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中国科学技术史稿（修订版） [:1701078139]
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二 铁器时代的到来与冶铁技术
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生铁、钢与铸铁柔化术的出现
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我国古代用铁的历史可以追溯到商代。1972年，在河北藁城县出土了一件商代的铁刃铜钺。虽然其铁刃是以陨铁为原料，但它表明先民们已经对铁有所认识，而且已能够进行锻打加工并和青铜铸接成器。对陨铁的加工和铸接，无疑都是在青铜冶铸作坊中进行的。我国人工铸铁技术发明于何时，至今尚难断言，但这项技术至迟始于春秋。在春秋战国之际和战国早期，冶铁术先后出现了三项重大的发展。
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图3－1 长沙出土的钢剑（春秋末期）
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（一）生铁冶铸技术。据《左传·昭公二十九年》记载，周敬王七年（公元前513年），晋国铸造了一个铁质刑鼎，把范宣子所作的刑书铸在上面。铸刑鼎的铁，是作为军赋向民间征收来的，这说明至迟春秋末期出现了民间炼铁作坊，而且已较好地掌握了生铁的冶铸技术。中华人民共和国成立以来相继出土了一些春秋末期吴、楚等国的铁器遗物，其中江苏六合程桥吴墓出土的铁丸和铁条，经金相检测，前者为白口铁铸件，后者是用块炼铁锻成的。这是我国考古发掘关于生铁冶铸器物的最早的实物见证。生铁的冶炼在冶金史上是一个划时代的进步。欧洲一些国家在公元前一千年前后已能生产块炼铁，公元初罗马已偶能得到生铁，但多废弃不用，直到公元14世纪才使用铸铁，其间经历了十分漫长的发展道路。而我国古代只用较短的时间，就实现了这一技术突破，出现了铸铁。这与我国奴隶制时代高度发展的青铜冶铸技术有着密切的关系。因为它从矿石、燃料、筑炉、熔炼、鼓风和范铸技术等各方面，为生铁的冶炼准备了坚实的技术基础。生铁冶炼技术的出现，改变了块炼法冶炼与加工都较费工费时的状况，提高了生产率，降低了成本，使得较大量和较省力地提炼铁矿石、铸造器形比较复杂的铁器成为可能。这就为铁器的普及打下了良好的基础，同时也为我国古代冶铁术的发展开拓了自己独特的道路。
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（二）钢的出现。1976年在湖南长沙出土了一口春秋末期的钢剑，经取样分析，它所用的钢是含碳量0.5％～0.6％的中碳钢，剑身断面可以看出反复锻打的层次。这一新技术的出现给人们提供了比铁更为锐利、坚韧的原料。它对于农具、手工工具尤其是兵器质量的提高，有极深远的影响。
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（三）铸铁柔化术的出现。对洛阳水泥厂战国早期灰坑出土的铁锛和铁镈的研究表明，它们都是生铁铸件经柔化处理而得的产物。铁锛是经过较低温度退火得到的，它是白心韧性铸铁或铸铁脱碳钢件的前身或初级阶段的产品；铁镈则是经较高的退火温度和较长的退火时间处理的，是迄今为止我们所知道的最早出现的黑心韧性铸铁铸件。显然，人们是在不断的实践中，逐渐获得了通过一定的热处理，可以改善白口铁性脆、易断裂等弱点的可贵认识，并且经过了一个摸索试验的过程，才掌握了较完善的热处理脱炭技术。增加了强度和韧性的韧性铸铁的出现，在冶金史上又是一个划时代的事件。它使得生铁广泛用作生产工具成为可能，大大增长了铁器的使用寿命，加快了铁器替代铜器等生产工具的历史进程。欧洲到1722年才使用白心韧性铸铁，黑心韧性铸铁在19世纪于美国研制成功，而我国在战国时期已能生产这两种高强度铸铁，比欧美要早两千年以上。
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这三项重大的技术发明是冶铁生产发展到一定阶段的产物，是人们长期实践的经验总结。而每一项进步都给生产工具的变革以新的推动力，也就直接为当时生产力的发展，提供了有力的武器。
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河北易县燕下都所出土的战国晚期兵器，有一些经鉴定是块炼渗碳钢件，其中多数经淬火处理，这证明淬火技术在生产上已经得到广泛的应用。这时，铸造技术也有所进步，铁范的使用就是标志之一。河北兴隆燕国遗址发现了一批这一时期的铁范，它本身就是精美的白口铁铸件。范有比较复杂的复合范和双型腔，范的外形轮廓和铸件形状相似，壁厚均匀，收缩一致，可以增长铁范的使用寿命。同时还采用了防止铸件变形的加强结构——金属型芯。就是在现代，这也是不太容易处理的技术问题。铁范可以连续使用，铸成的器物比较精细，不必再作太多的加工，有的铁范可以同时浇铸两个铸件。这些都降低了成本，提高了生产效率。战国时期能用铁范铸出壁厚仅三毫米不到的薄壁铸铁件，是一项十分卓越的技术成就。
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图3－2 河北兴隆出土的战国铁镰范
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冶铁业的兴起与铁器的逐渐普及
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与上述重大的技术突破或进展相一致，春秋末和战国初年，冶铁业还主要集中在几个地区，而在战国中、后期，冶铁业则已在十分广大的地区普遍建立起来，成为手工业最重要的部门之一，其生产规模也大为扩大。如山东临淄齐国故都冶铁遗址的面积达四十余万平方米。河北易县燕下都城址内有冶铁遗址三处，总面积也达三十万平方米。这时出现了许多著名的冶铁手工业中心，如宛（今河南南阳）、邓（今河南孟县东南）、邯郸等等，出现了像魏国的孔氏、赵国的卓氏、齐国的程郑等一批因冶铁致富的大铁商。铁器的使用推广到社会生活的许多方面。河北石家庄市庄村赵国遗址出土的铁农具已占全部农具的65％；辽宁抚顺莲花堡的燕国遗址出土的铁农具，在全部农具中已占85％以上。这是铁农具在农业生产中逐渐取得了主导地位的证明。而且这一时期出土的铁器，从兵器到各种手工工具和生活用具等，种类繁多，数量激增，质量完好，出土的地点几乎遍及全国各地。又据记载，这时铁器确已成为各行各业必不可少的工具，“一农之事，必有一耜，一铫、一镰、一、一椎、一铚，然后成为农；一车必有一斤、一锯、一、一钻、一凿、一、一轲，然后成为车；一女必有一刀、一锥、一箴、一，然后成为女”【6】。这些都说明了铁器在社会生产和社会生活中的重要性。
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找矿经验和采矿技术
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春秋战国时期不但金属的冶铸技术大为提高，而且已经积累了较丰富的找矿经验并作了初步的总结，采矿技术也有长足的进步。在大量的找矿实践中，人们发现了矿苗和矿物的共生关系。《管子·地数》中说：“山上有赭者，其下有铁；上有（铅）者，其下有银；上有丹砂者，其下有黄金；上有慈石者，其下有铜金。此山之见荣者也。”所谓“山之见荣”，就是矿苗的露头。铁矿表层高价氧化物呈赭色，铅和银常共生，这是现代矿床学所证实了的。这里讲的除把铜和铁的硫化物混称为黄金或铜金外，大体上符合现代关于硫化矿床的矿物分布理论。春秋战国时期人们得到这些宝贵知识，对于矿床的探寻显然起着一定的指导作用。
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1974年，湖北大冶铜绿山发掘出的春秋战国时期的古铜矿井，是采矿技术发展的历史见证。春秋时，矿井有竖井和斜井两种，井深达四十米左右。到战国时期，矿井已深达五十余米，由竖井、斜巷、平巷等相结合组成了较合理的矿井体系。竖井为交通孔道，从这里把矿石和地下水提到地面，把支护木等运到井下，斜巷主要是为了探矿，而平巷分布在斜巷两侧。所采用的是分段上行采矿法，从矿层底部自下而上逐层开掘平巷，对已采矿石即行初选，把贫矿和废石就地充填废巷，保证运出的大多是富矿，减少了提运量。古矿井还较好地解决了井下的通风、排水、提运、照明和竖井、巷道的支护等一系列复杂的技术问题。如在通风方面，利用不同井口气压的高低差形成自然风流，并采取密闭已废弃的巷道的方法，引导风流沿着采掘方向前进，保证风流到达最深处的工作面。在巷道支护方面，采用榫接和搭接相结合的木支架形式，有效地承受了巷道的顶压、侧压和底压，以至两千多年后的今天，有的还相当坚牢。在井下排水方面，用木水槽构成井下排水系统，引水入井下积水坑，然后用桶提出井外，从而解决了排水问题等等。由铜绿山古铜矿井所反映的开采技术，我们可以窥知当时众多的矿区的生产状况，了解春秋战国时期采矿业的发展和技术水平所达到的高度。
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中国科学技术史稿（修订版） [:1701078140]
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三 精耕细作传统的开始形成与生物学知识
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《吕氏春秋·上农》等篇所反映的精耕细作技术
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伴随着封建制的产生，以一家一户为基础的个体小农经济逐渐发展起来。封建的自给自足的小农经济，以生产谷物为主，种植桑麻和饲养鸡犬豕等小家畜为副业。“百亩之田，勿夺其时，数口之家可以无饥矣”，“五亩之宅，树之以桑，五十者可以衣帛矣”，“鸡豚狗彘之畜无失其时，七十者可以食肉矣”。【7】这些记载所反映的正是这种情况。《管子·牧民》篇中记载的农业生产项目次序也是五谷、桑麻、六畜。这种以粮食作物生产为主、桑麻畜牧列居次要地位的农业结构，自战国时期基本形成后，在我国一直延续了两千多年。农业生产上的精耕细作等优良传统，此时也开始形成。这些都使中国农学逐渐形成了带有自己特点的体系。
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农业生产技术的提高，首先表现在耕作制度的变化方面，主要是改变了部分地区的一年一熟制，即把冬麦和一些春种或夏种的作物搭配起来，采取适当的技术措施，在一年或几年之内，增加种植和收获的次数。当时在“嵩山之东，河汝之间”，已可以“四种而五获”【8】（四年五熟）；在黄河流域有的地方，“人善治之”可以“一岁而再获之”【9】（一年两熟）。从此，我国农业生产开始走上了复种轮作的道路，这也是我国古代农民在耕作制度改革上的一项创举。