从金箍棒看中国古代与现代的理想金属材料

金箍棒是东海龙宫的“镇海 之宝”，《西游记》中这样描述“原 来两头是两个金箍，中间乃一段 乌 铁， 紧 挨 箍 有 镌 成 的 一 行 字， 唤做‘如意金箍棒一万三千五百 斤 ’”[1]。 传 说 是 大 禹 治 水 时 所 用 的定海神针，是用来丈量大海深 浅的工具。但是，史书中却没有 相关内容的记载。在新石器末期 人类开始使用金属，我国于夏代 开始进入青铜时代，在商、周时 期青铜器的使用最为广泛。古人 开始利用铁器是在 3000 年前，我 国古代先进的金属技术一直位居
图2 秦朝青铜剑(秦兵马俑博物馆文物 陈列室)
有 30% 遭受腐蚀，10% 的钢铁将 变成无用的铁锈。根据《中国腐 蚀调查报告》的资料，我国近年 来的年腐蚀损失约为 5000 亿元（约 占国民经济生产总值的 5%）[7,9]。
在夏代，史书中载有禹“以 铜为兵”的叙述，说明当时劳动 人民已用铜铸造武器，可以推测 大禹治水所用的定海神针的成分 中很有可能含有铜。铜及铜合金 电 位 较 正， 铜 的 标 准 电 极 电 位 约 为 +0.34V（ 而 铁 为 -0.44V）， 铜 的 热 力 学 稳 定 性 高， 铜 合 金 在 大 气 中 表 面 形 成 腐 蚀 产 物 膜， 如 CuCO3 · Cu(OH)2、CuSO4 · 3 Cu(OH)2 有 保 护 作 用， 所 以 大 多 数铜合金在各种大气环境下都有 良好的耐腐蚀性。同样在海水中 铜合金也具有良好的耐蚀性 。 [8,10] 而铝、不锈钢等许多工程金属材 料均不耐海水腐蚀，此外在这些 材料以及陶瓷、木材、玻璃等非 金属材料的表面上还会形成海洋 生物污损。铜则不然，铜很耐海 水腐蚀，腐蚀速率约为 0.5 mm/a。 此外，铜离子有毒，使海洋生物 不易粘附在铜表面，也可避免海 生物腐蚀 。 [8,11]
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从金箍棒看中国古代与现代的理想金 属材料
Understanding Advanced Metal Materials in Ancient and Modern China from the Viewpoint of Golden Cudgel
供稿|沈洪庆/SHEN Hong-qing
以大大提高工具使用寿命，切削 刀具寿命提高 5 ～ 80 倍，量具寿 命提高 29 ～ 150 倍，模具寿命提 高 50 ～ 100 倍，并且它可以成倍 甚至成几十倍地提高金属切削速 度，大大地提高了劳动生产率 [3]。
最近还出现了一种超微粒 WC–Co 硬 质 合 金， 其 WC 颗 粒 大小只有 0.2 ～ 1.0 μm，其钴含量为 9% ～ 15%，硬度达 HRA90 ～ 92.5， 抗 弯 强 度 2000 ～ 3500 MPa， 远 远 高 于 钴 含 量 相 同 的 普 通 合 金。 目前，硬质合金工业已延伸到非 金属陶瓷和超硬材料领域 。 [3,5–6]
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浇 注 成 功（ 图 3）。 可 见 铜 和 铜 合金已经成为了海洋工业中十分 重要的材料。
图3 超大集装箱船用螺旋桨
现代的理想金属
金箍棒是古代人们对金属材 料各方面优异性能集合于一体的 理想模型，然而随着材料科学的 飞速发展，证明了这种高硬度、 高强度、耐腐蚀、耐磨损的金属 材料是确实存在的，这就是钛和 钛合金。钛同其他结构金属相比 较有三个明显的优点，即比强度 高和耐腐蚀性能好，铝合金和镁 合金的比强度都不如钛合金，另 外钛合金还具有神奇的形状记忆 效应。而且各种钛合金的优点是 温度越高越表现出优良的力学性 能。例如在 300~350℃的温度条 件下，各种钛合金比铝合金和镁 合金更强固，在 400~500 ℃温度 范围内铝、镁合金由于强度和硬 度急剧下降而完全丧失工作能力， 而钛合金将继续保持足够的使用 强度 。 [13]
90代后硬质合金的研究生产领域对纳米超细wc粉末wcco复合粉的生产技术进行了大量的研究并取得了显着的成绩这一切都标志着硬质合金产品已成为工业中不可缺少的高技术产理想金属的耐蚀性从古至今腐蚀一直是金属使用过程中存在的自然现象但吴承恩笔下的金箍棒在海底存放几千年依旧霞光艳艳瑞气腾腾金光万道可见这几千年都没有明锈蚀
图1 商早期青铜鼎 （现藏于中国历史博物馆）
整大方，彰现了其主人的身份与 地位。司马迁所著的《史记 · 封 禅书》记载，汉武帝时，在今山
作者单位：常州大学（武进校区）材料科学与工程学院，江苏 常州 213164
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西汾河流域发现一件铜鼎，当时 以为是祥瑞之物，武帝即改年号 为“元鼎”。北宋时期，青铜器的 收藏甚至成为了一种时尚 [2]。金 属的使用更是与人类文明分不开 的，金属文明是中华文明不可分 割的一部分。由此可见，吴承恩 虚构出这样一根传奇的金箍棒绝 非只是一件兵器，它更能反映在 当时科学技术水平下人们对金属 性能的一种愿望，金箍棒可以称 得上是中国古代人们心中的理想 金属材料。
地球上密度最大的金属是锇 （22.8 g/cm3），金箍棒的密度比锇 大，然而体积是可变的，孙悟空 得到金箍棒后能随意变化它的大
小。根据质量守恒定律，无论其 体积多大，质量不变，所以金箍 棒密度是一个变值，这种现象违 背了自然规律。因为密度是物质 的一种特性，它只与物质的种类 有关，即使金箍棒变到最小（大）， 组成它的物质材料没有变化，故 其 密 度 应 该 是 一 个 定 值。 可 见， 金箍棒只是古代人们心目中金属
世界先列。古代人们历来都有崇 拜金属的倾向，在夏代，青铜材 料 在 各 类 器 物 中 处 于 中 心 位 置， 它不仅是财富的象征，更是人们 等级和身份的标志，被广泛用于 祭 祀、 征 伐、 宴 享、 婚 冠、 丧 葬 等活动。在商代早期，以青铜器 为核心的礼器在商王朝统治阶层 的生活中广泛使用。1974 年在河 南郑州张寨南街杜岭出土的商早 期 方 鼎（ 图 1）， 高 100 cm， 鼎 的表面有乳钉纹及凸线式兽面纹， 此方鼎为商代二里岗期青铜器中 最大的一件。器壁匀薄，造型规
理想金属的耐蚀性
从古至今，腐蚀一直是金属 使用过程中存在的自然现象，但 吴承恩笔下的金箍棒在海底存放 几千年依旧“霞光艳艳”、“瑞气 腾腾”、“金光万道”，可见这几千
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年都没有明显锈蚀。从当时的生 产技术水平来看，防腐工作已相 当完美。
我 国 在 商 代 开 始 冶 炼 青 铜， 并 掌 握 了 提 高 铜 耐 蚀 性 的 技 术。 春秋战国时代的武器和秦朝的青 铜剑经过专门处理至今所受腐蚀 程度甚小（如图 2）。经电子探针 和质子 X 光荧光分析，青铜剑的 表面有一层 10 至 15 μm 的含铬 氧化物保护层，表明曾采用铬盐 氧化处理技术，这种氧化层使青 铜剑在墓穴中，在长达两千多年 的时间里，保护着青铜剑，避免 了腐蚀 [7]。中国古代的防腐技术 堪称奇迹，金箍棒的防腐可以算 的上是奇迹中的奇迹，因为金箍 棒长期存放在海水中，海水是一 种强电解质溶液，其中含有容易 造成金属腐蚀的氯离子，金属在 海洋中与海水发生电化学作用发 生腐蚀，并且海水中含有的海洋 生物、悬浮泥沙、溶解气体和腐 败有机物质，都会加速金属腐蚀 [8]。即便当今先进的防腐技术也不 能使金属在海水中绝对防腐。据 统计，全世界每年生产的钢铁约
硬质合金的弹性模量高，通 常 为 400 ～ 700 GPa， 常 温 下 刚 性好，无明显的塑性变形。它的 密度、硬度、强度、韧度取决于 钴 的 含 量 和 WC 的 粒 度， 合 金 中 钴 含 量 增 加 或 者 WC 晶 粒 度 增பைடு நூலகம்时，合金硬度下降，碳化物 晶粒越细，合金硬度越高，例如 YG6X 合 金 的 硬 度 比 YG6 合 金 高 1.5 ～ 2.0 度。当钴含量增高至 25% 时，虽然硬度降低到和淬火 刚相近的水平（HRC67），但耐磨 性仍要高出很多 [3,4]。硬质合金可
理想金属的物理力学性能
理想金属的密度 “霞光艳艳”、“瑞气腾腾”、“金 光万道”、“约有斗来粗，二丈有 余长”、“一万三千五百斤”，西游 记中描述的金箍棒颜色鲜艳，具 有金属光泽，质量一万三千五百 斤，换算成国际单位制大约 6750 kg。 二丈长，按唐代长度换算相当于 现在的 6 m 左右。碗口粗细，即 横截面积大约 0.0314 m2（圆半径 为 0.1 m 的情况下），因此在这种 状态下金箍棒的密度约为 32.14g/cm3。
白铜
我国古代很早就有了利用白 铜的历史。白铜（Cu–Ni 合金） 是以镍为主要合金元素的铜合 金，铜镍二元合金为普通白铜， 单相固溶体，具有优异的耐腐蚀 性能，在大气、过热蒸汽和高温 下有优良的耐腐蚀性，尤其在海 水中，主要用于舰船、海洋工程、 制盐和滨海发电厂的蒸发器、凝 汽器等 。 [10,12] 近年来，为适应我 国舰船工业和海水淡化工程的需
内容导读
古典名著《西游记》中孙悟空的英雄形象深入人心，其随身携带的如意金箍棒更为世人津津乐道。 无论是遭遇火焰山的高温灼烧还是东海的海水浸蚀，抑或与妖魔兵器直接撞击，都毫发无损，金箍 棒到底是什么材料？是小说的虚构还是真实的存在？在现代科学技术条件下，是否有类似的材料可 以为人类使用？文章从材料科学的角度，探讨了现代工业中一个全新的金箍棒，可以与硬质合金的 硬度、铜合金优异的耐海水腐蚀性能相媲美，并具有高强度、良好的耐磨性及形状记忆效应和生物 相容性等理想性能。
的一个理想模型。 理想金属的硬度和强度
孙悟空曾用金箍棒与无数持 刀、斧的妖怪们打斗后金箍棒毫 发未损，从硬度上看，只有硬质 合金能与之相媲美。硬质合金的 硬度、压缩强度和耐磨性指数是 模具材料中级别最高的 [3]。它是 指元素周期表中 IV、V、VI 族中 的过渡元素的碳化物和铁族元素 以及其他微量元素粉末采用粉末 冶金技术烧结而成的硬质材料 [4]。 具有很高的硬度（HRA93[ 知识小贴士 ]） 和耐磨性，即使在高温下硬度依 然很高。因为它具有极高的高温 硬度及优良的综合性能，使其在 金属切削加工业中显示出极大的 优越性，在 500℃以下硬度基本 保持不变，600℃时的硬度超过高 速钢的常温硬度，1000℃时超过 碳钢的常温硬度。因此硬质合金 可以加工高速钢难以加工的耐热 合金、高温合金、钛合金、特硬 铸铁等难加工材料，其耐磨性是 高速钢的 15 ～ 20 倍。单一从硬 度角度上来看，硬质合金算得上 是个不折不扣的“金箍棒”。
要，耐海水腐蚀和抗海洋生物附 着用管材研究在“十五”期间取 得了重大进展 ：超长的白铜管在 高新张铜股份有限公司研究成功 并产业化生产。这种特大型白铜 管在军事舰船海水管路和海水淡 化装置中有广阔的应用前景，也 可用于海洋石油开发、海滨电站、 核电站方面 [8]。
黄铜
黄 铜 即 Cu–Zn 合 金， 有 的 也 加 入 Sn、Al、As 等 合 金 元 素， 在 Cu–Zn 基 础 上 加 入 Sn、 Al、Mn、Fe、Ni、Si 等 元 素 冶 炼出的特殊黄铜其耐腐蚀性比普 通黄铜还好。黄铜中加入 1% 锡 的锡黄铜可显著降低脱锌腐蚀并 提高耐海水腐蚀性，HSn70–1 锡 黄 铜 又 称“ 海 军 黄 铜 ”。 在 黄 铜 中加入铝可在合金表面形成致密 并和基体结合牢固的氧化膜，提 高 耐 磨 性， 并 大 大 降 低 了 高 速 流 动 海 水 的 腐 蚀。HA177–2 铝 黄 铜 可 制 成 强 度 高、 耐 腐 蚀 性 好、应用广泛的管材，用于海轮 和 发 电 站 的 冷 凝 器 等 。 [11,12] 我 国 从 20 世 纪 80 年 代 初 开 始 研 究 螺 旋 桨 用 防 污 铜 合 金， 我 国 研 制 的 ZCuZn36Mn3Al1Fe1Sn1 螺 旋 桨 用 耐 蚀 防 污 铜 合 金， 抗 拉 强 度 σb ≥ 539MPa， 伸 长 率 δ ≥ 20%，硬度 HB ≥ 127，三年 无海生物附 着 [8]。2004 年 12 月 14 日，大连船用推进器厂为丹 麦 AP · 莫勒—马士基集团奥登 希船厂制造的、世界最大级别的 超大集装箱船用螺旋桨顺利通过 了美国 ABS 船级社和船东的严 格检验并交工，制造过程中采用 了 3 个铜水包同时浇注，并一次
现代的超硬质合金大都是由 碳化钨和一些其他元素的碳化物 用烧结的方法生产出来的。20 世 纪 60 年 代 初 期 出 现 的 一 种 新 型 硬质合金工程材料——钢结硬质 合金，它是以硬质化合物（碳化 物、氮化物、硼化物等）为硬质 相，以钢为黏结金属的硬质合金， 它既具有碳化物的硬度和耐磨性， 又具有钢的良好力学性能。在某 些情况下，钢结硬质合金的耐磨 性和塑性都优于硬质合金。90 年 代后，硬质合金的研究、生产领 域对纳米、超细 WC 粉末，WC— Co 复合粉的生产技术进行了大量 的 研 究， 并 取 得 了 显 著 的 成 绩， 这一切都标志着硬质合金产品已 成为工业中不可缺少的高技术产 品 。 [3,5–6]