Как давно человечество знакомо с металлами?

В газете "New-York Times" за октябрь 1964 г. появилось сенсационное сообщение о находке металлического предмета (подвеска овальной формы) в захоронении Шанидар (Северный Ирак), возраст которого, по данным радиоуглеродного метода, равнялся 10500 лет. Однако на XII Международном Конгрессе доисторических и исторических наук в Праге американский археолог Р.Д.Брейтвуд признал, что при более внимательном исследовании обнаружили, что подвеска была сделана из малахита.

*Для справки* Радиоуглеро́дный ана́лиз — разновидность радиоизотопной датировки, применяемая для определения возраста биологических останков, предметов и материалов биологического происхождения путём измерения содержания в материале радиоактивного изотопа ¹⁴C по отношению к стабильным изотопам углерода. Предложен Уиллардом Либби в 1946 году (Нобелевская премия по химии, 1960). Измерение возраста предмета радиоуглеродным методом возможно только тогда, когда соотношение изотопов в образце не было нарушено за время его существования. При радиоуглеродном анализе растительных остатков используется целлюлоза, а при датировании костей, рогов и других животных остатков выделяется коллаген. Погрешность метода в настоящее время находится в пределах от семидесяти до трёхсот лет.

Возникает вопрос. Каким образом возраст металлических предметов (или изделий из малахита) определяли радиоуглеродным методом?

Следует особо подчеркнуть, что при исследовании возраста объектов небиологического происхождения с помощьюрадиоуглеродного метода используют следы органики, находящиеся на этих объектах. Конечно, это обстоятельство заставляет скептически относиться к результатам таких исследований, однако радиоуглеродный метод имеет несомненные преимущества перед точными физическими методами определения возраста небиологических объектов ввиду его относительной простоты и универсальности.

Еще 9000 лет назад неолитическое поселение Иерихон было обнесено стеной из бутового камня толщиной 1,7 м и высотой (сохранившаяся часть) до 4 м. Однако здесь были найденные лишь каменные орудия и изделия из кости. Отсутствует керамическая посуда, однако найдены фигурки из глины и прекрасные маски.

Первые достоверные сведения об использовании металла получены во время раскопок на возвышении Чайону-Тенеси в 5 км от г. Ергани (Анатолия) в слоях 4-5, возрастом 8790 лет, 8750 лет и 9200 лет. Были найдены медные бусины, четырехгранное шило и проволочные заколки. Там же в Анатолии в Чатал-Хуюк откопали кварталы домов со своими святилищами. 8000 лет назад основные орудия производства изготовляли с кости и обсидиана, имея уже украшения из меди и свинца и керамическая посуда в небольшом количестве.

Медные украшения в Передней Азии изготовляли сначала из самородной меди.
Исследованиями показано, что куски самородной меди из Ирана и Америки толщиной 5 мм путем холодной ковки доводили до толщины 0,2 мм. Другие образцы толщиной 5 см холодной ковкой доводили до толщины 5 мм. Из них накручиванием на стержень изготовляли цилиндровые элементы ожерелья. Во время длительной холодной ковки медь становилась более твердой (от 87 до 135кг/мм²) и хрупкой. Последующая ковка ее возможна лишь после нагревания при температуре красного каления ( > 500 ⁰С). Этот процесс отжига был значительным изобретением древних мастеров. Это позволяло в несколько этапов изготовлять большие изделия сложной формы из меди.

Последующее развитие технологии шло путем выплавки меди из руды, а у других народов (которые имели достаточно самородной меди) остановился на стадии обработки меди ковкой. Так, ремесленники енеолитичной культуры Больших озер Северной Америки начали ковать из больших самородков меди ножи, остроги и сельскохозяйственные орудия еще 5000 лет назад и продолжали делать это еще 2000 лет. По другому сложилась судьба народов Древнего Египта, где самородки меди - большая редкость.

Энеолит в Египте характеризуют изделия из меди, выплавленной из руды. Медные руды (главным образом малахит) добывали из поверхностных месторождений в Синае, а восстановление углекислой руды до металла осуществляли в закрытой камере гончарной печи. В капитальном труде А.Лукаса говорится, что изделия из плавленной меди появились в Египте задолго до знакомства с гончарными печами. Он считает, что плавка меди была изобретена во время глазировки изделий из стеатита или измельченного кварца с помощью малахита в закрытых сосудах.

Додинастическая эпоха, которая охватывает все IV тысячелетие до н.э., разделяется на два периода. Первый - амаратский - характеризует господство орудий из камней и кости при наличии мелких медных изделий (украшения, заколки, крышки и тому подобное). В середине первого периода появляются медные наконечники гарпунов длиной до 16 см. На конец первого периода появляются медные ножи, наконечники стрел и копий.

Во втором - герзейском периоде производят уже большие топоры, тесла и кинжалы. Новым этапом технологии было изготовление этих изделий методом литья в открытые формы со следующей ковкой режущих кромок с целью упрочнения. Одновременно наблюдается упадок производства кремниевых орудий.

Исключительное значение орудий из меди в истории Египта было в повышении производительности труда при использовании изделий из меди (топоры в 3 раза, пилочки - в 15-20 раз). Вместе с возможностями использования могучей реки с плодородным илом это обусловило организацию ирригационного земледелия и создания государства 5000 лет назад. В Северной Америке енеолит не мог привести к такому результату, но в Южной и центральной Америке высокопродуктивное земледелие и государства возникли также. Не привел к государственности енеолит и в Северном Причерноморье. Более 4000 лет назад Трипольская культура, которая охватывала ареал от правого берега Днепра до Карпат, хотя и пользовалась изделиями из привозной меди, сохранила хозяйственную систему
охотников и рыболовов. Свыше 5000 лет назад возникли города-государства в Нижнем Двуречье (Месопотамия) на основе ирригационного земледелия. Шумеры, однако, не имели ни самородной меди, ни медной руды. Металл и даже камни завозили. Потому енеолит в этом регионе имеет свои особенности. Самородная медь содержит очень мало примесей сравнительно с медью, выплавленной из руды. Первые одиночные анализы древних изделий из меди, сделанные в 19 столетии ведущими химиками, позволяют отделить медный век от бронзового. В 20-х годах нашего столетия возникли специализированные лаборатории в Каирском музее и в Англии. Позже такие лаборатории были созданы в Германии (В Галле 1933 г. и Штутгарте 1951 г.), Австрии (Вена 1935р.), России (Москва в 1960 г.), Грузии (Тбилиси в 1950 г.), Азербайджане (Баку в 1952 г.) и пр. Некоторые результаты исследований этих лабораторий опубликованы. Так показано, что изделия с Триполья происходят из западных источников, вероятно с Баната (культура Винчи). А изделия из Левобережья Днепра связаны с кавказскими источниками.

Но вернемся к шумерам. Английский археолог Л.Вулли, который на протяжении 1922 - 1934 p.p. возглавлял раскопки древнего города Ур, обнаружил, что изделия из меди содержат значительное количество никеля и мышьяка. Поиски происхождения сырья привели к Оману, где и сейчас есть медноникелевые руды. Такие же руды находятся и в Индии (Сингбхум), где найдено большое количество металлургических шлаков. Шумеры, однако, вели торговлю с Кавказом, где еще 6000 лет назад появились медные изделия с мышьяком.

Вероятно, что мышьяк сначала попадал в медь в результате ритуального добавления к медной руде золотистого аурипигмента или красного реальгара, которые содержат мышьяк. Напомним, что древних кузнецов считали шаманами. Об этом свидетельствует наличие в Пантеоне греков - Гефеста, римлян - Вулкана, славян - Сварога, абхазцев - Шашва и тому подобное. При легировании меди мышьяком изменяется цвет изделия от красного к золотистому. Со временем обратили внимание также на улучшение литейных и механических свойств изделий. Так, твердость сплава меди с мышьяком растет от 760 до 2450 МПа после холодной ковки. Не исключено, что шумеры получали свой металл путем одновременного плавления сырья, который содержит никель и мышьяк. Странно другое - что отдельные изделия из меди, в которых присутствуют никель и мышьяк, найдены на Кавказе, в Египте и даже в Европе. Не являются ли эти изделия результатом переплава обломков более древних шумерских изделий? Мы этого не знаем, возможны и другие источники.

Классическая бронза - сплав меди с оловом - появилась не сразу. Сначала в качестве олова использовали дополнительный легирующий элемент. Состав одного из изделий, найденных в захоронениях Ура, датированных в 3000 г. до н.э.: 84,18% Сu; 12,0% Sn; 1,62% Pb; 2,20% Ni. Химический состав фрагмента из древней Трои (в 3300 г. до н.э.): 87,7% Сu; 2,7% Sn; 0,2% Аs; 8,9% 0,5% Ni. Постепенно состав сплавов меди упрощается. Сначала изымается никель, потом мышьяк. Замена мышьяка на олово оказалась удачной как с точки зрения свойств сплавов, так и здоровья кузнецов в cвязи с ядовитими свойствами мышьяка.

Спорят, где бронза появилась впервые? Однозначный ответ дать затруднительно. Самые ранние находки бронзовых изделий в Египте имеют возраст приблизительно 4700 лет. Бронзовые изделия из Трои датируют интервалом 4500 - 4220 лет. В Европе бронза появляется около 3700 лет назад вместе с племенами шнуровой керамики и боевых топоров. К этим племенам относят и середнеднепровскую культуру, которая заменила трипольскую. Среди находок среднеднепровской культуры медные орудия с мышьяком, а также украшения из бронзы (Си - 10% Sn).

Откуда древние брали олово? Месторождений олова, в частности каситерита (содержит до 71,4% Sn), очень мало. Между тем бронзу выплавляли и в тех странах, где таких месторождений нет совсем. Подобно золоту, касситерит встречается в речных песках и залежах, нередко совместно с золотом. Подобно золоту, касситерит отмывали в деревянных корытах. В Рудных Горах Саксонии этим занимались еще в средние века, а Британские острова в древности называли Каситеридами. Современными исследованиями показано, что общее расплавление медной руды и измельченного касситерита приводит к получению бронзы. Идентифицировать место добычи касситерита по примесям не удается. Поэтому остается удовлетвориться версией существования привозного сырья.

Значительную роль бронза играла в развитии цивилизации Египта. Бронзовый век в Египте фактически наступает после XI династии (Среднее царство). Он коррелирует с возобновлением единства страны и новым строительством ирригационных систем. Однако трудности с импортом оловянистого сырья и топливными ресурсами ограничивали производство бронзы в Египте. Так, в гробнице Тутанхамона (XVIII династия, Новое царство) лишь половина найденных вещей изготовлена из бронзы.

Развитие производства бронзы совпадает с возникновением городов-государств (например Микены) в Ахейской Греции, в Италии (конфедерация 12 городов в X ст. до н.э.) и тому подобное. В Северном Причерноморье эпоха бронзы отмечена также появлением государств (Боспор).

Металлы в древние времена были очень дорогими и использовались для изготовления денег, или служили эквивалентом обмена. В 1958/59 р.р. у берегов Турции найден корабль эпохи бронзы (3400 лет назад). На нем среди многочисленных изделий из меди были найдены слитки в виде шкуры быка (длиной 61 см и весом около 60 фунтов). Эти древние деньги были сделаны на Кипре и направлялись в Трою или Микены. Во время раскопок в Микенах были найдены подобные медные слитки в виде шкуры быка.

В Риме монеты начали изготовлять после Юлия Цезаря от имени императоров. Сенат сохранил право на эмиссию лишь бронзовых разменных монет. В Северном Причерноморье в V ст. до н.э. Ольвия выпускала большие литые бронзовые монеты - ассы, а также литые денежные знаки в форме дельфинов. В Пантикапее чеканили золотые и медные монеты Боспорских царей. В первых столетиях нашей эры монетное дело государств Северного Причерноморья ориентируется на римскую монетную систему. Так на монетах, чеканных в Пантикапее в начале н.э., с одной стороны был изображен римский император, а на второй - изображение боспорского царя - "друг цезарей и друг римлян".

После внедрения бумажных денежных знаков происходит окончательный отрыв номинала металлических денег от стоимости самого металла. Однако бронзовые монеты были в употреблении еще до конца прошлого столетия.

Постепенно их вытеснили монеты из медноникелевых и медноцинковых сплавов. Латунь постепенно заменяет бронзу в быту, приборостроении, а также при изготовлении духовых музыкальных инструментов.

Бронзовое фигурное литье появилось у многих народов в начале бронзового века. Статуи и монументы начали изготовлять позже. За народными поверьями греков первыми стали отливать статуи из бронзы в VII ст. до н.э. Райк и его сын Феодор. Их изделия были достаточно примитивными. Сначала изготовляли отдельные части фигуры, из них потом составляли статую полностью. Известная фигура дискобола - юноши - это мраморная копия бронзовой скульптуры Мирона - сохранилась до наших дней. Особенно бурное развитие бронзовая скульптура приобрела в IV ст. до н.э. В Южной Греции были созданы высококачественные сплавы и значительно улучшилась техника литья. Примером скульптуры того времени может быть изображение юноши - атлета после борьбы (скульптор Лисипп). Найдревнейшим монументальным бронзовым изображением считают Аполлона в Амиклах (Пелопонесс) высотой 13 метров. Знаменитый Колосс, построенный на о.Родос высотой 35 м, который изображал бога солнца Гелиоса, справедливо считался одним из семи чудес света. Харес, ученик Лисиппа, работал над этой статуей 12 лет. Она простояла 56 лет и была разрушена землетрясением (в 220 г. до н.э.). Обломки Колосса пролежали в земле более 1000 лет. В 977 году арабы, которые захватили Родос, продали эти обломки сирийскому купцу, который нагрузил ими 900 верблюдов. При строительстве Колосса основой каркаса служили три столба из каменных плит, в промежутки между ними во все стороны расходились железные спицы, скрепленные извне железными ободами. К ним прикрепляли фигурно кованые бронзовые ленты толщиной около 1,5 мм. В книге Филона Византийского "О семи чудесах" (III ст. н.э.) говорится, что на изготовление Колосса было потрачено 500 талантов бронзы и 300 талантов железа (приблизительно 13 т бронзы и 7,8 т железа). Отметим, что для изготовления статуи Свободы возле Нью-йоркской гавани потрачено 225 т листовой меди. Приблизительно столько же меди использовали на сооружение водогонной системы небоскреба "Empire State Building" в Нью-Йорке.

Бронзовые монументы сооружают и доныне. Основная причина этого сводится к высокой коррозийной стойкости бронзы. Она предопределена образованием на поверхности бронзового изделия защитной и достаточно декоративной пленки - "патины" (углекислые и другие соединения металлов, которые входят в состав бронзы).

С древнейших времен из бронзы делали известные бубенчики и колокольчики. Ими была украшена одежда персидских царей, гробница этрусского царя Парсена, катофалк Александра Македонского, триумфальные колесницы римлян, и тому подобное. Часто их использовали в качестве сигнальных устройств. В древнем Риме звоном колокольчиков помечали время поливки улиц, открытия рынков и общественных бань. Колокола, как принадлежность культов, появились в начале нашей эры. Так небольшой колокол, по приказу императора Августа, был подвешен перед храмом Кибелы. Через несколько веков колокола появились и в христианских храмах. Колокола использовали и Восточные культы. Недавно во Вьетнаме был откопан колокол весом 36 кг и высотой 60 см, отлитый из высококачественной бронзы в 793 году. К той же поре относят и колокол весом 48т с красивым звучанием, который сохраняется в Корее.

В Европе искусство литейщиков бронзовых колоколов приобрело расцвет в 14 столетии. Потом их усилия направляются в сторону военной техники. Об этом свидетельствует, между прочим, указ в 1525 г. английского короля Генриха VIII о запрещении (под страхом смерти) экспорта литейной бронзы. В 1735 г. в Москве отливают "Царь - колокол" (вес 202 т, высота 6,14 м), а в 1874 г. в Кельне "Кайзер - колокол" (вес 27 т, высота 3,25м). Характерно, что оба колокола - гиганта по различным причинам оказались немыми. Бронзовые колокола более скромных размеров отливают и сейчас.

Производительность бронзовых орудий труда в несколько раз превышала производительность изделий из меди. Еще большие преимущества имеет оружие из бронзы в сравнении с медным и каменным. Высокая стоимость оружия из бронзы привела к появлению воинов-профессионалов в античных государствах, например в Боспоре.
Рост поражающей силы оружия привел к развитию защитных средств - вместо панцирей из льна (Древний Египет) появились бронзовые латы, бронзовые накладки на щитах, и тому подобное. Позже у бронзы появляется соперник – железо и сталь.
Считается, что переходу человечества к железному веку, способствовали прежде всего экономические причины, чем присущие железу свойства. Однако железные руды встречаются чаще. Хотя изготовление железных изделий нуждается в освоении новой технологической операции (горячей ковки), все же со временем оружие из железа стало более доступным, чем бронзовое оружие. Успех дорийского нашествия на Ахейскую Грецию (12 ст. до н.э.) был в значительной мере предопределен тем, что немногочисленные ахейские воины – профессионалы, вооруженные прекрасным бронзовым оружием, не могли противостоять натиску массы дорийцев, вооруженных поголовно железными мечами.

В Египте переход к железному веку задержался, возможно в связи с отсутствием молотков с ручками, необходимых для горячей ковки. Но после разгрома египетской армии ассирийцами (7 ст. до н.э.), которые владели железным оружием, производство железа и железных изделий налаживается и в Египте. Однако еще долго в элинистичных государствах бронзовое оружие существовало рядом с железным. У причерноморских скифов также короткие железные мечи (акинаки) использовались одновременно с бронзовыми наконечниками стрел.

Картина значительно изменяется с изобретением стали. Применение нового материала, которое превосходит бронзу, достигает апогея в тяжелом снаряжении средневековых рыцарей. Изобретение пороха в 14 ст. не только не подвергло сомнению целесообразность рыцарского оснащения, но и вернуло бронзе значение военного материала.

(*Для справки* Известно, что порох был изобретен значительно раньше в Китае, но в Европу он попал только после путешествий первых европейских купцов, таких как Васко да Гама. Поэтому, упоминание об изобретении пороха в 14 столетии требует соответствующей корректировки)

Мастера изготовления колоколов теперь начали отливать пушки. Небольшие отряды испанских конистадоров Кортеса и Писаро, которые покорили в 16 ст. бронзовые империи ацтеков и инков, были оснащены не только стальным оружием и доспехами, но и бронзовыми пушками. Литье и термическая обработка стальных пушек была осуществлена во второй половине прошлого столетия. С того времени роль меди и медных сплавов в вооружении сводится к изготовлению деталей (гильзы, пояса уплотнения, и тому подобное).

С развитием машиностроения в прошлом столетии нашего века бронза приобрела новую профессию - как материал для подшипников, водяной и паровой арматуры, поршневых колец и проч. Со временем появились и специальные бронзы без олова - алюминиевая, берилиевая, хромистая, кадмиевая. Они используются в приборостроении, технике связи, электротехнике и тому подобное. Некоторые специальные бронзы обнаруживают эффект "памяти формы", например сплавы (Cu - AI - Ni; Си - Zn - AI), и используются для изготовления активных силовых и кинематических элементов разных устройств. Сплавы Cu - Ni - Zn (аргентан, нейзильбер, мельхиор) служат заменителями серебра при изготовлении столовых изделий и дешевых украшений. Не забыты и некоторые древние сплавы. Так в литейном производстве используют техническую медь марки М4 с - 0,2% As. Как выяснилось в последнее время, небольшие примеси мышьяка существенно влияют на стабильность меди при деформации за счет сильного взаимодействия с дислокациями. Были попытки реанимировать также сплавы системы Cu - As - Ni, известные еще шумерам.

Таким образом сплавы меди, которые прошли длительную эволюцию и сыграли значительную роль в развитии цивилизации, и сегодня не потеряли своего значения в промышленности, искусстве и быту.

РЕЗЮМЕ. В разделе даны дополнительные сведения к основным разделам учебного пособия. На основе представленного материала можно составить полное представление о важнейших металловедческих и металлургических этапах развития техники и рассмотреть принципы, стимулы и пути развития творческой активности инженеров.

ВОПРОСЫ ДЛЯ АНАЛИЗА И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ.

1. Какие характеристики материалов играют важнейшую роль в смене эпох в истории человечества?

2. Почему бронза и железные сплавы играют основную роль в истории?

3. Составьте хронологию употребления медных сплавов по материалам раздела и проведите анализ на основе законов развития техники.

4. Какая технология является самой древней в истории человечества?

5. Какая технология является самой современной в истории человечества?

6. Когда зародилась и получила развитие наука «технология машиностроения»?

Дата добавления: 2014-09-10; просмотров: 482; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!