Как делают дамасскую сталь

Ножевая сталь Дамасская сталь Пожалуй, самая известная статья в русскоязычном Интернете о дамасской стали. Написанная четверть века назад, она до сих пор не потеряла своей актуальности. Некоторые специалисты упрекали авторов в поверхностном и слишком упрощенном изложении технологии дамаска, но, может быть, в этом и кроется причина долгой популярности этого материала?

А вот знаменитые дамасские ножи. Мы решили, что это будет уместно и для нашего сайта. Участники соревнований расхваливали друг перед другом достоинства своего оружия. Чтобы доказать силу своего двуручного прямого меча, Ричард одним ударом перерубил рукоять стальной булавы. В ответ Саладин взял шелковую подушку, положил ее на край и взмахнул своей кривой саблей. Изумленные европейцы решили, что это фокус, но Саладин, чтобы окончательно убедить их, подбросил мягкий вуалевый платок и разрезал его в воздухе. Хотя в этом эпизоде присутствует элемент литературной вольности, клинок Саладина не мог быть кривым, как скимитар, поскольку такие клинки появились лишь спустя несколько веков после описанной встречи Саладина с Ричардом, в году до этого, и они обладали исключительной прочностью на сжатие, то есть были достаточно твердыми, чтобы сохранить лезвие острым, но при этом металл был очень вязким, чтобы не сломаться во время боя.

Такие клинки обладают высоким сопротивлением сжатию.

Своими механическими качествами и красивым волнистым рисунком поверхности эти клинки обязаны материалу, из которого они были выкованы, - дамасской стали. Ко времени крестовых походов о дамасских клинках и доспехах ходили легенды. В последующие века они оставались предметом восхищения европейских кузнецов, которые тщетно пытались выковать сталь с характерным "дамасским" узором.

Дамасский узор на персидской сабле вверху и в центре вызван неравномерным содержанием углерода в сверхвысокоуглеродистой стали: светлые участки "дамаска" состоят из цементита карбида железа, а темный фон образован железом, содержащим гораздо меньше углерода.

Узор проявляется только после полировки и кислотного травления готового клинка. На микрофотографии современного образца сверхвысокоуглеродистой стали ниже, x четко видна сетка цементита; фоновая структура также состоит из чередующихся слоев цементита и железа. Дамасские стали стали более вязкими после ковки, которая разрушила цементитную сетку и придала поверхностному рисунку окончательный вид. Влияние ковки можно увидеть на персидской сабле: удары молота оставили вертикальные следы, которые образовали необычный дамасский узор - "лестницу Магомета".

Сабля датируется 17 веком. Несколько выдающихся европейских ученых, включая Майкла Фарадея, который сам был сыном кузнеца, пытались разгадать секрет дамасской стали. Хотя это заключение оказалось ошибочным, статья Фарадея вдохновила Жана Робера Бреана, пробирного инспектора Парижского монетного двора, на проведение серии экспериментов, в ходе которых он вводил в сталь различные элементы.

В ходе экспериментов пробирный инспектор монетного двора Жан Робер Бреан смог определить природу стали. <Именно Бреан впервые установил, что структура дамасской стали имеет светлые участки "науглероженной стали" на темном фоне, которые он называл просто "сталью". Бреану удалось изготовить клинки с рисунком дамасской стали, но до конца своих дней он так и не дал подробного объяснения своего метода. Более того, он так и не смог понять важность всех последовательных операций в использованном им процессе.

Таким образом, фазовая диаграмма железо-углерод была хорошо изучена лишь в конце XIX века, и даже сейчас, когда процесс производства дамасской стали считается по американским законам открытием и может быть запатентован. Авторы статьи заинтересовались проблемой производства дамасской стали, изучая современные сверхвысокоуглеродистые стали.

Высокая вязкость дамасской стали, однако, является неоспоримым фактом. Можно предположить, что первоначальная хрупкость, вызванная высоким содержанием углерода в стали, была устранена соответствующей обработкой. В своих экспериментах в лаборатории Стэнфордского университета авторы получили сталь, которая, как и дамасские клинки, обладает высокой прочностью и вязкостью при комнатной температуре.

Авторам также удалось воспроизвести легендарный "дамаск". Операции, использованные в этих лабораторных экспериментах, по сути, те же, что были изобретены в кузницах древнего Ближнего Востока.

Дамасские клинки получили свое название не по месту своего происхождения, а по местности, где европейцы впервые увидели их во время крестовых походов. Сталь для клинков производилась в Индии и была известна там под названием "вуз". Индия вела обширную торговлю стальными слитками, которые были размером с хоккейную шайбу. Считается, что лучшие клинки из индийского вуза ковали в Персии; из него также изготавливали щиты и доспехи. Географическое распространение дамасской стали в основном совпало с распространением мусульманской религии, хотя в Древней Руси эта сталь также была известна как булат.

Как и в других сталелитейных процессах, при приготовлении вутца кислород удалялся из оксида железа железной руды; при добавлении углерода железо затвердевало и превращалось в сталь. Источником углерода служил древесный уголь, древесина или листва. Кислород удалялся из руды в результате реакции с углеродом древесного угля.

Индийские сталевары изготавливали вуц, добавляя углерод в сварочное железо или удаляя углерод из железа. Процесс изготовления вутца, слитка высокоуглеродистой стали, в индийских литейных цехах.

Железо восстанавливалось от кислорода путем реакции с углеродом древесного угля, образуя губчатую массу. Примеси "выдавливались" из губчатого железа путем ковки; в результате получался кусок сварочного железа с низким содержанием углерода.

Эти куски железа науглероживали, нагревая их вместе с древесным углем в герметичном глиняном тигле, который предотвращал вторичное окисление железа. Когда в тигле появлялся хлюпающий звук, свидетельствующий об образовании некоторого количества расплава, тигель медленно охлаждали, оставляя его в остывающей печи. В Индии широко торговали железом в виде слитков диаметром около 8 см. Готовые клинки закалялись путем нагревания и быстрого охлаждения в воде, рассоле или другой жидкости.

Процесс получения вутца из сварочного железа легче поддается научной интерпретации, чем тот, в котором вутц получали из чугуна. Небольшие кусочки металла смешивали с древесным углем и помещали в закрытый глиняный тигель диаметром около 8 см и высотой 15 см. При этой температуре сварочное железо еще твердое, но его кристаллы уже имеют гранецентрированную кубическую структуру, так что атомы углерода могут встраиваться в решетку между атомами железа см.

Углерод медленно диффундирует в железо, образуя сплав, известный сейчас как аустенит. Три формы кристаллов железа в сверхвысокоуглеродистой стали. Если сталь затем охладить до комнатной температуры, кристаллы железа переходят в объемно-центрированную кубическую форму, в которой мало места для углерода; эта фаза называется ферритом.

Если же сталь быстро охлаждается во время закалки, атомы углерода оказываются в ловушке в искаженных тетрагональных телесно-центрированных кристаллах. Эта фаза, называемая мартенситом, имеет более высокую твердость, чем феррит. Фазовая диаграмма железо-углерод является основой для понимания свойств и принципов изготовления дамаскированных клинков. Углерод может дополнительно растворяться в железе, понижая его температуру плавления. Белые линии на диаграмме дамаскированной стали - это следы этой решетки.

Добавление углерода понижало температуру плавления металла. Внешний вид расплава определялся по хлюпающему звуку при встряхивании тигля; это означало, что значительное количество углерода уже растворилось в железе. С этого момента тигель охлаждали очень медленно, иногда в течение нескольких дней. Поскольку медленное охлаждение приводит к тому, что аустенитные зерна вырастают до больших размеров, цементитная сетка получается крупной.

Именно такая сетка формировала видимые узоры на дамасских клинках. Однако цементит обладает некоторыми отрицательными свойствами. Он обладает высокой твердостью, но при комнатной температуре становится чрезвычайно хрупким.

Хрупкости способствует сетчатая структура цементита, которая открывает пути для распространения трещин. Однако металл в дамасских клинках был не хрупким, а скорее очень вязким. Дамасская сталь приобретала такую вязкость только после ковки, то есть после разрушения цементитной сетки. Средневековые кузнецы не могли точно измерить температуру в печи, поэтому ориентировались на цвет каления металла.

Эти частицы по-прежнему производили эффект закалки металла, но последний терял свою хрупкость из-за разрушения цементитной сетки. Анализ поверхности дамасских клинков показывает, что они подвергались интенсивной ковке; толщина заготовки при ковке клинка, вероятно, уменьшилась в разы. Ни на одном из них не было обнаружено трещин. Одна из возможных причин, по которой европейские кузнецы не смогли изготовить дамаскированные клинки даже из индийского вуца, может заключаться в том, что они привыкли иметь дело с низкоуглеродистыми сталями, имеющими более высокую температуру плавления.

Вероятно, они пытались ковать индийскую сталь в раскаленном состоянии, когда металл частично расплавлен. Об этом мог писать только Бреан: "При белой горячке [дамасская сталь] крошится под молотом". Дамасские клинки обычно подвергались термообработке после ковки. Если создаются условия для медленного охлаждения, как при изготовлении вуза, то сверхвысокоуглеродистая сталь переходит из аустенитной фазы в перлитную, структура которой состоит из чередующихся слоев мягкого бедного углеродом феррита и богатого углеродом цементита.

Если, однако, сталь закаливается, то превращение аустенита в перлит тормозится. Образующиеся кристаллы железа объемно центрированы, но имеют вытянутую тетрагональную форму, а не кубическую. Такая структура называется мартенситом.

В нем есть свободные места для атомов углерода, и поэтому он может быть твердым. Согласно историческим свидетельствам, у средневековых кузнецов было множество различных рецептов закалки дамасских клинков, и они часто придавали большое значение деталям, которые современному инженеру кажутся фантастическими.

Некоторые мастера, например, утверждали, что клинки нужно закалять в моче рыжеволосого мальчика или трехлетнего козленка, которого три дня кормили только папоротником.

Одно из самых подробных описаний процедуры закалки дамасской стали с помощью булата было найдено в храме Балгала в Малой Азии: "Булат нужно нагревать до тех пор, пока он не потеряет свой блеск и не станет подобен восходящему солнцу в пустыне, затем охладить его до цвета царского пурпура и затем влить в тело могучего раба... Сила раба перейдет в клинок и сделает металл прочным". Эту "инструкцию" можно расшифровать следующим образом. Нетрудно догадаться, что этот рецепт не обеспечивал лучших свойств дамасской стали.

Кроме того, высокая температура должна была привести к образованию в стали относительно крупного зерна. Оба эти эффекта снижали вязкость металла. Отсюда следует парадоксальный вывод: лучшими дамасскими клинками должны быть те, на которых вообще нет "дамасского" узора. Дамасский узор, несомненно, служил для средневековых мастеров формой контроля качества: наличие узора было одновременно признаком высокого содержания углерода в металле, то есть высокой прочности, и признаком хорошо выкованной структуры, то есть высокой вязкости. <Как бы то ни было, узор виден на глаз, только если частицы цементита достаточно велики и неравномерно распределены в структуре стали. Клинки с очень тонкой микроструктурой, не дающей видимого рисунка, скорее всего, будут иметь более высокие показатели прочности и вязкости.

Для проверки своих идей о составе и производстве дамасской стали авторы попытались воспроизвести "дамаск" в лабораторных условиях. В результате длительного нагрева углерод растворился в железе, образовав очень грубую структуру аустенита.

Авторы попытались проверить свои идеи о составе и производстве дамасской стали в лабораторных условиях.

Навигация

thoughts on “Как делают дамасскую сталь

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *