圆形截面两种。汉代的冶铁遗址中都有高炉残迹。圆形截
面高炉的直径有１．８米的、１．６米的、１．３－１．５米之间的。高１米以上至２米
。椭圆高炉的短轴有２．２－２．４米，长轴２．４－３米。当时还出现了直径４米，高
达５～６米，有效容积五十立方米左右的巨型高炉。
显然，这种炉的效率比起容积小、炼出铁后必须拆毁炉具才能得到铁块的地炉、竖炉
要高得多，由于高炉的普及，中国的农具和工具终于完全实现了铁器化。
另一方面，战国时期出现的钢铁热处理技术和淬火技术已经成熟，并发展出了第三种
解决兵器材质问题的方法：使用新技术炼钢。
最早出现的炼钢新方法是百炼钢技术。所谓“百炼钢”，就是将块炼铁反复加热折叠
锻打，使钢的组织致密、成份均匀，杂质减少，从而提高钢的质量。用百炼钢技术制造的
刀剑，质量上完全无可挑剔，轻易的压倒了青铜剑。“百炼钢刀”成为了宝刀的代名词。
百炼钢技术的孕育时间是西汉，刘胜墓中的佩剑、钢剑和错金宝刀，虽与易县燕下都
钢剑所用的冶炼原料相同，但金相检查表明，钢的质量却有显著的提高，它正是“百炼钢
”技术雏形的产物。这一技术的成熟和逐渐普及是在东汉。1974年，山东省临沂地区苍山
汉墓中，出土了一把112年制造的钢刀，全长111．5厘米，刀背有错金铭文：“永初六年
五月丙午造卅湅大刀吉羊宜子孙”。“湅”，即是炼的意思。这是迄今为止发掘出的最早
的百炼钢类型的产品。检验表明，这把钢刀含碳量比较均匀，刃部经过淬水，所含杂质与
现代熟铁相似。百炼钢在东汉之后仍继续发展。三国时代，魏、蜀、吴的君主都配有百炼
钢刀。直到北宋，沈括仍在《梦溪笔谈》中描述了磁州制造百炼钢的工艺。并且传到了日
本，著名的日本武士刀中被称为宝刀的，制作时采用的实际上都是百炼钢技术。
百炼钢的名字由来，研究者一般认为是指加热的次数。即加热了一百次，同时反复折
叠锻打了一百次的钢。不过根据现代科学我们知道：如果钢果真加热锤打了这么多次，其
性能不仅不会提高，反而会下降（即变成了熟铁），而性能最好的是三十炼钢。实际上，
考古发现的百炼钢刀，其炼数很少有超过三十炼的，说明古人也了解这点。
从百炼钢的工艺我们可以发现，这种技术与块炼钢技术差别不大，甚至可以说只是一
种改进过的块炼钢技术。因此它也保留了块炼钢技术的主要缺点——耗费工时，其制作方
法甚至到了极为繁琐的程度。例如，曹操命工匠制造五把宝刀，据说工匠花了三年才造好
。这样的速度，用来造帝王将相的宝刀则可，如果想大规模装备钢兵器，用这种方法是不
可能的。
中国人大概早就清楚这点，大约在百炼钢技术产生的同时，炒钢技术也出现了。炒钢
，就是把生铁加热到熔化或基本熔化之后，在熔炉中加以搅拌，借空气中的氧把生铁中所
含的碳化掉，从而得到钢。因为搅拌过程跟“炒”这种烹饪方式相似而得名。炒钢技术这
一发明的重要性对中国军队来说远远超过百炼钢，因为炒钢技术相对节省工时，可以大量
制造出兵器用钢材，对于人数众多的中军非常有用。
不过炒钢技术的普及比百炼钢还慢，一直到三国时代，炒钢仍然是只有少数熟练工匠
才能掌握的“绝技”。据说蒲元就是这样的专家。他曾给蜀相诸葛亮督造过宝刀。不久，
一种更简便的炼钢方法又出现了，这就是灌钢法。所谓灌钢，就是将生铁和熟铁一起加热
，让先熔化的生铁液灌入疏松的熟铁的空隙中，使熟铁增加碳分变成钢材。南朝齐、梁时
的陶弘景（约452-536年）著有《古今刀剑录》一书，首先记载了灌钢法。他写道：“（
灌钢是）杂炼生（钅柔）所作”。北朝魏、齐间的泰母怀文曾用这种方法制成十分锋利的
“宿铁刀”，“斩甲过三十札”非常锋利。不过关于灌钢的质量也有不同的说法。沈括说
：“世間所謂鋼鐵者用柔鉄取盆之謂之團鋼亦謂之灌鋼此乃偽鋼耳暫假生鐵以爲堅二三煉
則生鐵自熟仍是柔鉄然而天下莫以爲非者蓋未識真鋼耳”。他极力推崇百炼钢。不过从这
里也可以知道，北宋时中国已经普遍采用灌钢法了。
灌钢法之后，中国钢铁技术基本上就没有什么大的发展了，直到明中期以后，灌钢法
才进一步发展为苏钢法。这种方法因在苏州首先使用而得名。苏钢法以熟铁为料铁，置于
炉中，而将生铁板放在炉口，当炉温升高到摄氏 1300度左右，生铁板开始熔化时，即用
火钳夹住生铁板左右移动，并不断翻动料铁，使料铁均匀地受到滴下的生铁液；这样，既
可产生很好的渗碳作用，又可产生剧烈的氧化作用，使铁和渣分离，生产出含渣少而成分
均匀的钢材。这种冶炼法显然比较先进，不过这时中国已经开始衰落了。到１７４０年，
欧洲发明了近代坩埚炼钢法，一举从中国人手里夺去了冶铁技术的桂冠。
从铁器时代初期来看，中国普及铁兵器的关键技术主要是鼓风技术、生铁冶炼、钢铁
热处理、淬火、高炉的运用。在这几项技术成熟之前，以中国质量恶劣的铁矿石，想普及
铁兵器是不可能的。
在西汉，中国人还可能发明了球墨铸铁，如果是真的，这是一项超越时代的发明。不
过跟兵器关系不大，因此就略去不介绍了。
“福兮祸所倚，祸兮福所倚”，中国品质低劣的铁矿，却迫使中国人发展出了世界领
先的冶铁技术，不过我们要注意三点：第一，在没有科学的古代，用上列各种冶金技术冶
炼出来的钢铁，其性能水平完全取决于工匠的熟练程度、冶炼地的自然条件、原料的天然
质量等不确定因素，质量是很难保证的。如炒钢就容易出现“一炒到底”的情况，即把生
铁炒成了熟铁；太高大的高炉很容易发生爆炸事故，因此大多数高炉都不大；百炼钢炼数
过多性能反而下降；灌钢法正如沈括所说，炼出的钢质量叫人怀疑···在古代，唯一比
较可靠的大概就是最简单的生铁铸造和块炼铁技术了。第二，古代没有专利制度，为了维
护自己的利益，各种技术的发明者和掌握者大多仅将技术进行单线式的师徒、父子相传。
这种传承方式很难推广和提高技术，有时候甚至造成了技术的倒退和失传。第三，古代关
于铁兵器的各种传说，例如干将莫邪之类，其来源是对富矿铁兵器性能的崇拜。这种传说
及演化出来的文学作品，可能有其文学价值，但对于铁兵器的发展很本没有好处，而只有
误导作用，例如十分荒谬的“三百童男女鼓风”，其实每个现代人都知道，三百个少年男
女鼓风，还不如一百头驴子有效。
在与中国之外的著名铁兵器，如武士刀、大马士革钢刀较量时，中国人惊愕的发现，
自己用先进冶铁技术制造的武器并没有取得优势。大马士革钢刀和制作精良的日本武士刀
，都能够砍断中国的钢刀！这恐怕也是因为印度和日本的铁矿石质量远优于中国的缘故。
这种情况还证实了我的推断——中国的冶铁技术始终存在问题。
参考书：
《马克思恩格斯选集》第四卷 第１５９页
《简明五金手册》修订版 简光沂 王仁豹 李耀天 陈其安 编 北京出版社１９
８３年１０月第一版 １９９１年６月第２版第１次印刷
《钢材实用手册》陆友琪 马二恩 郭铁成 王毅昌 编 中国科学技术出版社１９
９１年４月第１版
《辞海》 上海辞书出版社 １９９９年版 第４５９３、４６４２、４５７７、４
２４８页
《中国大百科全书》矿冶卷 中国大百科全书出版社１９８４年９月出版
<<中国青铜时代>> 张光直 生活、读书、新知三联书店1983年出版
《中国全史》中国春秋战国科技史 申先甲 著 人民出版社１９９４年１月出版
第２０－２３页 中国秦汉科技史 董粉和 著 第１２３页
《中国科学技术史》军事科学卷 王兆春 著 科学出版社 １９９８年８月第一版
第６２－６３页
ｔｏｍ科普频道 网址
http://www.scitom.com.cn/home.html 人教网 网址
http://www.pep.com.cn/index.htm 中学化学资源网 网址
http://huaxue.hxtoy.com.cn/ 钱伟华工作室 网址
http://dreamofeast.com/study/workroom/teacher/qianweihua/
《新校正梦溪笔谈》胡道静校注 中华书局1957年11月第一版 卷三 辨证一
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FROM 221.216.19.*