Odkrycie wytopu metali stanowiło kamień milowy w historii rozwoju ludzkości. Umożliwiło ono łatwiejsze przechodzenie z koczownictwa na osiadły tryb życia i zorganizowanie pracy i struktur społecznych. Nowo zakładane osiedla, będące prototypami miast i miast-państw, były wynikiem tej przemiany.
Odkrycie wytopu metali
Metalurgia i wytop to prawdopodobnie jedne z najważniejszych innowacji w historii ludzkości, ponieważ zmieniły transport, działania wojenne, handel, rolnictwo i wiele innych. Wytapianie i obróbka metali zapewniły system walutowy i umożliwiły rewolucję przemysłową – od pary do elektryczności.
Znana dziś metalurgia rozwijała się przez okres około 6 500 lat. Wynalezienie i późniejszy rozwój metalurgii i wytopu metali stały się podstawą dla cywilizacji w zakresie broni, narzędzi, instrumentów rolniczych, przedmiotów użytku domowego, dekoracji itp. Pierwszymi używanymi metalami były złoto, srebro i miedź, ponieważ występowały one w stanie rodzimym lub metalicznym. Najwcześniejsze formy były prawdopodobnie samorodkami złota, które znaleziono w piasku w korytach rzek. Pierwsze znane artefakty z miedzi zostały znalezione w Iraku i datowane są na 8700 rok p.n.e. Pod koniec epoki kamiennej metale te były używane dekoracyjnie i praktycznie. Odkryto, że złoto może być formowane w większe kawałki za pomocą zimnego młota, ale miedź nie może. Począwszy od około 7000 roku p.n.e., ludy neolityczne zaczęły wykuwać z miedzi surowe noże i sierpy; narzędzia te wytrzymywały dłużej niż kamienne i były równie skuteczne. Egipcjanie wytwarzali broń z żelaza meteorycznego od około 3000 roku p.n.e. Między epoką kamienia a epoką brązu nastąpił okres przejściowy, który został nazwany od połączenia materiałów miedzi i kamienia – okresem chalkolitów.
Odkrycia, że metale takie jak miedź mogą być wydobywane z rudy poprzez podgrzewanie metalu powyżej temperatury topnienia oraz że metale te mogą być kształtowane poprzez topienie i odlewanie w formach, miały decydujące znaczenie dla powstania Epoki Metalu. Pierwszy metal, który został wytopiony, znajdował się na starożytnym Bliskim Wschodzie i prawdopodobnie była to miedź. Najwcześniejsze znane artefakty, które zostały ukształtowane poprzez topienie i odlewanie w formach, to miedziane siekiery z Bałkanów datowane na IV tysiąclecie p.n.e. Aby osiągnąć wysokie temperatury wymagane do wytopu, wynaleziono piece z wymuszonym ciągiem powietrza. Piece były zasilane węglem aż do XVIII wieku, kiedy to w Anglii wprowadzono koks – stałą pozostałość powstałą w wyniku ogrzewania węgli bitumicznych.
Kolejnym krytycznym odkryciem było to, że połączenie miedzi i cyny stworzyło doskonały metal – brąz. Serbia wykorzystała miedź i cynę do produkcji przedmiotów z brązu, co wyznaczyło początek epoki brązu. Różne rodzaje brązu były wytwarzane do różnych celów, a technologia wytopu rozprzestrzeniła się – prawdopodobnie dzięki handlowi i migracji – z Bliskiego Wschodu do Egiptu, Europy i Chin. Do 2500 r. p.n.e. stosowano technikę zwaną lutowaniem – łączenie metali poprzez topienie i wtłaczanie w spoinę metalu wypełniającego – czego dowodem jest złote naczynie do picia wykonane dla królowej Puabi w sumeryjskim mieście Ur. Istnieje również kilka przykładów tej techniki z Troi i Egiptu z tego okresu. Technika ta jest nadal w użyciu.
Chociaż nie ma sposobu, by dokładnie określić początek epoki żelaza, w grobowcach hetyckich znaleziono żelazne artefakty datowane na 2500 rok p.n.e. Uczeni uważają, że Hetyci wynaleźli proces wydobywania żelaza z jego rudy i tworzenia metalu nadającego się do obróbki, choć małe kawałki żelaza powstawały naturalnie w piecach do wytapiania miedzi. Do roku 1800 p.n.e. Indie zaczęły obrabiać żelazo i podobno cesarski Rzym uważał Indie za doskonałych robotników odlewniczych. W Anatolii produkowano broń z żelaza na dużą skalę, dlatego też jest to zazwyczaj uważane za prawdziwy początek epoki żelaza. Do roku 1000 p.n.e. obróbka żelaza została wprowadzona do Europy, a jej zastosowanie rozprzestrzeniało się na zachód raczej powoli. Do Brytanii obróbka żelaza dotarła w czasie inwazji rzymskiej, około 55 roku p.n.e. Choć w niektórych regionach nie wdrożono jeszcze tej technologii, dowody wskazują, że w innych stosowano procesy hartowania w celu poprawy ostrości mieczy itp. Do tego czasu również Afryka Wschodnia zaczęła pracować ze stalą.
W Galilei znaleziono odpuszczony martenzyt, datowany na około 1200 lat p.n.e. Odpuszczanie zwiększa twardość stopów takich jak stal i żeliwo. Do 650 r. p.n.e. w Sparcie produkowano duże ilości stali, a do 600 r. p.n.e. w Indiach wytwarzano stal wootz. W ciągu następnych kilkuset lat nastąpiło wiele zmian w przemyśle metalurgicznym; chiński Song stworzył metodę wykorzystania mniejszej ilości węgla drzewnego w wielkim piecu; Rzymianie poprawili organizację i administrację górnictwa; w Azji Wschodniej wynaleziono proces nazwany później procesem Bessemera. Od 1623 r. Prawo Pascala miało wpływ na obróbkę cieplną metalu, a pierwsze odlewnie żelaza powstały w Wielkiej Brytanii w 1700 r. W 1907 r. opracowano elektryczny piec łukowy. Dokonano jeszcze wielu innych osiągnięć, w tym opublikowano wiedzę metalurgiczną w książce De Re Metallica w XVI wieku autorstwa Georga Agricoli, który jest uważany za „ojca mineralogii”. Dziś niektóre z tych technik są nadal stosowane, choć dokonano wielu zmian w celu unowocześnienia procesu.
