Дамасская сталь ( араб . فولاذ دمشقي) относится к высокоуглеродистой тигельной стали клинков исторических мечей, выкованных с использованием процесса вуца на Ближнем Востоке , характеризующейся отличительными узорами полос и пятен, напоминающими текущую воду, иногда в виде «лестницы» или «розы». «Дамасская сталь» приобрела высокую репутацию за свою прочность, устойчивость к разрушению и способность затачиваться до острого, упругого края. [1]
Термин «дамасская сталь» берет свое начало в средневековом городе Дамаске, Сирия , возможно, как ранний пример брендинга . Однако сейчас существует общее мнение, что многие мечи или, по крайней мере, стальные слитки, из которых они были выкованы, были импортированы из других мест. Первоначально они прибывали либо из Южной Индии , где впервые были разработаны методы изготовления стали, [2] [3] или из Хорасана , Иран . [4]
Репутация и история дамасской стали породили множество легенд, например, о способности прорезать ствол винтовки или срезать волос, падающий на лезвие. Хотя многие виды современной стали превосходят древние дамасские сплавы, химические реакции в процессе производства сделали клинки необычными для своего времени, так как дамасская сталь была очень гибкой и очень твердой одновременно.
Методы, использовавшиеся для создания средневековой дамасской стали, исчезли к концу 19 века. Современные сталевары и металлурги широко изучили ее, разработав теории о том, как она производилась, и были достигнуты значительные успехи. Хотя точный образец средневековой дамасской стали не был воспроизведен, было сделано много похожих версий, использующих похожие методы ламинирования, полосования и нанесения узоров. Эти современные репродукции также называют дамасской сталью или «современным дамаском».
Происхождение названия «дамасская сталь» является спорным. Исламские ученые аль-Кинди (полное имя Абу Якуб ибн Исхак аль-Кинди, около 800 г. н. э. – 873 г. н. э.) и аль-Бируни (полное имя Абу ар-Райхан Мухаммад ибн Ахмад аль-Бируни, около 973 г. н. э. – 1048 г. н. э.) оба писали о мечах и стали, изготавливаемой для мечей, основываясь на внешнем виде их поверхности, географическом месте производства или ковки или имени кузнеца, и каждый из них в той или иной степени упоминает «дамасские» или «дамасские» мечи.
Опираясь на труды аль-Кинди и аль-Бируни, можно выделить три потенциальных источника термина «Дамаск» в контексте стали:
Наиболее распространенное объяснение заключается в том, что сталь названа в честь Дамаска, столицы Сирии и одного из крупнейших городов древнего Леванта . В Дамаске, где продавалось много этих мечей, нет никаких свидетельств местного производства тигельной стали, хотя есть свидетельства того, что импортная сталь ковалась в мечах в Дамаске. [7] [8] Название могло быть ранней формой клеймения .
«Дамасская сталь» может относиться либо к мечам, изготовленным или продаваемым непосредственно в Дамаске, либо просто к тем, на поверхности которых имеются характерные узоры, подобно тому, как дамасские ткани (также названные в честь Дамаска) [9] [10] получили свое название.
Дамасские клинки впервые были изготовлены на Ближнем Востоке из слитков вуц-стали , импортируемой из Южной Индии (современные Тамилнад и Керала ). [11] Аль-Кинди утверждает, что тигельная сталь также производилась в Хорасане [4], известном как Мухаррар, [12] в дополнение к импортируемой стали. [5] Было также внутреннее производство тигельной стали за пределами Индии, включая Мерв (Туркменистан) и Йезд , Иран. [13] [14]
Помимо производства клинков в Индии (в частности, в Голконде) и на Шри-Ланке, вутц /укку экспортировался в виде слитков в различные производственные центры, включая Хорасан и Исфахан , где сталь использовалась для производства клинков, а также по всему Ближнему Востоку.
Арабы привезли в Дамаск вуцскую сталь, где процветала оружейная промышленность. [15] С 3-го по 17-й век стальные слитки отправлялись на Ближний Восток из Южной Индии. [16]
Особенно хороша биновая руда, которую производят западные варвары [Си Фань 西番]. В « Бао цзан лунь» говорится: «Существует пять видов железа... [Первые два из Хубэя и Цзянси.] Биновая руда производится в Персии [Боси 波斯]; она настолько твердая и острая, что может резать золото и нефрит... [Последние два вида из Шаньси и Юго-Запада.] [17]
Репутация и история дамасской стали породили множество легенд, например, о способности прорезать ствол винтовки или срезать волос, падающий на лезвие. Хотя многие виды современной стали превосходят древние дамасские сплавы, химические реакции в процессе производства сделали клинки необычными для своего времени, так как дамасская сталь была очень гибкой и очень твердой одновременно.
Сохранившиеся образцы узорчатых тигельных стальных мечей часто закалялись таким образом, чтобы сохранять изгиб после того, как они были согнуты сверх предела упругости . [18]
Клинок , которым Беовульф убил мать Гренделя в истории « Беовульф », в некоторых современных английских переводах описывается как «дамаскированный». [19] [20]
Распространенное заблуждение заключается в том, что сталь закалялась путем шестикратного прокалывания спины и бедер раба. Это возникло в статье на странице 28 газеты Chicago Tribune от 4 ноября 1894 года под названием «Закалка дамасских клинков ». В заметке утверждается, что некий «профессор фон Уленшпигель» нашел свиток «среди руин древнего Тира». «Уленшпигель» — имя легендарного шутника средневековой Германии. [21]
Исключительно прочная вымышленная валирийская сталь, упомянутая в серии книг Джорджа Р. Р. Мартина «Песнь льда и пламени» , а также в ее телевизионной адаптации «Игра престолов» , по-видимому, была вдохновлена дамасской сталью, но с магическим поворотом. [22] Так же, как и дамасская/ вуцкая сталь, валирийская сталь также, по-видимому, является утраченным искусством древней цивилизации. Однако, в отличие от дамасской стали, клинки из валирийской стали не требуют обслуживания и не могут быть повреждены в ходе обычного боя.
Верховен, Петерсон и Бейкер завершили механическую характеристику дамасского меча, выполнив испытания на растяжение , а также испытания на твердость . [23] Они обнаружили, что дамасская сталь была в некоторой степени сопоставима с горячекатаными стальными прутками с 1,0% масс. углерода в отношении механических свойств. Средний предел текучести 740 МПа был выше, чем предел текучести горячекатаной стали 550 МПа, а средний предел прочности 1070 МПа был выше, чем предел прочности горячекатаной стали 965 МПа.
Эти результаты, вероятно, обусловлены более мелким перлитным интервалом в дамасской стали, что улучшает микроструктуру. Удлинение и сужение площади также были немного выше, чем средние значения для горячекатаной стали. Измерения твердости по Роквеллу для дамасской стали варьировались от 62 до 67. Эти механические свойства соответствовали ожидаемым свойствам сталей, входящих в состав материала, попадая между верхними и нижними границами, созданными исходными сталями.
В другом исследовании изучались свойства дамасской стали, полученной из стали 1075 и стали 15N20, которые имеют примерно равное количество углерода, но сталь 15N20 имеет 2% никеля по весу. [24] Сталь 1075 известна высокой прочностью, но низкой вязкостью с перлитной микроструктурой, а сталь 15N20 известна высокой вязкостью с ферритной микроструктурой. Механические свойства полученной слоистой дамасской стали были охарактеризованы на образцах с 54 сгибами в производстве, а также на образцах с 250 сгибами.
Испытания на ударную вязкость по Шарпи с V-образным надрезом показали, что 54-кратные образцы имели ударную вязкость 4,36 Дж/см 2 , в то время как 250-кратные образцы имели ударную вязкость 5,49 Дж/см 2 . Испытания на растяжение показали, что предел текучести и удлинение для обоих образцов были схожи, около 475 МПа и 3,2% соответственно. Однако максимальная прочность 54-кратных образцов была заметно ниже, чем у 250-кратных образцов (750 МПа против 860 МПа). Это исследование показало, что процесс складывания оказывает значительное влияние на механические свойства стали, причем ударная вязкость увеличивается с увеличением числа сгибов. [24] Этот эффект, вероятно, обусловлен истончением и измельчением микроструктуры, и для достижения оптимальных свойств сталь следует складывать несколько сотен раз.
Дальнейшие исследования дамасской стали, созданной на основе других сталей, показали схожие результаты, подтвердив, что увеличение количества складок приводит к большей ударной вязкости и вязкости, и распространив это открытие на более высокие температуры. [25] Они также сравнили механические свойства дамасской стали с исходными материалами, обнаружив, что свойства дамасской стали лежат между свойствами двух составляющих сталей, что согласуется со свойствами композитных материалов.
Обработка и конструкция пластин и полос также могут оказывать значительное влияние на механические свойства. Независимо от температуры отпуска и жидкости, в которой закаливается сталь, ударная вязкость дамасской стали, где удар перпендикулярен ориентации полосы, значительно выше, чем ударная вязкость, где удар параллелен ориентации полосы. [26]
Это связано с механизмами разрушения и разрушения в дамасской стали, где трещины распространяются быстрее всего вдоль интерфейсов между двумя составляющими сталями. Когда удар направлен параллельно полосам, трещины могут легко распространяться вдоль интерфейсов ламинирования. Когда удар направлен перпендикулярно полосам, интерфейсы ламинирования эффективно защищены, отклоняя трещины и увеличивая энергию, необходимую для распространения трещин через материал. Ориентация полос должна быть выбрана для защиты от деформации и повышения ударной вязкости.
Идентификация тигельной «дамасской» стали по металлургическим структурам [27] затруднена, так как тигельную сталь невозможно надежно отличить от других видов стали только по одному критерию, поэтому необходимо учитывать следующие отличительные характеристики тигельной стали:
Согласно этим определениям, современные воссоздания [7] тигельной стали соответствуют историческим образцам.
Железо для бен : производится западными варварами. Некоторые [типы] имеют спиральный самоузор, в то время как другие имеют узор в виде кунжутного семени или снежинки. Когда нож или меч протирают начисто и обрабатывают квасцами «золотой нити», [узор] проявляется. Его ценность выше, чем у серебра. [28]
— Цао Чжао
В процессе плавки для получения слитков стали вутц, как известно, использовались древесная биомасса и листья в качестве науглероживающих добавок вместе с определенными специфическими типами железа, богатыми микролегирующими элементами. Затем эти слитки подвергались дальнейшей ковке и превращались в лезвия из дамасской стали. Исследования в настоящее время показывают, что углеродные нанотрубки могут быть получены из растительных волокон, [29] предполагая, как нанотрубки были сформированы в стали. Некоторые эксперты ожидают обнаружить такие нанотрубки в большем количестве реликвий, поскольку они будут проанализированы более подробно. [30]
Также упоминалось, что вутц был изготовлен в процессе совместного плавления с использованием «шабуркана» (твердой стали, вероятно, белого чугуна) и «нармахана» (мягкой стали) Бируни [31], оба из которых были формами либо высоко-, либо низкоуглеродистого кричного железа, либо низкоуглеродистого кричного железа с чугуном. [32] В таком рецепте тигля не требуется добавлять растительный материал для обеспечения требуемого содержания углерода, и, таким образом, любые нанопроволоки цементита или углеродные нанотрубки не были бы результатом растительных волокон.
Исследовательская группа в Германии опубликовала отчет в 2006 году, в котором обнаружила нанопроволоки и углеродные нанотрубки в лезвии, выкованном из дамасской стали, [33] [30] [34] хотя Джон Верховен из Университета штата Айова в Эймсе предполагает, что исследовательская группа, которая сообщила о нанопроволоках в тигельной стали, видела цементит , который сам по себе может существовать в виде стержней, поэтому в стержнеобразной структуре может не быть никаких углеродных нанотрубок. [35]
Производство этих узорчатых мечей постепенно снижалось, прекратившись примерно к 1900 году, последний отчет датируется 1903 годом в Шри-Ланке, задокументированным Кумарасвами . [27] Некоторые оружейники в 18-м и 19-м веках использовали термин «дамасская сталь» для описания своих узорчатых сварных стволов, но они не использовали тигельную сталь. Несколько современных теорий рискнули объяснить этот спад:
Обнаружение предполагаемых углеродных нанотрубок в составе дамасской стали, если это правда, может подтвердить гипотезу о том, что производство вуца было остановлено из-за потери источников руды или технических знаний, поскольку осаждение углеродных нанотрубок, вероятно, было результатом определенного процесса, который может быть трудно воспроизвести, если бы технология производства или используемое сырье были существенно изменены. [37] Утверждение об обнаружении углеродных нанопроволок не было подтверждено дальнейшими исследованиями, и среди ученых существуют разногласия относительно того, являются ли наблюдаемые нанопроволоки на самом деле растянутыми плотами или стержнями, образованными из цементитовых сфероидов. [35]
Современные попытки скопировать этот металл не всегда были полностью успешными из-за различий в сырье и технологиях производства, но несколько человек в наше время успешно изготовили узорообразующую гиперэвтектоидную тигельную сталь с видимыми карбидными полосами на поверхности, соответствующую оригинальной дамасской стали. [7] [8] [38]
Археологи пытались воссоздать дамасскую сталь с помощью экспериментальной археологии . Многие пытались обнаружить или провести обратное проектирование процесса, с помощью которого она была изготовлена.
Поскольку известная техника узорчатой сварки — кузнечная сварка клинка из нескольких разных частей — создавала поверхностные узоры, похожие на те, что встречаются на дамасских клинках, некоторые современные кузнецы ошибочно полагали, что оригинальные дамасские клинки были сделаны с использованием этой техники. Однако сегодня разница между сталью вутц и узорчатой сваркой полностью задокументирована и хорошо понята. [39] [40] [41] Узорчатая сварная сталь называется «дамасской сталью» с 1973 года, когда кузнец Уильям Ф. Моран представил свои «дамасские ножи» на выставке гильдии ножеделов . [42] [43]
Этот «Современный дамаск» изготавливается из нескольких видов стали и пластин железа , сваренных вместе для формирования заготовки , и в настоящее время термин «дамаск» (хотя технически неверный) широко принят для описания современных стальных клинков с узорчатой сваркой в торговле. [44] Узоры различаются в зависимости от того, как кузнец обрабатывает заготовку. [43] Заготовка вытягивается и складывается до тех пор, пока не будет сформировано желаемое количество слоев. [43] Чтобы получить рейтинг мастера-кузнеца в Американском обществе кузнецов , основанном Мораном, кузнец должен выковать клинок из дамаска с минимум 300 слоями. [45]
Дж. Д. Верховен и А. Х. Пендрей опубликовали статью о своих попытках [46] воспроизвести элементарные, структурные и визуальные характеристики дамасской стали. [7] Они начали с заготовки стали, которая соответствовала свойствам оригинальной вутц- стали из Индии, которая также соответствовала ряду оригинальных дамасских мечей, к которым Верховен и Пендрей имели доступ.
Вутц находился в мягком, отожженном состоянии, с зернистой структурой и бусинами чистого карбида железа в цементитных сфероидах, что было результатом его гиперэвтектоидного состояния. Верховен и Пендрей уже определили, что зерна на поверхности стали были зернами карбида железа — их целью было воспроизвести узоры карбида железа, которые они видели в дамасских клинках, из зерен вутца.
Хотя такой материал можно было обрабатывать при низких температурах, чтобы получить полосчатый дамасский узор из перемешанных феррита / перлита и цементитных сфероидных полос способом, идентичным узорчатой сварной дамасской стали, любая термическая обработка, достаточная для растворения карбидов, как считалось, навсегда разрушает узор. Однако Верховен и Пендрей обнаружили, что в образцах настоящей дамасской стали дамасский узор можно было восстановить путем термического циклирования и термической обработки стали при умеренной температуре. [47]
Они обнаружили, что некоторые карбидообразующие элементы, одним из которых был ванадий, не рассеивались до тех пор, пока сталь не достигала более высоких температур, чем те, которые необходимы для растворения карбидов. Таким образом, высокотемпературная обработка могла удалить визуальное свидетельство узорчатости, связанной с карбидами, но не удаляла базовую узорчатость карбидообразующих элементов.
Последующая низкотемпературная термическая обработка, при которой карбиды снова становятся стабильными, может восстановить структуру путем связывания углерода этими элементами и вызвать сегрегацию цементитных сфероидов в этих местах.
Термоциклирование после ковки позволяет агрегировать углерод на этих карбидных формирователях, поскольку углерод мигрирует гораздо быстрее, чем карбидные формирователи. Прогрессивное термоциклирование приводит к укрупнению цементитных сфероидов посредством созревания Оствальда .
В России летописи фиксируют использование материала, известного как булатная сталь , для изготовления высоко ценимого оружия, включая мечи, ножи и топоры. Сообщается, что царь Михаил Русский заказал себе шлем из булата в 1621 году. Точное происхождение или процесс изготовления булата неизвестны, но, вероятно, он был импортирован в Россию через Персию и Туркестан, и он был похож и, возможно, такой же, как дамасская сталь. Павел Петрович Аносов успешно воспроизвел этот процесс в середине 19-го века. Уодсворт и Шерби также исследовали [8] воспроизведение булатной стали и опубликовали свои результаты в 1980 году.
Группа исследователей из Технического университета Дрездена , которая использовала рентгеновские лучи и электронную микроскопию для исследования дамасской стали, обнаружила наличие цементитных нанопроволок [48] и углеродных нанотрубок . [33] Питер Пауфлер, член дрезденской группы, говорит, что эти наноструктуры являются результатом процесса ковки. [30] [49]
Сандерсон предполагает, что процесс ковки и отжига объясняет возникновение наноструктур. [49]
Немецкие исследователи изучили возможность производства высокопрочной дамасской стали с помощью лазерной аддитивной технологии производства, в отличие от традиционной фальцовки и ковки. [50] Полученные образцы продемонстрировали превосходные механические свойства по сравнению с древними дамасскими сталями, с прочностью на разрыв 1300 МПа и удлинением 10%.
До начала 20-го века все стволы дробовиков ковались путем нагрева узких полос железа и стали и формования их вокруг оправки . [51] [52] Этот процесс назывался «ламинированием» или «дамаском». [51] [52] Такие типы стволов заслужили репутацию слабых и никогда не предназначались для использования с современным бездымным порохом или любым видом умеренно мощного взрывчатого вещества. [52] Из-за сходства с дамасской сталью, более дорогие стволы изготавливались бельгийскими и британскими оружейниками. [51] [52] Эти стволы имеют маркировку и предназначены для использования с легкими нажимными зарядами. [51] Современные производители оружия изготавливают затворные узлы и мелкие детали, такие как спусковые крючки и предохранители для пистолетов Colt M1911, из порошковой шведской стали, что приводит к закрученному двухцветному эффекту; эти детали часто называют «нержавеющим дамаском». [53]
{{cite book}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )