李洋Appl. Phys. A论文：开辟了古代薄壁青铜器研究的新领域

湖北省位于中国中部，是中国古代文明的重要发源地之一，在其境内出土了大量青铜器，其中以湖北随州曾侯乙编钟与望山出土的越王勾践剑最为著名。这些青铜器因制作精美、工艺高超闻名于世，其制作工艺一直是研究者关注的焦点。一般认为，多数青铜器是由铸造而成，但仍然还一些青铜器采用了特殊的制作工艺。

2010年湖北省安陆市博物馆在整理馆藏文物时，就发现了2件颇为特别的青铜器容器残片。这些残片采集于安陆市境内，根据形态判断，年代约为商代晚期（1700-1100 B.C.）。这两件青铜的特别之处在于：1）壁厚很薄，一件样品的壁厚约为0.4-0.5 mm，另一件样品的壁厚约为0.8-0.9 mm；2）样品内壁几乎未见锈蚀，依然如新，而其外壁却存在锈蚀。这在以铸造为主要制作技术的中国古代是十分少见的，显然除了铸造以外，还采用了其它的加工和处理技术，如锻打、热处理和表面处理等。对这两件青铜器进行系统的科学分析，将有助于探讨这类薄壁青铜容器的制作工艺。

武汉大学物理科学与技术学院潘春旭教授课题组博士生李洋等人综合利用现代材料表征与分析技术，如金相显微镜、扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）、背散射电子衍射（EBSD）和纳米压痕技术等，对湖北安陆市博物馆所藏的这两件青铜容器的显微组织、化学成分和机械性能等进行了系统的测试与分析，并基于置换式扩散理论对高温下Sn在Cu基体中的扩散进行了模拟计算。研究表明这是目前中国已知的少数采用“热锻打+表面擦Sn+淬火”工艺制备的高锡薄壁青铜容器。该项研究工作发表在国际知名刊物《Applied Physics  A》上，引起了国内外考古专家的关注，认为开辟了古代薄壁青铜器研究的新领域。

该项研究的主要结论为：

1、薄壁青铜容器的制作工艺为：1）按照一定的Cu和Sn配比进行选料；2）熔炼铸造初步成型；3）在586-798 °C温度之间热锻打最终成型；4）迅速在容器内外表面均匀涂抹液态Sn，并保持几分钟或几十分钟以通过高温扩散形成一定厚度的高Sn层；5）最后进行淬火冷却到室温；6）器物内外表面进行打磨抛光。

2、这是目前已知的最早采用“热锻打+表面擦Sn+淬火”工艺制备的高锡薄壁青铜容器，为探索该类青铜器制作工艺的起源提供了重要线索。

论文链接：Yang Li; Taotao Wu; Lingmin Liao; Chengwei Liao;Lang Zhang; Guantao Chen; Chunxu Pan: “Techniques employed in making ancientthin-walled bronze vessels unearthed in Hubei Province, China”, Applied Physics A, 2013, 111(3):  913-922.

图1两件薄壁青铜器残片（ABY5011-1和ABY5011-2）照片

图2 金相照片

a. 样品ABY5011-1截面b. 样品ABY5011-1平面 c. 样品ABY5011-2截面d. 样品ABY5011-2平面

图3样品ABY5011-1EBSD测试结果(Bar=20μm)

a.局部区域的EBSD图b. 岛状α相的取向图c. 岛状α相的反极图。

图4 内壁断口扫描照片

a, b. 样品ABY5011-1 c,d. 样品ABY5011-2

图5 纳米压痕加载-卸载曲线

图6通过计算得到的在不同温度下表面覆层厚度与扩散时间t的关系

图7根据上表作出的不同厚度的表面覆层所需的扩散时间随温度变化的曲线

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