Дамаська сталь

Дамасская сталь.

Oleg D. Sherby, Станфордский університет, Jeffrey Wadsworth, компанія Локхід.

В романі Вальтера Скотта «Талісман », присвяченому походам хрестоносців до Палестини, є епізод зустрічі Річарда Левине Серце з султаном Саладином. Суперники розхвалювали друг перед іншому гідності своєї зброї. Щоб довести міцність свого дворучного прямого меча, Річард одним ударом розрубав рукоять сталевої булави. У відповідь Саладін взяв шовкову подушку, поставив на ребро і замахнувся кривою шаблею. «Лезо шаблі сковзнуло так блискавично і легко, що подушка, здавалося, сама розділилася на частини, а чи не була розрізана ». Вражені європейці вважали за фокус, але Саладін, щоб остаточно переконати їх, підкинув м’який вуалевый хустку і розкраяв їх у повітрі. Як У. Скотт, надзвичайно гострий клинок в майстерною руці султана мав «вигнуте вузьке лезо », яке «не блищало, як франкские мечі, а відливало тускло-голубым світлом і це поцятковано незліченними звивистими лініями «*.

* Скотт У. Талісман, Повне Зібр. тв. в 20-ти томах. Т. 19.-М.: Художня література, 1965, з. 348. — прим. перев.

Хотя у цьому епізоді це і є елемент письменницької вільності (наприклад, клинок Саладіна було бути кривим, як ятаган, — такі клинки з’явилися лише кілька століть після описуваної зустрічі Саладіна з Річардом в 1192 р.), автор досить вдало описав той тип клинків, що у ходу в ісламському світі у період Саладіна. Ці клинки мали виняткової міцністю на стиснення, тобто. були досить твердими, щоб зберігати гостроту леза, й те водночас метал було дуже в’язким, отож у боях клинок не ламався. І своїми механічними якостями, і красивим хвилястим візерунком лежить на поверхні ці клинки були зобов’язані матеріалу, з которото їх кували — дамаської стали. На час хрестових походів про дамаських клинках і обладунках ходили легенди. У наступні століття вони залишались предметом захоплення європейських ковалів, наполегливо, та марно намагалися викувати сталь з характерним поверховим візерунком — «дамаском » .

Дамасский візерунок на перської шаблі обумовлений нерівномірним змістом вуглецю в сверхвысокоуглеродистой стали: світлі ділянки «дамаска «складаються з карбіду заліза (цементита), а темний фон освічений залізом, що містить значно менше вуглецю. Візерунок виявляється лише після полірування готового клинка та її протравлювання кислотою. На мікрофотографії зразка сучасної сверхвысокоуглеродистой стали (внизу, х200) добре видно сітка цементита; фонова структура також складається з які чергуються верств цементита і заліза. Дамасские стали ставали більш грузлими після кування, яка руйнувала цементитную сітку і надавала поверхневому візерунку остаточний вид. Вплив кування можна побачити на перської шаблі: удари молота залишили вертикальні мітки, які створили незвичний дамаський візерунок — «сходи Магомета ». Шабля належить до XVII в. чи, можливо, до пізнішого часу; зберігається в Метрополітен-музеї у Нью-Йорку.

Разгадать секрет дамаської стали прагнули деякі визначні європейські вчені, серед них Майкл Фарадей, сам син коваля. У 1819 р. (до винаходи їм електродвигуна і електрогенератора) Фарадей досліджував зразки дамаської сталі та дійшов висновку, що її виняткові властивості пояснюються присутністю невеликих кількостей кремнію і алюмінію. Хоча це висновок виявився помилковим, стаття Фарадея надихнула Жана Робера Бреана, пробірного інспектора Паризького монетного двору, провести серію експериментів, у яких вводив в сталь різні елементи. Саме Бреан вперше, в 1821 р., висловив здогад, істотну розуміння металургійної природи дамаської стали: її незвична міцність, в’язкість і вид повинні прагнути бути обумовлені містило велику кількість вуглецю. Він встановив, що структура дамаської стали має світлі ділянки «науглероженной стали «на темному тлі, який називав просто «сталлю » .

Бреану вдалося виготовити клинки з візерунком як в дамаської стали, але остаточно своїх днів не дав докладного пояснення своєму способу. Понад те, не зміг зрозуміти важливості всіх послідовних операцій на який я використав їм процесі. Лише на самій результаті ХІХ ст., коли ряд дослідників вивчили фазові перетворення, які у стали, і встановили їх залежність від температури та змісту вуглецю, було створено передумови до повного наукового пояснення структури дамаської стали. Але й і тепер, коли фазовая діаграма железо-углерод добре вивчена, процес виготовлення дамаської стали вважається на американському праву відкриттям і може бути запатентовано.

Авторы статті зацікавилися проблемою отримання дамаської стали, вивчаючи сучасні сверхвысокоуглеродистые стали. Такі стали, із вмістом вуглецю від 1 до 2,1%, рідко знаходять промислове застосування, оскільки вважаються занадто крихкими. Однак у дамаських клинках зміст вуглецю становить 1,5−2%. Проте висока в’язкість дамаської стали є незаперечним фактом. Не виключено, що початкова крихкість, викликана містило велику кількість вуглецю в стали, усувалася відповідної обробкою. У межах своїх експериментах до лабораторій Станфордского університету автори отримали сталь, яка, як і дамасские клинки, має міцні і в’язкістю при кімнатної температурі. Авторам вдалося також відтворити легендарний «дамаск ». Операції, використані у тих лабораторних експериментах, по суті аналогічні тим, хто був винайдено в кузнях древнього Середнього Сходу.

Самое раннє опис дамаських клинків належить до 540 р. н.е., але, можливо, вони застосовувалися значно раніше, ще у період Олександра Македонського (близько 323 р. е.). Своє назва дамасские клинки отримали за місцеві походження, а, по тому району, де європейці вперше побачили їх у період хрестових походів. Сталь для клинків виготовлялася таки в Індії і було там відома як «вуц ». Індія вела широку торгівлю сталевими злитками, які мали розмір хокейної шайби. Вважалося, що ми найкращі клинки з індійського вуца кують в Персії; потім із нього ж робили щити і зброю. Географічне поширення дамаської сталі у основному збігалося з поширенням мусульманської релігії, хоча у Київської Русі ця сталь також був відомий (під назвою «булат »).

Как та інших сталеплавильних процесах, приготування вуца передбачало видалення кисню з окису заліза (залізної руди); при додаванні вуглецю залізо упрочняется і перетворюється на сталь. Джерелом вуглецю був деревне вугілля, деревина чи листя. Зазвичай залізна руда і деревне вугілля змішувалися і нагрівалися в кам’яному горнилі приблизно до 1200 °C. Кисень віддалився з руди внаслідок реакцій з вуглецем деревного вугілля. Залежно кількості на суміші отриманий продукт міг стати або зварювальним залізом (з дуже низьким змістом вуглецю), або чавуном (що містить понад 4% вуглецю). Індійські сталевари виготовляли вуц, додаючи вуглець до сварочному залозу чи видаляючи вуглець з чавуну.

.

Процесс виготовлення вуца — зливка высокоуглеродистой сталі у індійських ливарних майстерень. Залізна руда і деревне вугілля змішувалися і нагрівались приблизно до 1200 °C у кам’яному віці горнилі. У цьому залізо відновлювалася (звільнялося від кисню) внаслідок реакцій з вуглецем деревного вугілля й утворювало губчату масу. Домішки «выжимались «з губчастого заліза куванням; внаслідок виходив шматок зварювального заліза з низьким змістом вуглецю. Ці шматки заліза науглероживали, нагріваючи разом з деревним вугіллям у закритому глиняному тиглі, предотвращавшем вторинне окислювання заліза. За появи хлюпающего звуку в тиглі, свидетельствовавшего про утворення певної кількості розплаву, тигель піддавали повільному охолодження, залишаючи їх у остывающей печі. Індія вела широку торгівлю вуцем як зливків діаметром близько 8 див. Ковалі Середнього Сходу кували з цих зливків дамасские клинки після їх нагріву до 650−850°С; у тому інтервалі температур сверхвысокоуглеродистые стали стають пластичними. Готові клинки гартували шляхом нагріву та швидкого охолодження в воді, розсолі або інший рідини.

Процесс отримання вуца з зварювального заліза легше піддається науковому тлумачення, чому він, у якому вуц одержували доходи з чавуну. Невеликі шматки металу змішували з деревним вугіллям і поміщали в закритий глиняний тигель діаметром близько 8 див і заввишки 15 див. Тигель нагрівали приблизно до 1200 °C. Під час цієї температурі зварювальне залізо ще залишається твердим, та його кристали має гранецентрированную кубічну структуру, отже атоми вуглецю можуть впроваджуватися в грати між атомами заліза (див. рис.). Вуглець повільно дифундує в залізо, створюючи сплав, нині відомого як аустенит.

.

Три форми кристалів заліза в сверхвысокоуглеродистой стали. При температурах вище 727 °C стійка структура має кубічну грати з атомами заліза у кожної межі; атоми вуглецю (темні сфери) можуть впроваджуватися у цю гранецентрированную структуру між атомами заліза, тобто. при високих температур вуглець може розчинятися в залозі; утворений розчин називають аустенитом. Якщо потім сталь охолоджувати до кімнатної температури, кристали заліза перейдуть у объемно-центрированную кубічну форму, у якій мало місця для вуглецю; цю фазу називають ферритом. Якщо ж сталь охолоджується швидко (при загартуванню), атоми вуглецю утримуються в перекручених тетрагональных объемно-центрированных кристалах. Ця фаза, звана мартенситом, має як високу твердість, ніж феррит.

.

Фазовая діаграма железо-углерод є підвалинами розуміння властивостей і принципів виготовлення дамаських клинків. При нагріванні зварювального заліза і деревного вугілля 1200 °C в тиглі залізо перетворюється на гранецентрированный аустенит (1). Вуглець деревного вугілля може далі розчинятися в залозі, знижуючи його температуру плавлення. Як лише зміст вуглецю в поверхневому шарі перевищить 2%, лежить на поверхні залізних частинок з’являється шар розплавленого чавуну (2). При повільному охолодженні вуглець може дифундувати через метал, створюючи сталь із середнім змістом вуглецю 1,5−2% (3). При падінні температури нижче приблизно 1000 °C вуглець виділяється з розчину на межі зерен як сітки цементита (4). Білі линиив візерунку дамаської стали є слідами цієї сітки. При температурі нижче 727 °C відбувається перетворення гранецентрированного аустеніту із заснуванням які чергуються верств цементита і низкоуглеродистого объемно-центрированного феррита (5). Клинки гартували шляхом нагріву вище 727 °C та швидкого охолодження, у якому аустенит перетворюється на мартенсит.

Добавка вуглецю знижувала температуру плавлення металу. У результаті, щойно вміст вуглецю лежить на поверхні шматків зварювального заліза досягало майже двом%, вони покривалися тонким шаром рідкого білого чавуну. Поява розплаву визначалося по хлюпающему звуку при струшуванні тигля; це означало, що значну кількість вуглецю вже розчинилося в залозі.

С цього історичного моменту тигель дуже повільно прохолоджували, іноді протягом днів. Повільне охолодження забезпечувало рівномірний розподіл вуглецю в стали, з концентрацією 1,5−2%. Коли температура металу стає нижче 1000 °C, частина вуглецю випадає з розчину і утворить сітку карбіду заліза (Fe3C), чи цементита, навколо зерен аустеніту. Бо за повільному охолодженні аустенитные зерна виростають до огрядна, цементитная сітка виходить грубої.

Именно ця сітка утворювала видимі візерунки на дамаських клинках. Проте цементит має певні негативні риси характеру. В нього висока твердість, але стає надзвичайно тендітним при кімнатної температурі. Тендітності сприяє сітчаста структура цементита, відкриває шляхи до поширення тріщин. Проте метал у дамаських клинках не була тендітним, а, навпаки, дуже в’язким. Цю в’язкість дамасская сталь набувала тільки після кування, тобто. після руйнації сітки цементита.

Ковка клинків з дамаської стали, мабуть, здійснювалася при щодо низької температури. Середньовічні ковалі не могли точно вимірювати температуру в горнилі і тому керувалися кольором жару металу. Сталь, нагріта в горнилі, може змінювати свій колір від білого (1200°С) до помаранчевого (900°С) і далі решти тонах. Не виключено, що дамаську сталь кували буде в діапазоні температур від 850 °C (вишневий колір) до 650 °C (криваво-червоний колір), бо за вищих температурах відбувалося б вторинне розчинення цементита в аустените. Якщо ж кування зливка велася при температурі нижчій за 850 °C, безперервна цементитная сітка розбивалася деякі сферичні частки карбіду. Ці частки ще виробляли упрочняющий ефект в металі, але останній втрачав свою крихкість внаслідок руйнації цементитной сітки.

Анализ поверхні дамаських клинків показує, що вони піддавалися інтенсивної куванню; товщина заготівлі при куванню клинка, мабуть, зменшувалася в 3−8 раз. Проведений авторами експеримент показав, що сверхвысокоуглеродистые стали справді мають високої в’язкістю і легко куються за нормальної температури 850 °C. Зливки почав із змістом вуглецю 1,3, 1,6 і l, 9% піддавалися високим стискаючим деформаціям з триразовим обжатием. На жодному їх виявлено було тріщин. Чавунний зливок за ті самі умовах деформування виявився більш тендітним внаслідок більшого (2,3%) змісту вуглецю і розтріснувся з обох боків.

Одной із можливих причин те, що європейським ковалів не вдавалося виготовити дамасские клинки навіть у індійського вуца, може те, що вони звикли поводитися з низкоуглеродистыми сталями, мають вищу температуру плавлення. Мабуть, вони намагалися кувати індійську сталь при білому калении, коли метал частково розплавлений. У цьому могло відбуватися лише те, що писав Бреан: «При білому калении [дамасская сталь] кришиться під молотом » .

Дамасские клинки після кування зазвичай гартували термообработкой. Термічна гарт стали здійснюється шляхом нагріву вище 727 °C (температури перетворення объемноцентрированного феррита в гранецентрированный аустенит) та швидкого охолодження (власне гарту) у питній воді або інший середовищі. Якщо створено умови повільного охолодження, як із виготовленні вуца, сверхвысокоуглеродистая сталь переходить з аустенитной фази в перліт, структура якого з які чергуються верств м’якого бідного вуглецем феррита і багатого вуглецем цементита. Якщо ж сталь піддається загартуванню, то перетворення аустеніту в перліт придушується. Отримувані кристали заліза є объемноцентрированными, але мають не кубічну, а витягнуту тетрагональную форму. Така структура називається мартенситом. У ньому є вільні місця для атомів вуглецю, і тому може бути твердої.

По історичним свідченням у середньовічних ковалів було багато різних рецептів для гарту дамаських клинків, причому часто надавали значення таким деталей, які сучасному інженеру видаються фантастичними. Наприклад, деякі майстра стверджували, що клинки потрібно гартувати в сечі рудоволосого хлопчика чи трирічної кози, яку дні годували папороттю. Один із найбільш докладних описів процедури гарту дамаської стали (булата) знайшли у храмі Балгала у Малій Азії: «Булат потрібно нагрівати до того часу, що він не втратить блиск і став як висхідний сонці у пустелі, після чого остудити його кольору королівського пурпуру і далі встромити в тіло могутнього раба… Сила раба піде на клинок і додасть міцність металу » .

Эту «інструкцію «можна розшифрувати так. Клинок нагрівали до високої температури, може бути вище 1000 °C (температура «вранішнього у пустелі сонця »), потім прохолоджували надворі приблизно до 800 °C (до кольору королівського пурпуру) і, нарешті, заганяли в теплу (37°С) напіврідку середу на кшталт розсолу.

Легко здогадатися, що це рецепт не забезпечував найкращі властивості дамаської стали. Нагрівання клинка вище 1000 °C мав викликати вторинне розчинення цементита в гранецентрированном аустените; при охолодженні до 800 °C мала відновлюватися груба сітчаста структура, раніше зруйнована куванням. З іншого боку, висока температура мала давати порівняно велике збіжжя у стали. Обидва ці ефекту зменшували в’язкість металу. Клинок, виготовлений по балгальскому рецептом, міг мати високу твердість, але надто тендітним і витримав би удару про інший клинок, загартований після нагріву до температури лише трохи вищі 727 °C; останній мав би і високі твердість, і в’язкість.

Согласно сучасним теоретичним уявленням в металознавстві, найміцнішими і грузлими сталями є ті, які мають найменші розміри зерен і частинок. Звідси випливає парадоксальний висновок: найкращими дамасскими клинками повинні прагнути бути ті, які не мають «дамаського «візерунка. Для середньовічних майстрів «дамаський «візерунок, безперечно, служив формою контролю за якістю: наявність візерунка був і ознакою високого змісту вуглецю в металі, тобто. високої міцності, ознакою добре прокованной структури, тобто. високої в’язкості. Проте помітний оку візерунок виходить в тому разі, якщо частки цементита досить великі і розподілені нерівномірно у структурі стали. Клинки з дуже тонкої микроструктурой, яка дає видимого візерунка, мабуть, може мати вищі показники міці й в’язкості.

Для перевірки свої волелюбні ідеї щодо складу і виробництва дамаської стали, автори спробували відтворити «дамаск «в лабораторних умовах. Спочатку нагрівали невелику сталеву відливку (із вмістом вуглецю l, 7%) до температури 1150 °C (світло-жовтий колір жару) протягом 15 год. Через війну тривалого нагріву вуглець розчинявся в залозі, створюючи дуже грубу структуру аустеніту. Потім зливок прохолоджували зі швидкістю приблизно 10 °C за годину. За такого повільного охолодженні утворювалася груба безперервна сітка цементита на межі аустенитных зерен.

.

Влияние кування на дамаську сталь було имитировано прокаткою зразків сучасної сверхвысокоуглеродистой стали. Структура стали показано зі збільшенням х130 (вгорі) і х6,5 (внизу). До прокатки (зліва) світла цементитная сітка була безупинної, з приблизно однаковим розміром осередків за всіма напрямами. Після прокатки (справа) сітка подовжилася у бік прокатки і роздрібнилася деякі сферичні частки. Через війну метал став більш в’язким (менш хрупким).

Слиток вдруге нагрівали до 800 °C і прокочували з восьмиразовим обжатием за «товщиною. У результаті операції, яка імітувала кування, зерна витягалися у бік прокатки і карбидная сітка руйнувалася. Травлення зразка кислотою, руйнує лише залізну матрицю і діючої на карбиды, виявило дамаський візерунок, видимий неозброєним оком. Мікроструктура зразка була схожа з микроструктурой справжньої дамаської стали (див. малюнок).

Микроструктуры сталі у поперечному сечении дамаського клинка (зліва) і прокатанного зразка сверхвысокоуглеродистой стали (справа). Подібність мікроструктур свідчить подібність процесів обробки. Після обробітку тиском цементитная сітка стискається; відстань між верствами становить близько 100 мкм. Прокатанная сталь має всі ж менш складний візерунок, ніж кутий клинок.

.

Выше описаний лише одне спосіб отримання дамаської стали; мабуть, існували і ще. Можна навіть припустити, що майстра на Середньому Сході вміли отримувати високоякісні сверхвысокоуглеродистые стали, які мали взагалі дамаського візерунка. Автори домоглися цього, у лабораторних умовах шляхом прокатки сталевого зливка, нагрітого до 1100 °C; під час прокатки зливок поступово охолоджувався з переходом через фазу аустенит + цементит. Обробка тиском (прокатка) викликала здрібнення аустенитных зерен і виділення цементита з розчину як дрібних рівномірно розподілених частинок, а чи не грубої сітки. Оброблений метал у відсутності поверхового візерунка.

Такие сверхвысокоуглеродистые стали без візерунка мають при кімнатної температурі вищі показники міці й в’язкості, ніж звичайні стали, застосовувані в автомобілебудуванні. Понад те, при температурах 600−800°С вони виявляють властивості сверхпластичности, тобто. ведуть себе подібно аморфним матеріалам, наприклад розплавленому склу. Це дозволяє плісень їх складні деталі, такі, як шестерні, при мінімальних витратах на обробку та використовуючи методи, застосовні у масовій виробництві, що відкриває широкі перспективи для промислового застосування сверхвысокоуглеродистых сталей.

.

Прочность і пластичність сверхвысокоуглеродистых сталей може бути вище, ніж в звичайних марок стали. Міцність на розтягнення окреслюється максимально растягивающее напруга, выдерживаемое стандартним зразком металу до розриву. Подовження зразка служить мірою пластичності; воно вимірюється як відносне прирощення довжини зразка металу безпосередньо перед розривом. Сверхвысокоуглеродистые стали після прокатки з охолодженням набувають надтонку структуру (чи виявляються міцніше (при даної пластичності) звичайних низьковуглецевих сталей (b) і високоміцних сталей, легованих невеликими кількостями спеціальних елементів (з). По міцності вони просто перевершують деякі спеціальні сорти стали (d).

Авторы не претендують на пріоритет в розкритті втраченого секрету отримання дамаської стали. Були попередники, як згадані Бреан і Фарадей або російський інженер В. П. Аносов, що у 1841 р. опублікував твір «Про булатах «*. Натхнений своїми відкриттями, Аносов захоплено писав:

" Закінчую твір надеждою, невдовзі наші воїни озброяться булатными мечами, наші хлібороби будуть обробляти землю булатными знаряддями, наші ремісники — виробляти свої вироби булатными інструментами; одне слово, переконаний, що з поширенням способів виготовлення і обробки булатів вони витиснуть з вживання різного роду сталь, уживану нині на приготування виробів, потребують особливою гостроти та стійкості «.

* Аносов В. П. Про булатах. Гірський журнал, 1841, частина 1, книга II. (Див. статтю О.Н. Бєлоусовій. — V.V.).

Его передбачення не справдилися. І на час величезні можливості сверхвысокоуглеродистых сталей залишаються у основному невикористаними. Автори негаразд оптимістичними у своїх прогнозах, як Аносов, проте вважають, що становище скоро зміниться і секрет дамаської стали стане спільним багатством сучасної промисловості. Як стверджує відома прислів'я: «Нове — часто лише добре забуте старе » .

Cyril P. S. Smith. A history of metallography. The University of Chicago Press, 1965.

Jeffrey Wadsworth and Oleg D.Sherby. On the bulat-damascus steels revisited. // In Progress in Materials Science, Vol. 25, pages 35−68; 1980.

Jeffrey Wadsworth and Oleg D.Sherby. Damascus steel-making. // In Science, Vol. 218, No. 4570, pages 328−329; October 22,1983.