Дамаська сталь

Дамаська сталь

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

У романі Вальтера Скотта "Талісман", присвяченому походів хрестоносців до Палестини, є епізод зустрічі Річарда Левове Серце з султаном Саладіном. Суперники розхвалювали один перед одним гідності своєї зброї. Щоб довести міцність свого дворічного прямого меча, Річард одним ударом розрубав рукоять сталевий булави. У відповідь Саладін взяв шовкову подушку, поставив її на ребро і замахнувся кривою шаблею. "Лезо шаблі ковзнуло так блискавично і легко, що подушка, здавалося, сама розділилася на дві половини, а не була розрізана". Уражені європейці визнали це за фокус, але Саладін, щоб остаточно переконати їх, підкинув м'який вуалево хустку і розсік його в повітрі. Як пише В. Скотт, надзвичайно гострий клинок в майстерної руці султана мав "зігнуте вузьке лезо", яка "не блищало, як франкские мечі, а відливало тьмяно-блакитним світлом і було поцятковане численними звивистими лініями" *.

* Скотт В. Талісман, Собр. соч. в 20-ти томах. Т. 19.-М .: Художня література, 1965, с. 348. - Прим. перев.

Хоча в цьому епізоді і є елемент письменницької вільності (наприклад, клинок Саладіна не міг бути кривим, як ятаган, - такі клинки з'явилися лише через кілька століть після описуваної зустрічі Саладіна з Річардом в 1192 г.), автор досить точно описав той тип клинків, які були в ходу в ісламському світі за часів Саладіна. Ці клинки мали виняткову міцність на стиск, тобто були досить твердими, щоб зберігати гостроту леза, і в той же час метал був дуже вузькому, так що в сутичках клинок не ламався. І своїми механічними властивостями, і красивим хвилястим візерунком на поверхні ці клинки були зобов'язані матеріалом, з которото їх кували - дамаської сталі. На час хрестових походів про дамаських мечах і обладунках ходили легенди. У наступні століття вони залишалися предметом захоплення європейських ковалів, наполегливо, але марно намагалися викувати сталь з характерним поверхневим візерунком - "Дамаск".

Дамаський візерунок на перської шаблі обумовлений нерівномірним вмістом вуглецю в сверхвисокоуглеродістие стали: світлі ділянки "дамаська" складаються з карбіду заліза (цементиту), а темний фон утворений залізом, що містить значно менше вуглецю. Візерунок виявляється тільки після полірування готового клинка і його протруювання кислотою. На мікрофотографії зразка сучасної сверхвисокоуглеродістие стали (внизу, х200) добре видно сітка цементиту; фонова структура також складається з чергуються шарів цементиту і заліза. Дамаску стали ставали більш в'язкими після кування, яка руйнувала цементітную сітку і надавала поверхневому візерунку остаточний вигляд. Вплив кування можна бачити на перської шаблі: удари молота залишили вертикальні мітки, які утворили незвичайний Дамаску візерунок - "сходи Магомета". Шабля відноситься до XVII ст. або, можливо, до більш пізнього часу; зберігається в Метрополітен-музеї в Нью-Йорку.

Розгадати секрет дамаської сталі прагнули деякі видні європейські вчені, в їх числі Майкл Фарадей, сам син коваля. У 1819 р (до винаходу їм електродвигуна і електрогенератора) Фарадей досліджував зразки дамаської сталі і прийшов до висновку, що її виняткові властивості пояснюються присутністю невеликих кількостей кремнію і алюмінію. Хоча цей висновок виявився помилковим, стаття Фарадея надихнула Жана Робера Бреа, пробірного інспектора Паризького монетного двору, провести серію експериментів, в яких він вводив в сталь різні елементи. Саме Бреа вперше, в 1821 р, висловив здогад, суттєву для розуміння металургійної природи дамаської сталі: її незвичайна міцність, в'язкість і вид повинні бути обумовлені високим вмістом вуглецю. Він встановив, що структура дамаської сталі має світлі ділянки "науглероженного стали" на темному тлі, який він називав просто "сталлю".

Бреану вдалося виготовити клинки з візерунком як у дамаської сталі, але він до кінця своїх днів так і не дав докладного пояснення своєму способу. Більш того, він не зміг зрозуміти важливість всіх послідовних операцій у використаному їм процесі. Тільки під кінець XIX ст., Коли ряд дослідників вивчили фазові перетворення, що відбуваються в сталі, і встановили їх залежність від температури і змісту вуглецю, були створені передумови для повного наукового пояснення структури дамаської сталі. Але навіть і тепер, коли фазова діаграма залізо-вуглець добре вивчена, процес виготовлення дамаської сталі вважається по американському праву відкриттям і може бути запатентований.

Автори статті зацікавилися проблемою отримання дамаської сталі, вивчаючи сучасні сверхвисокоуглеродістие стали. Такі стали, з вмістом вуглецю від 1 до 2,1%, рідко знаходять промислове застосування, так як вважаються занадто тендітними. Однак в дамаських мечах вміст вуглецю становить 1,5-2%. Проте висока в'язкість дамаської сталі є незаперечним фактом. Можна припустити, що первісна крихкість, викликана високим вмістом вуглецю в стали, усувалася відповідної обробкою. У своїх експериментах в лабораторії Стенфордського університету автори отримали сталь, яка, як і дамаські клинки, має високу міцність і в'язкістю при кімнатній температурі. Авторам вдалося також відтворити легендарний "дамаск". Операції, використані в цих лабораторних експериментах, по суті аналогічні тим, які були винайдені в кузнях стародавнього Середнього Сходу.

Найперша опис дамаськихклинків відноситься до 540 р н.е., але, можливо, вони застосовувалися значно раніше, ще за часів Олександра Македонського (близько 323 м до н.е.). Свою назву дамаські клинки отримали не за місцем походження, а з того району, де європейці вперше побачили їх за часів хрестових походів. Сталь для клинків виготовлялася в Індії і була там відома під назвою "вуц". Індія вела широку торгівлю сталевими злитками, які мали розмір хокейної шайби. Вважалося, що кращі клинки з індійського вуца кують в Персії; з нього ж робили щити та інша зброя. Географічне поширення дамаської сталі в основному співпадало з поширенням мусульманської релігії, хоча і в Стародавній Русі ця сталь також була відома (під назвою "булат").

Як і в інших сталеплавильних процесах, приготування вуца передбачало видалення кисню з окису заліза (залізної руди); при додаванні вуглецю залізо зміцнюється і перетворюється в сталь. Джерелом вуглецю був деревне вугілля, деревина або листя. Зазвичай залізна руда і деревне вугілля змішувалися і нагрівалися в кам'яному горні приблизно до 1200 ° С. Кисень віддалявся з руди внаслідок реакцій з вуглецем деревного вугілля. Залежно від кількості вугілля в суміші отриманий продукт міг бути або зварювальним залізом (з дуже низьким вмістом вуглецю), або чавуном (містить понад 4% вуглецю). Індійські сталевари виготовляли вуц, додаючи вуглець до зварювальному залозу або видаляючи вуглець з чавуну.

Процес виготовлення вуца - злитка високовуглецевої сталі в індійських ливарних майстерень. Залізна руда і деревне вугілля змішувалися і нагрівалися приблизно до 1200 ° С в кам'яному горні. При цьому залізо відновлювалося (звільнялося від кисню) внаслідок реакцій з вуглецем деревного вугілля і утворювало губчату масу. Домішки "вичавлювати" з губчатого заліза куванням; в результаті виходив шматок зварювального заліза з низьким вмістом вуглецю. Ці шматки заліза науглероживается, нагріваючи їх разом з деревним вугіллям в закритому глиняному тиглі, запобігає вторинне окислювання заліза. При появі хлюпає звуку в тиглі, яке свідчило про освіту деякої кількості розплаву, тигель піддавали повільному охолодженню, залишаючи його в остигає печі. Індія вела широку торгівлю вуцем у вигляді зливків діаметром близько 8 см. Ковалі Середнього Сходу кували з цих зливків дамаські клинки після його нагрівання до 650-850 ° С; в цьому інтервалі температур сверхвисокоуглеродістие стали стають пластичними. Готові клинки гартували шляхом нагрівання і швидкого охолодження в воді, розсолі або іншої рідини.

Процес отримання вуца з зварювального заліза легше піддається науковому тлумаченню, ніж той, в якому вуц отримували з чавуну. Невеликі шматки металу змішували з деревним вугіллям і поміщали в закритий глиняний тигель діаметром близько 8 см і висотою 15 см. Тигель нагрівали приблизно до 1200 ° С. При цій температурі зварювальне залізо ще залишається твердим, але його кристали вже мають гранецентрированную кубічну структуру, так що атоми вуглецю можуть впроваджуватися в грати між атомами заліза (див. Рис.). Вуглець повільно дифундує в залізо, утворюючи сплав, нині відомий як аустеніт.

Три форми кристалів заліза в сверхвисокоуглеродістие стали. При температурах вище 727 ° С стійка структура має кубічну решітку з атомами заліза в центрі кожної грані; атоми вуглецю (темні сфери) можуть впроваджуватися в цю гранецентрированную структуру між атомами заліза, тобто при високих температурах вуглець може розчинятися в залозі; утворюється розчин називають аустенітом. Якщо потім сталь охолоджувати до кімнатної температури, кристали заліза перейдуть в об'ємно-центровану кубічну форму, в якій мало місця для вуглецю; цю фазу називають ферритом. Якщо ж сталь охолоджується швидко (при гарту), атоми вуглецю утримуються в спотворених тетрагональних об'ємно-центровані кристалах. Ця фаза, звана мартенситом, має більш високу твердість, ніж ферит.

Фазова діаграма залізо-вуглець є основою для розуміння властивостей і принципів виготовлення дамаськихклинків. При нагріванні зварювального заліза і деревного вугілля до 1200 ° С в тиглі залізо переходить в гранецентрированний аустенит (1). Вуглець деревного вугілля може далі розчинятися в залозі, знижуючи його температуру плавлення. Як тільки вміст вуглецю в поверхневому шарі перевищить 2%, на поверхні залізних часток з'являється шар розплавленого чавуну (2). При повільному охолодженні вуглець може дифундувати через метал, утворюючи сталь із середнім вмістом вуглецю 1,5-2% (3). При падінні температури нижче приблизно 1000 ° С вуглець виділяється з розчину по межах зерен у вигляді сітки цементиту (4). Білі лініів візерунку дамаської сталі є слідами цієї сітки. При температурі нижче 727 ° С відбувається перетворення гранецентрированного аустеніту з утворенням чергуються верств цементиту і низьковуглецевої об'ємно-центрована фериту (5). Клинки гартували шляхом нагрівання вище 727 ° С і швидкого охолодження, при якому аустеніт перетворюється в мартенсит.

Добавка вуглецю знижувала температуру плавлення металу. Внаслідок цього, як тільки вміст вуглецю на поверхні шматків зварювального заліза сягала приблизно 2%, вони покривалися тонким шаром рідкого білого чавуну. Поява розплаву визначалося за хлюпає звуку при струшуванні тигля; це означало, що значна кількість вуглецю вже розчинилася в залозі.

З цього моменту тигель дуже повільно охолоджували, іноді протягом декількох днів. Повільне охолодження забезпечувало рівномірний розподіл вуглецю в стали, з концентрацією 1,5-2%. Коли температура металу стає нижче 1000 ° С, частина вуглецю випадає з розчину і утворює сітку карбіду заліза (Fe3C), або цементиту, навколо зерен аустеніту. Так як при повільному охолодженні аустенітні зерна виростають до великих розмірів, цементітная сітка виходить грубою.

Саме ця сітка утворювала видимі візерунки на дамаських мечах.Однак цементит має певні негативні властивості. У нього висока твердість, але він стає надзвичайно крихким при кімнатній температурі. Крихкості сприяє сітчаста структура цементиту, що відкриває шляхи для поширення тріщин. Однак метал в дамаських мечах не була тендітним, а, навпаки, дуже в'язким. Цю в'язкість дамаська сталь набувала тільки після кування, тобто після руйнування сітки цементиту.

Кування клинків з дамаської сталі, ймовірно, проводилася при відносно низькій температурі. Середньовічні ковалі не могли точно вимірювати температуру в горні і тому керувалися кольором живого металу. Сталь, нагріта в горні, може змінювати свій колір від білого (1200 ° С) до помаранчевого (900 ° С) і далі до інших тонів. Можна припустити, що дамаська сталь кували в діапазоні температур від 850 ° С (вишневий колір) до 650 ° С (криваво-червоний колір), так як при більш високих температурах відбувалося б вторинне розчинення цементиту в аустеніт. Якщо ж кування злитку велася при температурі нижче 850 ° С, безперервна цементітная сітка розбивалася на окремі сферичні частинки карбіду. Ці частинки ще виробляли зміцнюючої ефект у металі, але останній втрачав свою крихкість внаслідок руйнування цементитной сітки.

Аналіз поверхні дамаськихклинків показує, що вони піддавалися інтенсивної куванні; товщина заготовки при куванні клинка, ймовірно, зменшувалася в 3-8 разів. Проведений авторами експеримент показав, що сверхвисокоуглеродістие стали дійсно мають високу в'язкістю і легко куються при температурі 850 ° С. Злитки сталі з вмістом вуглецю 1,3, 1,6 і l, 9% піддавалися високим стискає деформацій з триразовим обтисненням. На жодному з них не було виявлено тріщин. Чавунний злиток при тих же умовах деформування виявився більш крихким внаслідок більшого (2,3%) вмісту вуглецю і розтріснувся по краях.

Однією з можливих причин того, що європейським ковалям не вдавалося виготовити дамаські клинки навіть з індійського вуца, може бути те, що вони звикли мати справу з низьковуглецевими сталями, що мають більш високу температуру плавлення. Ймовірно, вони намагалися кувати індійську сталь при білому Каленик, коли метал частково розплавлений. При цьому могло відбуватися лише те, про що писав Бреа: "При білому Каленик [дамаська сталь] кришиться під молотом".

Дамаску клинки після кування зазвичай гартували термообробкою. Термічна загартування сталі здійснюється шляхом нагрівання вище 727 ° С (температури перетворення об'ємно-центрованої фериту в гранецентрированний аустенит) і швидкого охолодження (власне загартування) у воді або іншому середовищі. Якщо створені умови для повільного охолодження, як при виготовленні вуца, сверхвисокоуглеродістие сталь переходить з аустенітної фази в перліт, структура якого складається з чергуються шарів м'якого бідного вуглецем фериту і багатого вуглецем цементиту. Якщо ж сталь піддається загартуванню, то перетворення аустеніту в перліт пригнічується. Що виходять кристали заліза є об'ємно-центрованої, але мають не кубічні, а витягнуту тетрагональную форму. Така структура називається мартенситом. У ній є вільні місця для атомів вуглецю, і тому вона може бути твердою.

За історичними свідченнями у середньовічних ковалів було багато різних рецептів для загартування дамаськихклинків, причому вони часто надавали важливе значення таким деталям, які сучасному інженерові представляються фантастичними. Наприклад, деякі майстри стверджували, що клинки потрібно гартувати в сечі рудоволосого хлопчика або трирічної кози, яку три дні годували тільки папороттю. Одне з найбільш докладних описів процедури загартування дамаської сталі (булату) було знайдено в храмі Балгала в Малій Азії: "Булат потрібно нагрівати до тих пір, поки він не втратить блиск і стане як сонце, що сходить в пустелі, після чого остудити його до кольору королівського пурпура і потім встромити в тіло могутнього раба ... Сила раба перейде в клинок і додасть міцність металу ".

Цю "інструкцію" можна розшифрувати таким чином. Клинок нагрівали до високої температури, імовірно вище 1000 ° С (температура "сонця в пустелі сонця"), потім охолоджували на повітрі приблизно до 800 ° С (до кольору королівського пурпура) і, нарешті, занурювали в теплу (37 ° С) напіврідку середу зразок розсолу.

Легко здогадатися, що цей рецепт не забезпечував найкращі властивості дамаської сталі. Нагрівання клинка вище 1000 ° С повинен був викликати вторинне розчинення цементиту в гранецентрированную аустените; при охолодженні до 800 ° С повинна була відновлюватися груба сітчаста структура, раніше зруйнована куванням. Крім того, висока температура повинна була давати порівняно велике зерно в сталі. Обидва цих ефекту зменшували в'язкість металу. Клинок, виготовлений за балгальскому рецептом, міг мати високу твердість, але виявився б занадто тендітним і не витримав би удару об інший клинок, загартований після нагрівання до температури лише трохи вище 727 ° С; останній мав би і високу твердість, і в'язкість.

Відповідно до сучасних теоретичних уявлень в металознавстві, найбільш міцними і в'язкими сталями виявляються ті, які мають найменші розміри зерен і частинок. Звідси випливає парадоксальний висновок: найкращими дамаськихклинків повинні бути ті, які взагалі не мають "з Дамаску" візерунка. Для середньовічних майстрів "Дамаску" візерунок, без сумніву, служив формою контролю якості: наявність візерунка було і ознакою високого вмісту вуглецю в металі, тобто високої міцності, і ознакою добре проковують структури, тобто високої в'язкості. Однак помітний оку узор виходить тільки в тому випадку, якщо частинки цементиту досить великі і розподілені нерівномірно в структурі стали. Клинки з дуже тонкої мікроструктурою, що не дає видимого узору, ймовірно, можуть мати більш високі показники міцності і в'язкості.

Для перевірки своїх ідей щодо складу і виробництва дамаської сталі, автори спробували відтворити "дамаск" в лабораторних умовах. Спочатку нагрівали невелику сталеву виливок (з вмістом вуглецю l, 7%) до температури 1150 ° С (світло-жовтий колір гартування) протягом 15 год. В результаті тривалого нагрівання вуглець розчинявся в залозі, утворюючи дуже грубу структуру аустеніту. Потім злиток охолоджували зі швидкістю приблизно 10 ° С в годину. При такому повільному охолодженні утворювалася груба безперервна сітка цементиту по межах аустенітних зерен.

Вплив кування на дамаська сталь було імітовано прокаткою зразків сучасної сверхвисокоуглеродістие стали. Структура стали показана з збільшенням х130 (вгорі) і х6,5 (внизу). До прокатки (ліворуч) світла цементітная сітка була безперервною, з приблизно однаковим розміром осередків в усіх напрямках. Після прокатки (праворуч) сітка подовжилася в напрямку прокатки і роздрібнилася на окремі сферичні частинки. В результаті метал став більш вузькому (менше крихким).

Злиток вдруге нагрівали до 800 ° С і здійснювали прокат з восьмиразовим обтисненням по товщині. В результаті цієї операції, яка імітувала ковку, зерна витягувалися в напрямку прокатки і карбідна сітка руйнувалася. Травлення зразка кислотою, яка руйнує тільки залізну матрицю і не діє на карбіди, виявило Дамаску візерунок, видимий неозброєним оком. Мікроструктура зразка була на диво схожа з мікроструктурою справжньою дамаської сталі (див. Малюнок).

Мікроструктури стали в поперечному перерізі Дамаску клинка (ліворуч) і прокатанного зразка сверхвисокоуглеродістие стали (праворуч). Подібність мікроструктур свідчить про подібність процесів обробки. При обробці тиском цементітная сітка стискається; відстань між шарами складає близько 100 мкм. Прокатана сталь має все-таки менш складний візерунок, ніж кований клинок.

Вище описаний тільки один спосіб отримання дамаської сталі; ймовірно, існували і багато інших. Можна навіть припустити, що майстри на Середньому Сході вміли одержувати і високоякісні сверхвисокоуглеродістие стали, які не мали взагалі Дамаску візерунка. Автори домоглися цього в лабораторних умовах шляхом прокатки сталевого злитка, нагрітого до 1100 ° С; під час прокатки злиток поступово охолоджувався з переходом через фазу аустеніт + цементит. Обробка тиском (прокатка) викликала подрібнення аустенітних зерен і виділення цементиту з розчину у вигляді дрібних рівномірно розподілених частинок, а не грубої сітки. Оброблений метал не мав поверхневого візерунка.

Такі сверхвисокоуглеродістие стали без візерунка мають при кімнатній температурі більш високі показники міцності і в'язкості, ніж звичайні сталі, що застосовуються в автомобілебудуванні. Більш того, при температурах 600-800 ° С вони проявляють властивості сверхпластичности, тобто поводяться подібно аморфним матеріалами, наприклад розплавленого скла. Це дозволяє формувати з них складні деталі, такі, як шестерні, при мінімальних витратах на обробку і використовуючи методи, які застосовуються в масовому виробництві, що відкриває широкі перспективи для промислового застосування сверхвисокоуглеродістие сталей.

Міцність і пластичність сверхвисокоуглеродістие сталей можуть бути вище, ніж у звичайних марок сталі. Міцність на розтяг визначається як максимально розтягуюче напруга, витримується стандартним зразком металу до розриву. Подовження зразка служить мірою пластичності; воно вимірюється як відносне збільшення довжини зразка металу безпосередньо перед розривом. Сверхвисокоуглеродістие стали після прокатки з охолодженням набувають надтонку структуру (а) і виявляються міцніше (при даній пластичності) звичайних низьковуглецевих сталей (b) і високоміцних сталей, легованих невеликими кількостями спеціальних елементів (с). По своїй міцності вони навіть перевершують деякі спеціальні сорти сталі (d).

Автори не претендують на пріоритет в розкритті втраченого секрету отримання дамаської сталі. Були попередники, як згадані Бреа і Фарадей або ж російський інженер П.П. Аносов, який в 1841 р опублікував твір "Про Булат" *. Натхненний своїми відкриттями, Аносов захоплено писав:

"Закінчую твір надією, що скоро наші воїни озброяться булатними мечами, наші землероби будуть обробляти землю булатними знаряддями, наші ремісники - формувати свої вироби булатними інструментами; одним словом, я переконаний, що з поширенням способів приготування і обробки Булатов вони витіснять з ужитку всякого роду сталь, що вживаються нині на приготування виробів, що вимагають особливої ​​гостроти та стійкості ".

* Аносов П.П. Про Булат. Гірський журнал, 1841, частина 1, книга II. (Див. Статтю О. М. Білоусової. - VV)

Його передбачення не справдилися. І в даний час величезні можливості сверхвисокоуглеродістие сталей залишаються в основному невикористаними. Автори не такі оптимістичні в своїх прогнозах, як Аносов, але все ж вважають, що становище скоро зміниться і секрет дамаської сталі стане загальним надбанням сучасної промисловості. Як говорить відоме прислів'я: "Нове - це часто лише добре забуте старе".

Список літератури

Cyril 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.