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。
免责声明：本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有，如果涉及侵权，请第一时间联系本网删除。
相关文章
官方微信
《腐蚀与防护网电子期刊》征订启事
- 投稿联系：编辑部
- 电话：010-62316606-806
- 邮箱：fsfhzy666@163.com
- 腐蚀与防护网官方QQ群：140808414
点击排行
PPT新闻
“海洋金属”——钛合金在舰船的
点击数：8177
腐蚀与“海上丝绸之路”
点击数：6496