从古代大马士革钢到现代不锈钢的神奇变迁
2022-08-29 16:54:02 作者:腐蚀与防护 来源:腐蚀与防护 分享至:

 大马士革钢,原产地是古印度。现代泛指表面具有花纹的钢材。古代称之为乌兹钢。古印度出产的“乌兹钢锭”是制作刀剑的顶级用钢,每年阿拉伯商人都要向印度进口大量的钢锭用于武器制造。



这种钢在铸造成刀剑时表面会有一种特殊的花纹——穆罕默德纹,所以它是属于花纹钢中的铸造型花纹钢,区别于折叠锻打形成的焊接型花纹钢。因为花纹能够使刀刃在微观上形成锯齿(肉眼无法分辨),使得刀剑更加锋利。

大马士革钢因其神秘的花纹图案、古老的传说和自身的优异性能,被制成的刀具深受人们喜爱。真正的大马士革钢又称为结晶花纹钢,是一种古代粉末冶金和锻造技术完美的结合。

大马士革钢上的花纹其实是两种性质不同的材料:亮的地方是纯的雪明炭铁,其硬度比玻璃还大;暗的地方则属于沃斯田铁和波来铁。整体含碳量大约在1.5%~2.0%之间。在韧性高的波来铁里均匀散布着比玻璃还硬的雪明炭铁,使得大马士革钢刀可以具有非常锋利的刀锋,以及非常坚韧而不会折断的刀身。

大马士革钢的花纹和摺叠钢有明显的差别。大马士革钢花纹比较细致,看起来比较自然,黑白的对比也比较大。在古代由于经常出现人们会在刃上喂毒的情形,造成很多大马士革钢的刀刃呈现黑色。在黑色的刀刃上分布着亮晶晶的雪明炭铁,古代波斯人把它形容成像夜空中的繁星一样漂亮的花纹。经常有人将大马士革钢、乌兹钢、镔铁三者混淆,其实它们是不能混为一谈的。


易混淆的三种钢

印度钢

是一种坩埚冶炼的超高碳钢(含碳量在1.5%~2%),在公元前6至5世纪时,由位于古印度西北角的Hyderabad(翻译为“海得拉巴”,现在属于巴基斯坦)的冶炼工人制成的,后来被售到“安息”(波斯)、条支甚或是埃及等。

其冶炼方法是将黑锰矿、竹炭及某些植物叶子密封在一个陶炉里燃烧加热,当这些东西熔化后,其渣滓形成一团金属,然后将此金属反复熔化、冷却四五次,最后炼成直径为5英寸,厚度为0.5英寸,重约2英镑的金属块。(参见文献:William.Reid的《西洋兵器大观》)

乌兹钢
 

在印度被制成的金属块,不能直接被命名为大马士革钢,而它们被叫做大马士革钢,是因为这些金属被贩卖到大马士革(位于今天的叙利亚境内)这个城市后,用来炼制成武器,即大马士革剑(或大马士革刃)之后,才得名的。或者应该这样说:当中世纪欧洲入侵耶路撒冷(即十字军东征)时期,欧洲人看到他们的敌人使用这种武器时,就以为这种原材料是来自印度的武器,就是在大马士革取材制炼的,因此就有了“大马士革钢”这个说法。

至于“印度铁”,姑且是看作以这个金属块来源而进行的命名,而“乌兹(Wootz)”则可能是最原始的叫法。另外,大概是因为“Wootz”被简单翻译成“乌兹”,中国人可能不好理解,所以第一位翻译它的人就直接命名为“印度铁”,有利于理解。


乌兹钢锭

综上所述,应该是先有“乌兹(Wootz)”,然后才有“大马士革钢”(Damascus steel),“乌兹(Wootz)”因为出产于印度故也被翻译作“印度铁”。

镔铁

镔铁(fagoted iron)是古代的一种钢,把表面磨光再用腐蚀剂处理,可见花纹,又称“宾铁”。明代曹昭的《格古要论》卷六记载:镔铁有旋螺花、芝麻雪花;常用的腐蚀剂为金丝矾,又名黄矾(硫酸铁)。

镔铁原产波斯(今伊朗)、罽宾(今克什米尔)、印度等地,约在南北朝时传入中国。此后中国也掌握了制炼镔铁的技术。元朝工部设镔铁局,明代新疆、山西都产镔铁。古代近东、南亚有花纹的钢器分为两大类:一种以印度乌兹(Wootz)钢为原料制成;一种以高碳钢和熟铁叠打而成。唐慧林《一切经音义》卷55所述:镔铁“以诸铁和合”,当指后者。镔铁主要用来制作刀剑,镔铁剑极其锋利,有“吹毛透风”之誉。(参见文献:张子高、杨根的《镔铁考》,《科学史集刊》第7期)

“镔铁”不是“大马士革钢”的同义词,更接近于坩埚钢系列。镔铁更象由中亚的布拉特钢加工得来,而由南亚乌兹钢加工得到的大马士革钢却很少见(不是绝对没有)。

“大马士革钢”最先开始是“乌兹”(Wootz)的同义词,后来由于大马士革钢制造工艺失传,同时随着现代钢铁工业的发展,到了现在已经成了“表面花纹钢”的代名词。


从大马士革钢到不锈钢

公元前4世纪左右,有记载称,印度王子波鲁斯曾送给亚历山大大帝一块重达30磅(约15公斤)的纯印度钢铁,彼时印度钢铁已经声名鹊起。

在十字军东征期间,大马士革剑被尊为无双之剑,作为皇室传家宝流传下来。十字军骑士也为拥有大马士革剑而自豪。然而,随着枪支的出现,大马士革剑失去了往日的荣光,逐渐过时。

18 世纪下半叶,随着工业革命的发展,工业领域需要大量优质、廉价的金属。于是科学家们纷纷致力于从根本上研究金属的特性,此时,大马士革钢(乌兹钢)再次成为人们关注的焦点。

一位在印度的英国旅行者P. Scott对当地的乌兹钢产生了兴趣。他在孟买购得了几块乌兹钢,带回家并交给了英国皇家学会。

著名科学家迈克尔法拉第(电磁感应之父)也投身于对乌兹钢的研究。但是法拉第的目的可不是研究钢铁本质,而是制作出比大马士革刀更好的刀。因为当时他在欧洲一家著名的刀具厂上班,老板给他布置了这项任务。


也许受到童话里巫师用“七种混合物”熬制神奇药水的影响,法拉第试图通过在钢铁中添加各种贵金属,然后对比它和乌兹钢的区别,来破解大马士革钢成分之谜。据说他总共添加了79种贵金属元素,制成了含有不同贵金属的合金。法拉第研究了铝、镍、铬、银等各种合金钢,据说添加了铂的合金钢即使在室内长时间放置也不会生锈。


虽然没能造出和乌兹钢一样优秀的钢,但是法拉第与Stoddart共同发表了关于合金钢的第一篇论文。历史上第一种不锈钢(或者说是大马士革钢之后的第二种)是“铂钢”。然而,由于这种不锈钢造价高到离谱,因此它在工业上并不可用。法拉第对大马士革钢的尝试以失败告终。这项研究的样本仍留在英国皇家研究所。

1828年,俄罗斯冶金学家阿诺索夫得知法拉第的工作,踩着法拉第的肩膀继续研究,并声称自己最终揭开了大马士革钢之谜。

与法拉第一样,阿诺索夫开始寻找一种“神奇”添加剂,把简单的钢变成大马士革钢。添加金、银、铂,甚至钻石,花费了这么多材料,但是并没有得到哪怕一克的大马士革钢。

后来他改变了研究方向,腐蚀大马士革钢的横截面,然后在显微镜下观察横截面的金属结构。1838年,阿诺索夫宣布用这种方法破解了大马士革钢之谜。


根据阿诺索夫的说法,大马士革钢的花纹代表了它的内部结构,这种结构和材料的力学性能是相关的。大马士革钢的花纹一般认为是由成捆的钢和铁棒锻造而成,锻合之后就形成了花纹。铸造型的花纹钢是在坩埚中缓慢凝固,内部产生结晶,从而形成花纹。

当钢凝固时,碳含量低的钢首先结晶,这是枝晶。接下来,碳含量高的小晶体填充在枝晶之间的空隙里。由此产生了复杂的晶体纠缠,其中一个是硬的,另一个是粘性的。锻造大马士革钢只能低温锻造来完成,以免破坏枝晶。除了组织之外,原来制作刀刃的特殊技法应该还包含若干不为人知的秘密。

1841年,阿诺索夫的《论大马士革钢铁》一书出版,总结了他多年的研究成果。这项研究在19世纪下半叶被切尔诺夫接管,并被别拉耶夫进一步接管,并于1918年以《大马士革钢》为题在英国钢铁学会上发表。

顺带提一句,大马士革钢的硬度和韧性的秘密算是勉强解开了。但是它不生锈的秘密又是怎么一回事呢?


1821年,法国人贝尔蒂埃也和阿诺索夫一样,关注到法拉第对乌兹钢的研究。贝尔蒂埃成功地通过还原复合氧化物直接生产出了铁铬合金。他们发现这种铬钢具有耐腐蚀性。于是他不再关注大马士革钢的花纹和锋利度,转而研究铁铬合金的耐腐蚀性。

1838年,法国人穆雷也研究了铁铬合金的耐腐蚀性能。1854年至1859年,德国的本生、法国的德维尔和弗雷米、德国的贝雷尔,分别发现了金属铬对王水等强酸具有优良的耐酸性。

1872年,伍德和克拉克申请了一种合金专利,该合金含有30%~35%的铬和少量的钨,从而具有优异的耐酸性。

1889年,英国的莱雷发现镍可以提高钢的耐腐蚀性。

1908年,德国的蒙纳兹(Monnarz)和博格斯(Borgels)发现铁铬合金的耐蚀性是由于“钝化”现象,这是一个有趣的物理现象。他们在1911年发表的一篇论文中描述了许多关于不锈钢耐腐蚀性能的形成原理。随后,不锈钢作为工业材料投入了实际应用。

1913年,英国的布莱尔利(Briarley)将马氏体不锈钢投入实际使用。

1914年,美国公司Danchizen将铁素体不锈钢商业化。

1914年,德国的毛雷尔和施特劳斯将奥氏体不锈钢投入实用……


法拉第在研究乌兹钢时跨出的一小步,终于带来了人类应用不锈钢的一大步。这时距离那位印度旅行者将大马士革钢从印度被带到英国,已经过去了大约一个世纪。

然而,问题仍然存在。人类得到了不锈钢,却并没有真正解开大马士革钢之谜。

不锈钢基本上是一种含铬合金,不生锈的秘诀是通过钝化。但古印度大马士革钢不含铬。此外,它是超高碳钢,因此可以用来制作锋利的武器。从现代科学来看,除非进行某种表面处理,否则它肯定会生锈。 

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