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從古代大馬士革鋼到現(xiàn)代不銹鋼的神奇變遷

2022-08-29 16:54:02 作者：腐蝕與防護(hù) 來(lái)源：腐蝕與防護(hù) 分享至：

大馬士革鋼，原產(chǎn)地是古印度。現(xiàn)代泛指表面具有花紋的鋼材。古代稱之為烏茲鋼。古印度出產(chǎn)的“烏茲鋼錠”是制作刀劍的頂級(jí)用鋼，每年阿拉伯商人都要向印度進(jìn)口大量的鋼錠用于武器制造。

這種鋼在鑄造成刀劍時(shí)表面會(huì)有一種特殊的花紋——穆罕默德紋，所以它是屬于花紋鋼中的鑄造型花紋鋼，區(qū)別于折疊鍛打形成的焊接型花紋鋼。因?yàn)榛y能夠使刀刃在微觀上形成鋸齒（肉眼無(wú)法分辨），使得刀劍更加鋒利。

大馬士革鋼因其神秘的花紋圖案、古老的傳說(shuō)和自身的優(yōu)異性能，被制成的刀具深受人們喜愛。真正的大馬士革鋼又稱為結(jié)晶花紋鋼，是一種古代粉末冶金和鍛造技術(shù)完美的結(jié)合。

大馬士革鋼上的花紋其實(shí)是兩種性質(zhì)不同的材料：亮的地方是純的雪明炭鐵，其硬度比玻璃還大；暗的地方則屬于沃斯田鐵和波來(lái)鐵。整體含碳量大約在1.5%~2.0%之間。在韌性高的波來(lái)鐵里均勻散布著比玻璃還硬的雪明炭鐵，使得大馬士革鋼刀可以具有非常鋒利的刀鋒，以及非常堅(jiān)韌而不會(huì)折斷的刀身。

大馬士革鋼的花紋和摺疊鋼有明顯的差別。大馬士革鋼花紋比較細(xì)致，看起來(lái)比較自然，黑白的對(duì)比也比較大。在古代由于經(jīng)常出現(xiàn)人們會(huì)在刃上喂毒的情形，造成很多大馬士革鋼的刀刃呈現(xiàn)黑色。在黑色的刀刃上分布著亮晶晶的雪明炭鐵，古代波斯人把它形容成像夜空中的繁星一樣漂亮的花紋。經(jīng)常有人將大馬士革鋼、烏茲鋼、鑌鐵三者混淆，其實(shí)它們是不能混為一談的。

易混淆的三種鋼

印度鋼

是一種坩堝冶煉的超高碳鋼（含碳量在1.5%～2%），在公元前6至5世紀(jì)時(shí)，由位于古印度西北角的Hyderabad（翻譯為“海得拉巴”，現(xiàn)在屬于巴基斯坦）的冶煉工人制成的，后來(lái)被售到“安息”（波斯）、條支甚或是埃及等。

其冶煉方法是將黑錳礦、竹炭及某些植物葉子密封在一個(gè)陶爐里燃燒加熱，當(dāng)這些東西熔化后，其渣滓形成一團(tuán)金屬，然后將此金屬反復(fù)熔化、冷卻四五次，最后煉成直徑為5英寸，厚度為0.5英寸，重約2英鎊的金屬塊。（參見文獻(xiàn)：William.Reid的《西洋兵器大觀》）

烏茲鋼

在印度被制成的金屬塊，不能直接被命名為大馬士革鋼，而它們被叫做大馬士革鋼，是因?yàn)檫@些金屬被販賣到大馬士革（位于今天的敘利亞境內(nèi)）這個(gè)城市后，用來(lái)煉制成武器，即大馬士革劍（或大馬士革刃）之后，才得名的。或者應(yīng)該這樣說(shuō)：當(dāng)中世紀(jì)歐洲入侵耶路撒冷（即十字軍東征）時(shí)期，歐洲人看到他們的敵人使用這種武器時(shí)，就以為這種原材料是來(lái)自印度的武器，就是在大馬士革取材制煉的，因此就有了“大馬士革鋼”這個(gè)說(shuō)法。

至于“印度鐵”，姑且是看作以這個(gè)金屬塊來(lái)源而進(jìn)行的命名，而“烏茲（Wootz）”則可能是最原始的叫法。另外，大概是因?yàn)?ldquo;Wootz”被簡(jiǎn)單翻譯成“烏茲”，中國(guó)人可能不好理解，所以第一位翻譯它的人就直接命名為“印度鐵”，有利于理解。

烏茲鋼錠

綜上所述，應(yīng)該是先有“烏茲（Wootz）”，然后才有“大馬士革鋼”（Damascus steel），“烏茲（Wootz）”因?yàn)槌霎a(chǎn)于印度故也被翻譯作“印度鐵”。

鑌鐵

鑌鐵（fagoted iron）是古代的一種鋼，把表面磨光再用腐蝕劑處理，可見花紋，又稱“賓鐵”。明代曹昭的《格古要論》卷六記載：鑌鐵有旋螺花、芝麻雪花；常用的腐蝕劑為金絲礬，又名黃礬（硫酸鐵）。

鑌鐵原產(chǎn)波斯（今伊朗）、罽賓（今克什米爾）、印度等地，約在南北朝時(shí)傳入中國(guó)。此后中國(guó)也掌握了制煉鑌鐵的技術(shù)。元朝工部設(shè)鑌鐵局，明代新疆、山西都產(chǎn)鑌鐵。古代近東、南亞有花紋的鋼器分為兩大類：一種以印度烏茲（Wootz）鋼為原料制成；一種以高碳鋼和熟鐵疊打而成。唐慧林《一切經(jīng)音義》卷55所述：鑌鐵“以諸鐵和合”，當(dāng)指后者。鑌鐵主要用來(lái)制作刀劍，鑌鐵劍極其鋒利，有“吹毛透風(fēng)”之譽(yù)。（參見文獻(xiàn)：張子高、楊根的《鑌鐵考》，《科學(xué)史集刊》第7期）

“鑌鐵”不是“大馬士革鋼”的同義詞，更接近于坩堝鋼系列。鑌鐵更象由中亞的布拉特鋼加工得來(lái)，而由南亞烏茲鋼加工得到的大馬士革鋼卻很少見（不是絕對(duì)沒有）。

“大馬士革鋼”最先開始是“烏茲”（Wootz）的同義詞，后來(lái)由于大馬士革鋼制造工藝失傳，同時(shí)隨著現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，到了現(xiàn)在已經(jīng)成了“表面花紋鋼”的代名詞。

從大馬士革鋼到不銹鋼

公元前4世紀(jì)左右，有記載稱，印度王子波魯斯曾送給亞歷山大大帝一塊重達(dá)30磅（約15公斤）的純印度鋼鐵，彼時(shí)印度鋼鐵已經(jīng)聲名鵲起。

在十字軍東征期間，大馬士革劍被尊為無(wú)雙之劍，作為皇室傳家寶流傳下來(lái)。十字軍騎士也為擁有大馬士革劍而自豪。然而，隨著槍支的出現(xiàn)，大馬士革劍失去了往日的榮光，逐漸過時(shí)。

18 世紀(jì)下半葉，隨著工業(yè)革命的發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域需要大量?jī)?yōu)質(zhì)、廉價(jià)的金屬。于是科學(xué)家們紛紛致力于從根本上研究金屬的特性，此時(shí)，大馬士革鋼（烏茲鋼）再次成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

一位在印度的英國(guó)旅行者P. Scott對(duì)當(dāng)?shù)氐臑跗濅摦a(chǎn)生了興趣。他在孟買購(gòu)得了幾塊烏茲鋼，帶回家并交給了英國(guó)皇家學(xué)會(huì)。

著名科學(xué)家邁克爾法拉第（電磁感應(yīng)之父）也投身于對(duì)烏茲鋼的研究。但是法拉第的目的可不是研究鋼鐵本質(zhì)，而是制作出比大馬士革刀更好的刀。因?yàn)楫?dāng)時(shí)他在歐洲一家著名的刀具廠上班，老板給他布置了這項(xiàng)任務(wù)。

也許受到童話里巫師用“七種混合物”熬制神奇藥水的影響，法拉第試圖通過在鋼鐵中添加各種貴金屬，然后對(duì)比它和烏茲鋼的區(qū)別，來(lái)破解大馬士革鋼成分之謎。據(jù)說(shuō)他總共添加了79種貴金屬元素，制成了含有不同貴金屬的合金。法拉第研究了鋁、鎳、鉻、銀等各種合金鋼，據(jù)說(shuō)添加了鉑的合金鋼即使在室內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間放置也不會(huì)生銹。

雖然沒能造出和烏茲鋼一樣優(yōu)秀的鋼，但是法拉第與Stoddart共同發(fā)表了關(guān)于合金鋼的第一篇論文。歷史上第一種不銹鋼（或者說(shuō)是大馬士革鋼之后的第二種）是“鉑鋼”。然而，由于這種不銹鋼造價(jià)高到離譜，因此它在工業(yè)上并不可用。法拉第對(duì)大馬士革鋼的嘗試以失敗告終。這項(xiàng)研究的樣本仍留在英國(guó)皇家研究所。

1828年，俄羅斯冶金學(xué)家阿諾索夫得知法拉第的工作，踩著法拉第的肩膀繼續(xù)研究，并聲稱自己最終揭開了大馬士革鋼之謎。

與法拉第一樣，阿諾索夫開始尋找一種“神奇”添加劑，把簡(jiǎn)單的鋼變成大馬士革鋼。添加金、銀、鉑，甚至鉆石，花費(fèi)了這么多材料，但是并沒有得到哪怕一克的大馬士革鋼。

后來(lái)他改變了研究方向，腐蝕大馬士革鋼的橫截面，然后在顯微鏡下觀察橫截面的金屬結(jié)構(gòu)。1838年，阿諾索夫宣布用這種方法破解了大馬士革鋼之謎。

根據(jù)阿諾索夫的說(shuō)法，大馬士革鋼的花紋代表了它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)和材料的力學(xué)性能是相關(guān)的。大馬士革鋼的花紋一般認(rèn)為是由成捆的鋼和鐵棒鍛造而成，鍛合之后就形成了花紋。鑄造型的花紋鋼是在坩堝中緩慢凝固，內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)晶，從而形成花紋。

當(dāng)鋼凝固時(shí)，碳含量低的鋼首先結(jié)晶，這是枝晶。接下來(lái)，碳含量高的小晶體填充在枝晶之間的空隙里。由此產(chǎn)生了復(fù)雜的晶體糾纏，其中一個(gè)是硬的，另一個(gè)是粘性的。鍛造大馬士革鋼只能低溫鍛造來(lái)完成，以免破壞枝晶。除了組織之外，原來(lái)制作刀刃的特殊技法應(yīng)該還包含若干不為人知的秘密。

1841年，阿諾索夫的《論大馬士革鋼鐵》一書出版，總結(jié)了他多年的研究成果。這項(xiàng)研究在19世紀(jì)下半葉被切爾諾夫接管，并被別拉耶夫進(jìn)一步接管，并于1918年以《大馬士革鋼》為題在英國(guó)鋼鐵學(xué)會(huì)上發(fā)表。

順帶提一句，大馬士革鋼的硬度和韌性的秘密算是勉強(qiáng)解開了。但是它不生銹的秘密又是怎么一回事呢？

1821年，法國(guó)人貝爾蒂埃也和阿諾索夫一樣，關(guān)注到法拉第對(duì)烏茲鋼的研究。貝爾蒂埃成功地通過還原復(fù)合氧化物直接生產(chǎn)出了鐵鉻合金。他們發(fā)現(xiàn)這種鉻鋼具有耐腐蝕性。于是他不再關(guān)注大馬士革鋼的花紋和鋒利度，轉(zhuǎn)而研究鐵鉻合金的耐腐蝕性。

1838年，法國(guó)人穆雷也研究了鐵鉻合金的耐腐蝕性能。1854年至1859年，德國(guó)的本生、法國(guó)的德維爾和弗雷米、德國(guó)的貝雷爾，分別發(fā)現(xiàn)了金屬鉻對(duì)王水等強(qiáng)酸具有優(yōu)良的耐酸性。

1872年，伍德和克拉克申請(qǐng)了一種合金專利，該合金含有30%~35%的鉻和少量的鎢，從而具有優(yōu)異的耐酸性。

1889年，英國(guó)的萊雷發(fā)現(xiàn)鎳可以提高鋼的耐腐蝕性。

1908年，德國(guó)的蒙納茲（Monnarz）和博格斯（Borgels）發(fā)現(xiàn)鐵鉻合金的耐蝕性是由于“鈍化”現(xiàn)象，這是一個(gè)有趣的物理現(xiàn)象。他們?cè)?911年發(fā)表的一篇論文中描述了許多關(guān)于不銹鋼耐腐蝕性能的形成原理。隨后，不銹鋼作為工業(yè)材料投入了實(shí)際應(yīng)用。

1913年，英國(guó)的布萊爾利（Briarley）將馬氏體不銹鋼投入實(shí)際使用。

1914年，美國(guó)公司Danchizen將鐵素體不銹鋼商業(yè)化。

1914年，德國(guó)的毛雷爾和施特勞斯將奧氏體不銹鋼投入實(shí)用……