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铁质文物的显微组织分析

发布时间:2017-12-15 点击:161次

  现代工业生产的铁碳合金,按其含碳量及组织的不同,分为纯铁、钢(亚共析钢、共析钢、过共析钢)、生铁(亚共晶生铁、共晶生铁、过共晶生铁)(图1)。此外,还可对铁碳合金进行退火、淬火、回火、化学热处理等热加工及冷轧、锻打等冷加工,使其组织发生相应变化,符合使用需求。
  因而,对于古代铁质文物,可通过金相显微组织及夹杂物特征分析(图2),推断其材质、加工工艺,探究该文物所处历史背景下的冶铁技术。目前关于中国冶铁术的产生、发展依然存在较多疑问。考古出土铁器的分析结果,可补充文献史料记载的缺漏,作为研究各历史阶段冶铁技术的重要实物资料。
  在冶铁技术发明以前,人类使用的铁为自然铁及陨铁。陨铁中含有镍和钴,显微组织为层状魏氏组织,明显区别于人工冶铁。
  最初的人工冶铁产品为块炼铁,使用低温固态还原法(块炼法),在较低温度(约1000℃)下使氧化铁还原成固态的海绵铁,这种铁结构疏松,常与炼渣混杂在一起,需经过反复加热锻打,挤出渣滓,或者将渣铁混合物破碎后,拣选出其中的铁粒再加热锻打,最终得到质地较紧密但依然含有较多夹杂物的纯铁料块(块炼铁),其显微组织为铁素体颗粒及沿加工方向延伸的氧化亚铁、氧化亚铁——铁橄榄石型硅酸盐共晶夹杂物。块炼铁质地较软,可通过对其进行渗碳提高硬度和使用性能,或在锻打时吸收碳,形成块炼渗碳钢(图3)。
  其次是生铁,使用高温液态还原法,在较高温度(约1200℃)下使氧化铁还原并充分吸收碳,成为熔融的生铁,以液态从炉中放出,直接浇铸成器或铸成锭块以供重熔使用。由于经过液化阶段,渣铁分离较好,因而质地匀净,杂质较少。为改善生铁的性能,又发明了退火脱碳、炒钢、灌钢、贴钢等技术。可通过显微组织的晶粒形貌、含碳量分布、分层及夹杂物成分分析推断样品使用的加工技术(图4)。
  但是,由于古代铁器在埋藏保存环境中易腐蚀,表层往往锈透,造成采样分析困难。此种情况下,可尽量在锈蚀中寻找残留的金属基体颗粒或锈蚀中残留的组织痕迹(图5)。

                                                           (文/图:覃椿筱)

  参考资料:
  北京工业学院金相及热处理教研组编:《金属学简明教程》,中国工业出版社,1961。
  王岚、杨平、李长荣:《金相实验技术》(第2版),冶金工业出版社,2010。
  华觉明:《中国上古金属技术——铜和铁造就的文明》,大象出版社,1999。
  陈建立、韩汝玢:《汉晋中原及北方地区钢铁技术研究》,北京大学出版社,2007。

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