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熔點#為何人類要先用青銅器,而不是直接使用鐵?其中奧秘令人意外( 二 )


除此以外,用含銅礦石砌成的陶窯或爐灶,在一定條件下,也可能使銅礦石中的氧化部分還原成銅,這是銅的冶煉術產生的另一途徑。
在自然界的銅礦石中,一種名叫孔雀石的礦物是最常見的,一般早翠綠色,色彩鮮艷奪目,極易被發現。
孔雀石常與自然銅一起出現,并與銅有類似的顏色,故而亦容易使人想到其中有銅。硝酸鹽受熱分解,即變成氧化物。
氧化銅礦同木炭一起加熱即能還原出銅來。中國古代最初使用的孔雀石多是含銅很富(10~20%)的氧化銅,可以直接入爐冶煉,銅的熔點是1083℃,所以熔煉的溫度在約1100℃(或稍高)即可以。
有的學者推測:
孔雀石因色彩艷麗,很早就引起人們的注意,被采集來作為裝飾品。
當“孔雀石偶然投入爐火之中,溫度達到1083℃以及存在著木炭等還原劑的情況下,孔雀石即可以在簡易的爐中還原出銅來,故而孔雀石被熔化還原成紅銅。當這種情況重復出現多次后,人們終于學會了用孔雀石和木炭來冶煉紅銅”。

熔點#為何人類要先用青銅器,而不是直接使用鐵?其中奧秘令人意外
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從人類利用金屬的歷史來看,砷銅雖然在很長時間內、相當大的地域范圍內取代了紅銅,但其鑄件的機械性能(強度、硬度等)仍與純銅鑄件較為接近。
所以無論是純銅(即紅銅)還是砷銅等銅的合金,皆由于機械性能不夠優良而導致最終被錫銅合金的青銅取代。只有在錫青銅被發明與應用后,金屬器物才能在較廣泛的范圍內取代石器(及陶器)。
三、青銅為何取代紅銅?
所以如此,是因為青銅比紅銅與砷銅有較多的優越性。與紅銅相比,錫青銅有如下優點:
(一)熔點較低。
在物理學和化學性質上,一般合金熔點比原來的金屬熔點低;硬度比原來的金屬硬度高;體積比原來的金屬略漲大。銅錫合金的青銅也是如此。紅銅熔點為1083℃,若加錫15%,熔點即降低到960℃;若加錫25%,熔點就會降到800℃。
因此,這種溫度條件顯然要比冶煉紅銅更容易得到。
(二)硬度較高。
紅銅硬度是35度(布林尼爾硬度計),如果加錫5~7%、就增高到50~60度;若加錫7~9%,即增高到65~70度;若加錫9~11%,就會增高到70~80度,比紅銅硬度提高一倍以上。
這樣就可以克服上述紅銅那種質地較軟的缺點。同時由于青銅硬度隨著加錫量成正比地提高,人們可以按照不同器類的需要而予以增減,選擇各種不同的比例,鑄造出合金硬度不同的器物。

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(三)適宜于鑄造。
紅銅的鑄造性能不良,易吸收空氣,在合范翻鑄時所成的制品往往帶有氣眼,表面粗糙。
青銅在熔化時成為液態,流動性很強,無孔不人,冷凝時體積略有漲大,則可以填滿器范,填充性好,且很少有氣孔。
由于具有上述三個優點,即具有較好的鑄造性能,使青銅在應用上具有廣泛的適應性。在人們逐漸對青銅性能有所認識后,便開始利用銅錫共生礦提煉青銅,或有意識地從錫礦中提煉出來錫與純銅混合,后來發展到摻以不同比量的錫來鑄造不同用途的青銅器具。
錫青銅不僅在性能上明顯優于紅銅,而且比砷銅有更多的優點:
錫含量10%以上的錫青銅強度增加明顯,而砷銅的固熔強化相對要較緩慢;兩者加工硬化速度相當,而相同含量的錫青銅硬度要高于砷銅;相同合金含量的錫青銅抗拉強度也要比砷銅大。雖然砷銅相對錫青銅有更好的熱鍛性能,但這種優點,在采用鑄造而不是鍛造方法制造銅器時自然會被忽略。除以上原因使錫青銅最終淘汰了砷銅外,砷銅在冶煉過程中會產生有劇毒的氣體,危害人的身體健康也是一個重要的因素。所以,人類肯定是有意識地用錫取代砷制造銅合金的。