大马士革钢刀之迷 [转]

鬼头小刀

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从青铜器时代到到19世纪，武士们都以刀剑作为一种武器，拥有较好武器的军队无疑便拥有一种明显的优势。而那些拥有大马士革钢刀的军队——西方人在十字军东征时首次遇到——便是拥有某些人认为世界上最好的宝剑的军队。
大马士革钢刀最初被认为是在大马士革（即今叙利亚）制造的，它们具有欧洲刀剑未曾发现过的两个特征。一个是装饰于它们表面之上的，现今被称为damask或damascene的波形花纹图案。而更为重要的的一个特征是，它们的刀刃可能锋利得令人难以置信，传说大马士革钢刀可将飘在空中的丝绸纱巾一劈两半，这是欧洲武器无法与之相比的一个绝技。
尽管大马士革钢刀声名显赫，性能优良，但西方人却从来没有能够弄清楚这种钢（也用于剑、斧头和茅）是怎样制造的。哪怕是最有造诣的欧洲冶金学家和刀匠，即使将样品带回国并对它们详细分析之后，也未能将其复制出来。大马士革钢的生产工艺在原产地也已经失传；专家们通常认为最后一批工艺精良的大马士革钢刀的制作时间不晚于18世纪初。
从19世纪初到现在，不断有人宣称已成功揭开穆斯林刀匠们的神秘技艺的面纱，并断言复制出了原件。可现代刀匠在任何情况下都无法使用他们所提出的方法制造出令人满意的、具有和古代原件相同外貌和内部结构的钢刀。
然而最近，我和一位技艺高超的铁匠却认为我们已经破译了大马士革钢刀之谜。我们并非声称找到答案的第一人，但是我们却是通过制造这种令人敬畏的武器的忠于原作的复制品来证明我们看法的第一人。为了证明大马士革钢刀和匕首制作方法的任何一个理论，都应采用和原件相同的原始材料来制作复制品，这样制作的武器还应该具有相同的花纹图案并具有相同的化学性质和显微结构。

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何谓真正的大马士革钢？
众所周知，名副其实的大马士革钢刀的制作原料是从印度运来的小块钢锭，在大马士革这座城市和后来中远东的其他穆斯林地区制造的。从1800年以来这些原料就一直被称之为伍兹钢锭或伍兹钢饼。它们的形状类似冰球，直径约4英寸，高度不到2英寸。在印度的早期观察人士确认，伍兹大马士革钢刀便是经过多次反复加热和锤打作业将这些钢锭直接锻造成刀的形状而制成的。这种钢的含碳量大约为1.5%，另外还有少量的硅、锰、磷和硫之类的其它杂质。
然而，大马士革钢刀表面迷人的花纹图案却可能是其他方法制作的。现代铁匠技师可将相互交错的高碳钢片和低碳钢片锻焊成一种复杂精细的复合材料。这种锻焊是一种西方的传统工艺，可追溯到古罗马时代，并且在印度尼西亚和日本也能发现一些类似的技艺。但这些工艺所产生的内部结构完全不同于伍兹大马士革钢刀的内部结构。为了避免混淆这两种类型的制造方法，我将锻焊钢刀称为“焊接的”大马士革钢刀，而将“伍兹”大马士革钢刀这个术语用来称呼本文所研究的钢刀。
将现代伍兹钢刀的化学性质和显微特性与其古代类似物加以比较的计划，长期以来受到一种令人难以理解的障碍的阻挠。博物馆馆藏的大马士革钢刀是珍贵的艺术品，很少会捐献给科学家对其内部结构进行检验。然而，1924年，欧洲收藏家Henri Moser将四把宝剑捐献给了冶金学家B.Zschokke。他把它们切断后进行化学和显微结构分析。一些剩余的断片后来又送到瑞士伯尔尼博物馆，前些年，该博物馆又将一部分断片捐献给我进行研究。
当我对这些珍贵的样品进行分析时，我发现他们含有称之为渗碳体的碳化三铁（Fe3C）颗粒带，这些颗粒直径通常为6-9微米，它们呈完美圆球体并紧密地群集为间隔30-70微米的带状物，这些带状物与钢刀表面平行排列，象木板内的纹理一样。当用酸腐蚀钢刀时，这些碳化物在深色钢基体中表现为一些白色线条。正如树木的年轮在锯断的木头上产生出特征性花纹图案一样，碳化物带中的波纹正是在钢刀表面产生出复杂精细波形花纹图案的原因。这些碳化物颗粒极其坚硬。据认为钢中有较有弹性的软基体和坚硬的带状物，使大马士革钢刀既有坚硬的刀刃又有柔韧的刀身。

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我首先尝试在大学实验室重现伍兹大马士革钢的显微结构，可是不久我就意识到我必须和精通兵刃武器锻造的人一起工作。技艺高超的刀匠Alfred H.Pendray一直在独自研究大马士革钢这一难题，他在一个烧煤气的炉子中炼制小块钢锭并把它们锻造成刀的形状，他经常获得与精良的古代刀剑惊人接近的显微结构。
我们于1988年开始合作，Pendray年轻时从父亲那里学习到一种马掌铁技艺，并且对锻造钢有深入而长期的了解，但是为了再现一种技艺，我们还必须用准确的科学数据支持我们的理论并密切的关注我们的实验细节。1993年，我的一位衣阿华州立大学的学生和我一起去了弗罗利达州盖恩斯维尔附近的Pendray锻工车间，在那里我们安装了计算机监控的热电偶和红外测温仪，以便记录下我们所尝试的熔炼与锻造过程的温度。
首先，我们设法采用前人提出的方法制作伍兹钢刀，但我们未能重现出大马士革钢刀的内部结构或者表面波形花纹图案。后来经过长达7年的不断摸索，我们研制出一种工艺，Pendray能够经常用它制造出再现的伍兹大马士革钢刀，还能复制出被称之为穆罕默德天梯的花纹图案，人们曾在最精美的古代穆斯林实物样品中发现过这种花纹图案。这种花纹图案中，波纹沿着刀的径向排列在一种梯状结构中；这种梯状花纹被认为是穆斯林忠实信徒升天之路的象征。
我们的工艺类似于早期研究人员所介绍过的一般方法，但是具有关键性的差异。我们在一个封闭的坩埚中制作出一小块具有精确组分的钢锭，然后把它锻造成刀的形状。我们的成功——并且这种成功使我们能够比我们的前辈走得更远——主要取决于钢中的铁、碳和其它元素（例如钒和钼，它们被我们称之为杂质元素）的混合情况，坩埚焙烧的温度和时间，以及反复锻造作业中所使用的温度和技巧。

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一个关于钢的故事
如果你有含碳量大约为1.5%的钢，再添加几种杂质元素中的一种（采用极低的添加量，大约为0.03%），然后将它加热至某一准确的温度范围，再冷却至室温，经过如此5、6次的循环，你就能使成团的聚集碳化物颗粒形成。正是这些碳化物颗粒在锻造期间产生出特征性表面花纹图案。对古代和现代钢刀的实验表明，带状结构的起因是：随着液态钢锭的冷却和凝固，某些杂质元素发生了显微偏析。
大马士革钢内显微偏析的发生过程如下：当热钢锭冷却和凝固时，晶状铁的固体前端便延伸进液态钢中，呈现出被称之为枝晶的松树枝状突出物。在含碳量大约为1.5%的钢中，从液态钢固化的铁的类型被称之为奥氏体。在这些枝晶之间的区域（称为枝晶间区）中，液态金属被直接截聚下来。固态铁所能容纳的碳原子和其它元素的原子比液态铁所能容纳的更少，使得这种金属固化成晶状铁枝晶，而碳原子和其它杂质原子往往会偏析到剩下的液态铁中。因此最后凝固在枝晶间区内的的这些原子的浓度可能会变得非常之高。
随着铁的固化和枝晶的生长，枝晶间区便留下了杂质原子的晶格，它们象一串珍珠那样串在一起。当钢锭经过多次加热和冷却循环时，正是这些杂质原子促使生长出成串的坚硬的渗碳体颗粒，这些颗粒便是这种钢中颜色较浅的带状物。我们能够证明这种晶格与伍兹钢中的浅色和深色钢带有关。枝晶分枝之间的距离大约为0.5mm，并且随着钢锭被锤薄和其直径缩小，此距离也随之缩小，枝晶间的最终间距和大马士革钢中的带状物之间的距离十分吻合。
在锻造过程中，重要的是钢的温度要恰到好处，以便获得奥氏体和渗碳体的混合物。当钢锭的温度降到某一临界点以下时，碳化三铁的颗粒（与我在Moser钢刀中所看见的渗碳体相同）开始形成。所有这种冷却中的钢仍保留有奥氏体时的最低温度，称之为A温度。在含碳量高于0.77%的钢中，A温度被称为Acm温度，低于Acm温度时渗碳体颗粒便开始出现，在奥氏体钢中相互间保持着任意的间距。

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带状物形成的诀窍
伍兹大马士革钢刀的一个重要奥秘就是，在将一小块钢锭简单地锻造为一把刀的形状时，如何能使碳化物排列成为明显的带状。当我们将它们从冰球状锻造为刀的形状时，我们系统的对所锻造的钢锭的断面进行了检测。为了产生这种变化，我们将一块钢锭加热至钢可能形成奥氏体和渗碳体混合物的温度，然后锤打它，在对这块钢锭缎造的同时，它的温度将从低于Acm大约50℃下降到低于Acm大约250℃。在这一冷却过程中，渗碳体颗粒所占的比例逐渐升高。然后我们让钢锭在这两种温度之间经历又一次加热和锤击循环。根据经验，我们发现，为制造出接近原件大小（宽40mm、厚5mm）的一把钢刀，需要大约50次这种锻造循环。
我们认为带状物的形成过程如下：在最初的20次左右的循环期间，或多或少偶尔有一些坚硬的碳化物颗粒形成，但是随着每增加一次循环，这些颗粒往往会更为强烈的沿着枝晶间区中形成的点状晶格排列起来。其原因在于每次对钢加热时，其中一些碳化物颗粒便会溶解消失，但是杂质元素原子却减缓了溶解速度，使较大的碳化物颗粒得以保留下来。每一次加热和冷却循环都仅仅使这些颗粒稍有增加，这就是为什么要进行如此多次循环才能形成明显带状物的原因。由于杂质元素排列在枝晶之间的区域内，因而碳化物颗粒的浓度在那里也变得较高。

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合适的杂质元素
虽然我们长期以来就猜测杂质元素在这些带状物的形成过程中起着关键性作用，但是我们不能肯定哪些杂质元素起着最重要的作用。我们很快就确定硅、硫和磷（众所周知它们存在于古代伍兹钢中）似乎并非是重要角色。但是这个信息并未解决这个难题。
当我们使用Sorel（索瑞尔）金属作为钢锭的一种配料时，我们便取得了幸运的突破。该金属是一种含碳量为3.9-4.7%的高纯度铁-碳合金，产于魁北克圣劳伦斯河上Lac Tio的一个大型钛铁矿矿床。该矿床中含有微量的钒，因而Sorel金属中便随之带有0.003-0.014%的钒杂质。最初，我们没有注意到这种杂质，因为我们不可能相信如此低含量的杂质具有重要的作用，但是我们终于在碰壁两年之后弄明白了这个事实：即使金属含量很低也可能是重要的。
在高纯度的铁-碳合金中加入0.003%微量的钒，便产生出较好的带状物，钼也能产生出所希望的效果，而且更低含量的铬、铌和锰也能产生出这样的效果。铜和镍则是不能促进碳化物形成和带状物产生的元素。电子探针微量分析已经确认，在钢锭中存在0.02%或更少的上述有效元素时，它们便会显微偏析进入枝晶间区并且在那里的浓度变得更高。
为了检验我们关于带状物产生于杂质元素显微偏析而导致渗碳体颗粒显微偏析的结论，我们进行了一些专门实验来证明如果我们取消杂质原子的显微偏析，我们就能消除这些带状物。我们取了一些具有精美带状物的古代和现代钢刀的小片试样，并将它们加热高于Acm温度约50℃。在这一温度条件下，所有的碳化三铁颗粒都溶解消失变为奥氏体。然后我们将这些钢刀小片放入水中淬火硬化。这种速冷方式便产生出没有碳化物颗粒的钢的马氏体相——极其坚硬和稳定。由于这些碳化物颗粒化为乌有，因而也就没有源自它们的带状物了。
为了重新产生出这些渗碳体颗粒，我们反复若干次将这些钢刀小片加热至高于Acm 50℃的温度，然后缓慢空气冷却，这样就使得这些颗粒有时间重新生成和偏析。在首次循环之后，这些碳化物颗粒重新出现，但却呈随即分布状态。但是在再进行一次或两次循环之后，这些颗粒就开始排列成为模糊的带状，而在经过6次或8次循环之后，这些带状物变得相当明显。
在有一次检验中，我们开始以大大超过Acm 的温度（达到1200℃，恰好低于钢的熔点温度）进行加热并在该温度下保持18个小时。其后对钢进行的热循环并未使其恢复渗碳体颗粒带状物。一些计算结果表明，这种高温处理通过扩散作用完全消除了杂质原子的显微偏析。
Pendray和我还仔细的尝试进行受控实验，在这类实验中，我们完全不加杂质元素。甚至在经过多次加热和缓慢冷却的循环之后，这些钢锭也不产生成群结队的碳化物颗粒或者带状物。当我们在同样的钢锭中加入上述杂质元素并让它经历加热和冷却循环时，这些带状物便出现了。
我们重新制作大马士革钢刀有助于我们回答另一个问题：这些古代铁匠是如何制作出这种穆罕默德天梯花纹图案的呢？我们的研究结果支持我们过去所提出的一个理论——天梯横档产生于横穿钢刀上的切割钢槽。这种肉眼可见的梯子状花纹图案是通过将钢刀锻造到接近其最终厚度之后，在钢刀上切割一些小沟槽所致。这种锻造缩小了最终表面上、尤其是沿着这些沟槽边缘方向上的浅色和深色带状物之间的间距。我们还从古代短弯刀上识别出这些梯子横档之间的圆球构形，它们被称之为玫瑰花纹图案，这种图案是由于切割沟槽的同时在钢刀钻凿一些浅孔所致。
制作这类武器的工艺技术为何在大约两个世纪以前的某个时候便失传了呢？或许是因为并非所有来自印度的铁矿石都含有碳化物形成所必需的元素。我们所研究的4把古代Moser钢刀都含有钒杂质，这些钒杂质很可能就是这类钢中形成带状物的原因所在。如果由于世界贸易情况的变化而导致从印度运抵的钢锭中不在含有所需的杂质元素，那么刀匠及他们的儿子们就可能不再能够在他们钢刀中制作出这些漂亮的花纹，并且他们不一定会知道其中的原因。如果这种持续存在下去，在经过一代或两代人之后，传说中的大马士革钢刀的奥秘可能就会失传。仅仅在现在，多亏科学和工艺技术之间的协同努力，才揭开了蒙在这一奥秘上的面纱。

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大马士革钢(乌兹钢):这类钢材最早出现于两河流域及恒河平原北部,其中可考最早始于印度北部.
     印度坩埚加工方法:精炼後之铁矿石弄乾燥後,放入经火硬化的小型粘土坩埚内. 以炭火之热量而定出坩埚之尺寸,一般生产出来之铁锭重约一公斤.
      把含炭之材料如:麻栗树(teak)、木炭、毛竹及某些特选而他们认为是神圣之植物的叶,例如名(Huginay)及(Tangada)树之果实加入坩埚中.
      坩埚是密封的再用炭火燃烧. 印度有最优良之铁矿:在印度坩埚系统用的是最好的铁矿石,印度亦由此而闻名於世. 经人工选用捣碎到粉末状矿石,用淘洗法反复清洗,这样矿石从杂质中分离出来,就像淘金人从其他杂质中分离出黄金的颗粒一样. 虽然波斯人及其他人已经观察了印度铁匠,并对熔化过程亦非常熟识,但因为没有这种净化及含量丰富的铁矿所以始终不能够用这种方法重新生产这种高质钢.
      铁矿在坩埚内燃烧之变化:持续加热时间从24到48小时不等,当温度从10000C升到12000C矿石会转变成多孔的铁质,并留在坩埚之底部.  坩埚在封闭状态下,碳(carbon)来自燃烧的炭(charcoal)和叶并熔化在铁质内. 毛竹含氧化矽(Silica)甚多可助溶化.在此过程中铁不会达到其熔点,通过固体之扩散过程(solid diffusion process),碳被吸收.
      持续长时间的铸造(casting)紧接着慢慢冷却到8000C-约12至24个小时. 这样的设计是为了大的树状碳化铁晶体(large dendritic ironcarbide crystals) (该晶体也称为渗碳体(cementite)-Fe3C即碳化三铁)的优化形成和均匀分布于在满布小孔的海绵体铁体内. 这些大的晶体事实上是大马士革钢花纹或水纹的主要成份. 渗碳体(cementite)或碳化晶体(carbide crystals)非常坚硬,抗酸性强,当钢被抛光後会呈现出带白色或银色. 与此形成对比珠光体(pearlite)由粘结金属组成,经腐蚀成黑色,这说明为什麽会产不同之颜色.钢锭冷却後之脱碳热处理:冷却後把坩埚从火中移开,并将其打破,取出半球形的钢锭(ingot).
      波斯人称为蛋(egg or baida). 将它放在铁砧上进行锤打,作硬度试验. 经正常铸造的钢锭很硬,经锤打後也不会有凹痕. 故需用特别含有铁锉屑或粉末状铁矿石之粘土混合物覆盖,从而强化钢锭的脱碳. 把钢锭重新加热到火红色约7000C至9000C後,再通过锤打作硬度试验. 重复此热处理过程,直到金属过到足够的软度以便锻造.钢锭之锻炼:将钢锭之温度慢慢降低,并控制在7000C至9000C之间. 这温度是一个非常重要的关键. 铁匠只能*经验,用眼看火之颜色,到达暗红时进行锻造.因为若温度升高到9000C以上将会把过程倒过来,而令渗碳体和奥氏体的晶体(crystalsof cementite and austentite)形成. 温度越高,碳熔解,造成晶体及波形花纹图案之损失. 若温度低於7000C,钢即不能得到充份之锻炼. 因为欧洲之铁匠一般在13000C的高温下来锻炼金属,因此他们永远不能掌握到锻炼大马士革钢的技术.由於对钢锭的有控制式热处理和轻度的锻炼,覆盖的粘土,包括含有铁锉屑或粉末状铁矿石,使钢锭表面脱碳.
      另外氧化作用亦产生同样的作用. 钢锭的碳分逐渐减少,从原来的2.2%或更高降低至1.8%,即从白铸铁状态到UH碳钢.  此过程亦可称为退火和球状处理(an annealing and spheroidizing treatment). 令碳成份减少及大的碳化晶体分裂或粉碎或球型化成较少之体积. 结果钢条变得有可展性和有轫性.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.在英美和欧洲大多数的地方被称为WOOTZ而在其原产地印度巴基斯坦一直到波斯则成为FULAT在俄罗斯的高加索地区被成为BULAT. WOOTZ的花纹是天然形成的不像摺叠钢一样是用人工硬将性质不同的材料焊接起来再摺叠锻打. 以下是WOOTZ形成的原理.和性质.
1. WOOTZ 的花纹基本上是两种性质不同的材料.亮的地方是纯的雪明炭铁硬度比玻璃还大.暗的地方的结构是属於奥氏体和波氏体.整体含炭量大约是在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WOOTZ可以具有非常锋利的刀锋.而且也非常坚韧而不会折断的刀身.
2. WOOTZ的制造的费时费力.是超乎各位的想像.通常要花上两三个月的时间.而烧结的铁饼成功率又很低.当初会失传有两个原因.其一当时英国统治者为了保护当地仅剩的森林不使其沙漠化而禁止.其二是近代工业制钢的引进使WOOTZ在价格上无法竞争. WOOTZ钢的制造方法分两种一种是脱炭法.另一种是加炭法.不过最重点在於烧结铁饼时的温度控制和将铁饼锻造拉长时的最高温度.还有成品的厚度和原来铁饼的厚度比例也会决定将来的花纹明不明显.
3. WOOTZ钢的花纹和摺叠钢有明显的差别.WOOTZ花纹比较细致看起来比较自然黑白的对比也比较大.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.此外WOOTZ比起摺叠钢来是很不容易生锈.
4. 至於WOOTZ性能到底好在哪里.大约十年前BLADE杂志有一篇关於WOOTZ钢的测试. 其一是锋利度的测试:在仔细研磨後的WOOTZ结晶花纹钢能一刀切断巨大打结的麻绳. 其二是刀身的韧性测试: 把刃用夹具夹紧然後拿大铁鎚来敲.结果费了很大的力气.WOOTZ刀刃被敲成U字型但是却没有折断.
      测试的结果证明了WOOTZ结晶花纹钢具有锋利和强韧两种特性於一身.现代的人们曾经希望复制大马士革钢.坩锅公司曾经运用现代科技,用电子显微镜分析了大马士革钢的分子结构,并成功的复制出了大马士革钢,钢锭有和古钢材类似的花纹,但测试时发现并不能与古钢材的性能比拟.那么古人是怎样将钢坯打制成刀剑的呢?据现存文献与专家的分析,是先在钢坯上钻孔(上文已提到钢坯为圆饼状),再斩断一边,将环状的的钢坯成条再打制成刀形.在所有的大马士革刀剑中最为贵重的为”默罕默德的天梯”-----也就是”梯子纹”.由于大马士革钢的失传,这类刀剑成为各国刀剑爱好者的梦想中的藏品了.

[ 本帖最后由 鬼头小刀 于 2006-2-25 23:59 编辑 ]

灵猴

看的我如在云雾里,拷下来慢慢看吧.

timwang

谢谢分享！

想知道您转贴此文的渠道，我正在和一些刀友讨论这个话题，希望得到转贴的许可

鬼头小刀

等我仔细找一下，好像那个帖子也是转的。。。。。
还有一个外国的什么[烧刃]之类的网页，图文并茂，但是英文看不懂，希望对大家又帮助：http://witchblades.com/pictorials/making/jelly8.html







[ 本帖最后由 鬼头小刀 于 2006-2-26 19:58 编辑 ]

鬼头小刀

鬼头小刀

鬼头小刀

鬼头小刀

鬼头小刀

坦克

又长知识了!

Shiuan

COOL啊

羽毛

古人的技艺是超出现代人想象的,人类退化了```````

古代人的IQ少部分估计都会超200,但他们不发明或者说是不去做现代人正在使用的一些东西,也许智商如此高的他们意识到这样对整个世界或者说地球的影响是毁灭性的`````

上面话是瞎掰,甭议论`````````

ycmessage

学知识

东

搞到1万多度会不会汽化呀