PDF《古代大马士革钢刀锻打花纹形成机制的理论分析》

2014 年第59 卷第9期:833 ~

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scichina.com csb.scichina.com 引用格式: 罗海文, 潜伟, 董瀚. 古代大马士革钢刀锻打花纹形成机制的理论分析. 科学通报, 2014, 59: 833C842 Luo H W, Qian W, Dong H. Theoretic analysis on the mechanism of particular pattern formed on the ancient Damascus steel blades (in Chinese). Chin Sci Bull (Chin Ver), 2014, 59: 833C842, doi: 10.1360/972013-1172 《中国科学》杂志社 SCIENCE CHINAPRESS 论文古代大马士革钢刀锻打花纹形成机制的理论分析 罗海文 ①* , 潜伟 ② , 董瀚 ① ① 钢铁研究总院, 北京 100081;

② 北京科技大学冶金与材料史研究所, 北京

100083 * 联系人, E-mail: [email protected] 2013-10-24 收稿, 2013-12-05 接受, 2014-01-22 网络版发表 摘要 古代大马士革刀锻打花纹的形成机制是历史上持续数个世纪的热门研究课题. 本文简 要回顾了乌兹钢、大马士革刀和大马士革花纹的历史背景, 着重介绍并分析了当代冶金研究者 关于大马士革花纹形成机制的主要观点和争论, 并通过现代冶金学热力学和动力学理论模型 分析了这些主要观点, 包括定量计算钢中 S, P, V 等元素对 Fe-C 平衡相图的影响、慢速凝固时 S, P 等元素的偏析程度、以及 V(CN)粒子在奥氏体相区的析出温度以及 V 在高温退火时扩散 动力学等. 据此, 作者提出了关于古代大马士革刀中花纹形成的新机制, 即由于乌兹钢锭中凝 固时 S, P 的枝晶偏析, 导致凝固后偏析区形成硫化物或磷化物, 尤其是磷的枝晶偏析导致冷却 时形成磷化物与渗碳体的共晶体, 在后续的加热过程中不能完全固溶, 并作为热锻时析出的渗 碳体析出核心, 从而决定了渗碳体在大马士革刀中的空间分布和最终的大马士革花纹的形成. 关键词 大马士革刀 大马士革花纹 乌兹钢 渗碳体 凝固 枝晶偏析 关于大马士革刀的可靠记述最早可追溯到公元

540 年左右, 但是它的使用据信在公元前

323 年亚历 山大大帝时期就开始[1,2] . 之所以称为大马士革刀, 是因为十字军东征时, 欧洲人在大马士革第一次遇 见了阿拉伯人所使用的弯刀. 该刀是由古印度地区 通过坩埚熔炼所得到的超高碳钢铸锭锻打而成. 这 一地区超高碳钢铸锭在历史上有时被称为 乌兹钢 , 它通过贸易形式流通到中东地区. 普遍认为大马士 革刀锻打技术最好的铁匠是在波斯. 这种独特的刀 类随着伊斯兰民族的迁徙在其居住地均有发现, 现 世界各大博物馆也有不少收藏. 在位于 Ranchi 的印 度钢铁协会的世界最大研发实验室的客厅中, 有一 幅画讲述的是古印度国王普鲁向亚历山大大帝问候 的场景(公元前

330 年)[3] , 普鲁为表敬意向亚历山大 赠与了他的佩剑, 而在他的身后, 他的仆人还携带有 一个金色的盒子作为额外的礼物, 在盒子里装着当 时只有古印度特产的、比黄金还贵重的乌兹(Wootz) 钢锭. 近代俄罗斯伟大诗人普希金

1830 年在他的诗 里这么描述过乌兹钢[4] : 金子说, 一切均是我的;

布 拉特(乌兹钢的俄语名)说, 一切都是我的;

金子说, 我可以买下一切, 布拉特说, 我可以夺到一切 . 由 此可见大马士革刀及其钢料的制造代表着当时顶级 军事技术水平. 大马士革刀的显著特征是刀的表面有着纷繁的 水纹状图案(图1). 在刀面处水纹状图案有时呈玫瑰 状, 其间有贯穿表面的条纹, 称为穆罕穆德梯, 这些 图案通常称之为大马士革花纹. 该刀具有出色的强 韧性, 在战斗中几乎从不断裂;

刀锋锐利无比, 可在 空中将丝绸一分为二而毫不费力, 长久以来被认为 是冷兵器时代的兵器之王. 很长时间以来, 中亚、欧 洲的人们普遍相信该刀的出色性能与其表面的大马 士革花纹相关, 因此欧洲的铁匠曾经努力地尝试打 造出具有大马士革花纹的刀, 但都没有获得成功. 这 激励着许多欧洲人研究这一神秘领域. 其中最出

2014 年3月第59 卷第9期834 图1典型的大马士革刀及其表面水纹状图案(穆罕穆德梯和 玫瑰图案)以及对应的组织(成排排列的大量渗碳体颗粒)[5] 名的就是电磁学之父法拉第(Michael Faraday)[1] , 他在1819 年详细研究了大马士革刀, 并将其出色性能 归因于该钢含有的少量硅和铝. 尽管这位著名的科 学家的这一结论是错误的, 但鼓舞了法国人 Robert Breant 在巴黎继续进行研究[1] . 他在钢中加入各种不 同的元素进行测试, 据信早在

1821 年, Breant 就认识 到大马士革刀的高强韧性和独特图案主要是由于它 的高碳含量, 并鉴定出大马士革花纹白色区域是高 碳含量区域, 而深色基体只是铁基体. 他经过多次尝 试, 能够复制类似大马士革花纹的刀剑. 但是限于当 时的冶金知识水平, 他无法归纳出决定大马士革花 纹的关键工艺步骤, 因此最终未能总结产生大马士 革花纹的详细工艺和知识要点[1] . 至此之后, 数个世 纪以来一直没有间断对大马士革花纹刀剑的研究与 复制. 直到

21 世纪初, 欧美的材料研究者依然不断 焕发出对这一古老命题的兴趣, 并且始终没有形成 一个能够被广泛接受的统一解释. 大马士革花纹之 谜应该是材料领域历史跨度最长的研究课题. 对这 一问题不断的深入研究, 极大地促进冶金学知识发 展, 使其成为一个专门学科. 本文回顾了乌兹钢锭、大马士革刀的历史背景, 以及关于大马士革花纹形成机制的具体争论, 并根 据所发表的有关大马士革刀的实验数据, 利用现今已 较为成熟的冶金热力学和动力学计算软件包 Thermo- Calc(用于热力学计算)和DICTRA(用于动力学计算) 以及钢铁材料数据库 TCFe7(热力学数据)和MOB2 (动力学数据), 对大马士革钢中的杂质元素对 Fe-C 相图的影响、 凝固偏析程度和溶质原子在高温下的扩 散动力学等进行了定量计算, 并根据计算结果, 提出 了大马士革花纹形成的新机制.

1 乌兹钢的冶炼工艺分析 历史上比较出名的刀具并不仅有大马士革刀, 如日本倭刀和东南亚 Kris 刀, 其表面也具有精美图案, 然而它们与大马士革刀相比, 最大的区别是它们的 制造工艺, 这些都是用熟铁带加热后折叠锻打至焊 合的方法制造, 因此被考古学家称之为焊接大马士 革刀(Welded Damascus)[6] ;

而波斯锻打的大马士革 刀是由坩埚熔炼的超高碳钢凝固形成的钢锭上锻打 而来. 古代文献描述这种钢锭为蛋糕状, 直径 3~4 英寸(76~102 mm), 高约 3/4 英寸(19 mm). 波斯铁匠在 此钢锭上直接锻打成型, 只有这种经熔化、凝固形成 的高碳坩埚钢锭上锻打出的、 具有水纹状图案的刀具 才能称之为真正大马士革刀(Genuine Damascus)[6] , 这也正是本文所讨论的对象. 需要指出的是, 过去通常认为用于大马士革刀 锻打的坩埚钢就是古印度的乌兹钢锭, 但最近随着 更多的考古证据被发现, 人们对此有了新的认识.

1740 年英国人 Benjianmin Huntsman 发明现代坩埚钢 技术之前, 古代坩埚钢的生产工艺通常有两种, 一种 是流行于南印度........