III Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ПРОЕКТ ПО ХИМИИ "ТАЙНА ДАМАССКОЙ СТАЛИ"
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Паспорт проекта
Тема: «Тайна дамасской стали»
Автор: учащийся 10 класса МБОУ СШ №12
Координатор: учитель химии
Учебные предметы: химия, история, литература.
Вид проекта: прикладной, информационный.
Проблема: Ни один материал в истории, может только за исключением булата, не был окутан таким флером романтики и мифов, как дамасская сталь. Оружие из него ковали полулегендарные народы, им повергались тираны, драконы и мифические чудовища. Клинки из него рубили доспехи, вековые дубы и даже камни. Что тут правда, а что преувеличение? Попытаемся найти ответ на этот вопрос.
Цель: организовать поиск информации и провести расследование различных аспектов получения и использования дамасской стали.
Задачи:
-
Собрать и обработать информацию о дамасской стали;
-
развитие индивидуальности учеников;
-
развитие коммуникативности учащихся;
-
формирование умений и навыков комплексного осмысления знаний в химии, помощь учащимся в подготовке к поступлению в ВУЗы.
Этапы работы над проектом
І. Подготовительный этап.
-
Формирование проектной группы;
-
Уточнение темы, цели, задач проекта;
-
Выбор методов;
-
Обсуждение задания.
ІІ. Планирование .
-
Анализ проблемы;
-
Совместная разработка плана выполнения проекта;
-
Определение источников информации;
-
Распределение обязанностей в группе.
ІІІ. Поиск информации.
-
Сбор и уточнение информации;
-
Изучение литературы;
-
Подбор материала из Интернета, помощь учителя
ІV. Выполнение.
-
Работа над презентацией проекта в Power Point;
а) примеры презентаций, их просмотр;
б) создание тестовых слайдов;
в) внесение рисунков, сканирование.
V. Рефлексия.
-
Анализ выполнения проекта (достигнутые результаты – успехи и неудачи, их причины);
-
Анализ достижения цели и задач;
-
Оценка работы каждого а группе.
VІ. Оформление.
-
Оформление материалов проекта;
-
Работа с компьютером.
VІІ. Заключительный этап.
-
Подготовка доклада к защите;
-
Презентация проекта в классе;
Сферы применения проекта: химия, история, школьная библиотека.
Форма презентации: доклад, папка с информационными материалами, мультимедиапрезентация.
Социологический опрос
среди учащихся 9-11 классов МОУ СОШ №12
(всего опрошено 100 человек).
Были заданы вопросы:
-
Вы слышали о дамасской стали?
-
Что вы знаете о дамасской стали?
Оказалось, среди всех опрошенных, а их было 100 человек, о дамасской стали слышали только 20 человек. А знают о ней всего 10 человек.
Предисловие
В романе Вальтера Скотта "Талисман", посвященном походам крестоносцев в Палестину, есть эпизод встречи Ричарда Львиное Сердце с султаном Саладином. Соперники расхваливали друг перед другом достоинства своего оружия. Чтобы доказать прочность своего двуручного прямого меча, Ричард одним ударом разрубил рукоять стальной булавы. В ответ Саладин взял шелковую подушку, поставил ее на ребро и замахнулся кривой саблей. "Лезвие сабли скользнуло так молниеносно и легко, что подушка, казалось, сама разделилась на две половины, а не была разрезана". Пораженные европейцы сочли это за фокус, но Саладин, чтобы окончательно убедить их, подбросил мягкий вуалевый платок и рассек его в воздухе. Как пишет В. Скотт, необычайно острый клинок в искусной руке султана имел "изогнутое узкое лезвие", которое "не блестело, как франкские мечи, а отливало тускло-голубым светом, и было испещрено бесчисленными извилистыми линиями".
Нас заинтересовало, из чего же было изготовлено такое оружие. Для начала мы провели небольшой социологический опрос. В ходе опроса выяснилось, что 90% молодых людей не знают и никогда не слышали про это. История дамаска, это история войны, торговли, технического прогресса, вековых исследований, щедро сдобренная мифами и ошибочными суждениями. Дамасская сталь - это материал, используемый для изготовления знаменитых Дамасских клинков, известных своей твердостью и остротой, и способных при этом изгибаться на 90 градусов, распрямляясь обратно как пружина без каких-либо последствий для высоких качеств клинка.
Технология изготовления Дамасской стали не только интересная историческая и археологическая проблема. Исследования этой области оказали огромное влияние на современную науку. Этот материал, неизвестный для большинства, тем не менее, так или иначе, коснулся каждого рожденного в 20 веке, и будет оказывать влияние на род людской и в обозримом будущем. Без ранних исследований Дамасской Стали не существовало бы автомобилей, поездов, самолетов, небоскребов.
История
Впервые Европа познакомилась с булатом при столкновении армии Александра Македонского с войсками индийского царя Пора. Особенно поразил македонцев панцирь захваченного в плен царя. Он был сделан из необыкновенно прочного белого металла, на котором македонское оружие не смогло сделать ни вмятины, ни царапины. Из булата были изготовлены и широкие индийские мечи, которые легко рассекали пополам македонское железо. По свидетельству историков, древнее европейское железное оружие было настолько мягкое, что после двух-трех ударов уже гнулось, и воины вынуждены были отходить, чтобы выпрямить клинок. Естественно, что индийские мечи для македонцев казались чудом.
Появление названия Дамасская сталь часто приписывается средневековым крестоносцам. Несмотря на то, что это мнение довольно распространено, тем не менее, не существует ни одного подтверждение тому, что крестоносцы когда-либо использовали этот термин ни в одном литературном источнике. Более того, не существует ни одного археологического подтверждения тому, что хотя бы одно такое лезвие когда-либо было произведено в Дамаске. Существуют более правдоподобные объяснения появлению словосочетания Дамасский меч. Исламские авторы обычно именовали мечи по рисунку на поверхности, расположению мастерской или имени мастера оружейника. Альтернативные причины именования некоторых мечей показывают, что даже в раннеисламский период источники имен для мечей были неочевидны.
Существуют три правдоподобные гипотезы возникновения фразы Дамасский меч. Вода по-арабски называется «Дамас», и Дамасские клинки часто описываются как имеющие водообразный рисунок на поверхности. Другой вариант - исламские авторы утверждают, что некоторые мечи, называемые Дамасцины, были произведены и окованы в Дамаске. Однако другие ссылаются на кузнеца оружейника по имени Дамаскуй, который делал мечи из литой стали. Любая из этих гипотез, если не все вместе, вполне могут соответствовать действительности, но совершенно точно, что это не крестоносцы назвали Дамасскую сталь таким образом. Корень Дамас (вода) кажется наиболее вероятным, поскольку связан с характерным и специфичным рисунком на поверхности. Возможно, это ошибка европейцев, которые, не разбираясь в арабском, решили, что речь идет о сирийском городе Дамаске, а не водообразном рисунке на поверхности.
Содержание
Существует четыре основных типа клинков или сталей, которые называются Дамасскими - сварные, инкрустированные, травленые и тигельные. Это разнообразие под одним именем приводило к путанице в литературе. Сварной дамаск еще называется механическим Дамаском, поскольку делается путем кузнечной сварки нескольких составляющих железа или стали вместе, для получения декоративного и функционального узора. Эта методика широко использовалась в Европе веками. Узор и декорирование с помощью инкрустации или травления часто называется искусственным Дамаском. Узоры и рисунки, сделанные инкрустацией разных металлов и драгоценных камней в стальное лезвие, широко распространены в оружии России и других мест. В основном, травленый рисунок на клинках использовался в Индии в 19 веке, видимо для того, что бы подделать тигельную Дамасскую сталь. И четвертая разновидность сделана из тигельной стали, иногда ее называют восточным (азиатским) Дамаском или кристаллическим Дамаском. Именно этот Дамаск и вызывал такой интерес и столько споров на протяжении столетий.
Дамасская сталь делается из тигельной стали, которую куют особым образом, в результате чего образуется рисунок. Тигельная сталь, как видно из названия, производиться в тигле - керамической форме - горшке. Сталь - это железо с содержанием углерода в размере около 0.8%. В античные времена сталь производилась самыми разными способами, но тигельная выгодно отличалась тем, что была жидкой в процессе производства, и потому клинок получался гомогенным, стальным и без остатков шлака - два свойства, которых остальные технологии были лишены.
На протяжении последних 200 лет бытовало мнение, что Дамасскую сталь делали из тигельной стали, производимой в Индии, и известной как вутц. Британские торговцы и офицеры были свидетелями производства и использования этой удивительной стали в Индии. Восторженные свидетели привозили образцы ее в Британию, чтобы исследовать и понять причину, почему же эта сталь так хороша. Потому устоялось мнение, что Дамасскую сталь производили в Индии и Шри-Ланке (которые были частями Британской Империи) по так называемой "воотц"-технологии. Это смешивание железа и растительного материала - листьев, в тигле и нагревание его. Листья сгорали, производя насыщенную углеродом атмосферу, которая насыщала углеродом железо для образования стали. Тигли обычно имели конусообразную форму, и делались из обычной глины с добавкой шелухи риса. Не существует энтографических свидетельств из Южной Индии и Шри-Ланки, подтверждающих, что из Вуца делались клинки с Дамасским рисунком. Похоже, что Вуц и Дамасский узор оказались ассоциированы друг с другом до 1820 годов, и остаются ассоциированными до сих пор.
Технология изготовления дамасской стали
Рафинированная сталь
Рафинированная сталь только номинально относится к дамаскам, так как кузнечной сварке подвергается один-единственный однородный блок стали. Цель процесса была не вывести какой-либо узор, а добиться выгорания вредных примесей (фосфор, сера, шлак) и равномерного распределения углерода в заготовке. Принципиально каждая качественная сталь до 18-го века являлась рафинированной, так как кричное железо в чистом виде не является пригодным для изготовления клинков. В самом примитивном случае, как это делалось до XVIII века, железную заготовку расковывали в длину, складывали пополам, потом снова расковывали и складывали — так несколько раз, пока хватит металла, — а с каждой проковкой его оставалось все меньше. Получалась заготовка, в которой слои с высоким и низким содержанием углерода оказывались очень тонкими (ведь с каждым перегибанием количество слоев удваивалось), и которой потом можно было придать любую форму (помня, однако, о направлении волокон). Диффузия углерода из слоя в слой давала в конце процесса с физической точки зрения почти однородный блок.
Данная технология рафинации применялась практически с начала железного века во всех частях света с развитой металлургией. Однако в Японии развились особые традиции и технологии полирования клинков, которые позволяли проявить на поверхности стали следы многочисленных складок, и которые не могли быть выявлены, скажем, кислотным травлением. Узор японской стали («хада») на самом деле не является прослойкой разных материалов, а остатками шлаков между отдельными слоями и кристаллами мартенсита и перлита, образовавшихся во время закалки. Композитные клинки японских мечей также не имеют с дамаском ничего общего.
Сварочный дамаск
Комбинируя стальные заготовки с разным содержанием углерода с последующей сваркой, складыванием и проковкой, кузнецы добивались контроля над свойствами получаемого материала. Железо, как правило, мягко и легко поддаётся деформации, высокоуглеродистая сталь же тверда и (при надлежащей термообработке) упруга. Комбинируя железо и высокоуглеродистую сталь, получали материал, который дополнял недостатки обеих исходных сталей. Так возникало чередование слоев металла с очень высоким и очень низким содержанием углерода. Первые при закалке приобретали большую твёрдость, а вторые, напротив, не закаливались вовсе и служили амортизирующей подложкой. Мягкие железные слои не давали металлу быть слишком хрупким, а высокоуглеродистые слои придавали нужную упругость и остроту. Диффузия углерода также усредняла в какой-то мере его распределение в заготовке. По более прогрессивной технике, принятой в арабских странах, раннесредневековой Европе или в Китае, проковывался пучок заранее заготовленной проволоки или ленты с определённым содержанием углерода. Так тратилось меньше времени и железа. Уже в III веке до н. э., согласно археологическим находкам, европейские кельты изготовляли сварные дамаски. В первые века нашей эры вошёл в моду так называемый «крученый харалуг»; бруски из разнородных сталей сваривались, перекручивались спиралью, снова проковывались и соединялись вместе с такими же заготовками в один брус. Большое количество германских, позднеримских и франкских мечей старше X века, дошедшие до наших дней, имеют сложную харалужную дамаскировку.
Узоры на поверхности этого вида дамаска — оптический эффект неравномерного распределения углерода в связи с неоднородность материала. Этот эффект часто усиливался специальными методами полировки и травлением поверхности кислотами. Сам же узор изначально является не главной целью изготовления сварных харалугов, а всего лишь побочным явлением.
Дамасский узор
Полосатый рисунок состоит из прямых линий, почти параллельных между собой. Это низший сорт. Струйчатый рисунок имеет криволинейные включения между параллельными линиями. Это средний сорт. Если кривых линий больше, чем прямых, говорят о волнистом булате. Если кривые линии простираются по всем направлениям, а прямолинейные участки совсем коротки — это сетчатый рисунок. И, наконец, рисунок, проходящий по всей ширине клинка и повторяющийся по его длине, именуется коленчатым. Сетчатый и коленчатый — наилучшие сорта. Ритмичный повтор узора образует пресловутую «лестницу Магомета», своеобразный «знак качества» изделия. Эта устоявшаяся система оценки булатных полос просуществовала века, загадав нам еще одну загадку из множества других, присущих таинственному материалу. Дело в том, что, согласно современным теоретическим представлениям в металловедении, наиболее прочными и вязкими сталями являются те, что имеют меньшие размеры зерна. Отсюда следует парадоксальный вывод — наилучшими булатными клинками должны быть те, которые вовсе не дают «дамасского» рисунка, хотя традиционно такой узор как раз и служил мерилом качества, косвенным признаком высокого содержания углерода и умелой ковки. А хорошая ковка, как мы теперь знаем, является залогом хорошей вязкости. Однако заметный глазу узор получается только в том случае, если частицы цементита достаточно велики и распределены неравномерно в толще металла, тогда как именно от клинков с микроструктурой, не дающей видимого узора, и следовало бы ждать неких выдающихся кондиций. Для проверки своих идей американцы пытались воспроизвести Дамаск в лабораторных условиях. Небольшую стальную отливку с содержанием углерода 1,7% нагревали до светло-желтого свечения (1150 °С) и выдерживали при такой температуре 15 часов. За это время точный углерод растворялся в железе, образуя крупноячеистую структуру аустенита. Затем слиток охлаждался со скоростью примерно 10 °С в час. При таком постепенном охлаждении образовывалась непрерывная грубая сетка цементита по границам аустекитных зерен. Слиток вторично нагревали до 800 °С и раскатывали с восьмикратным обжатием по толщине. В результате этой операции, имитирующей ковку молотом, зерна вытягивались в направлении прокатки, и карбидная сетка разрушалась. Травление поверхности кислотой, разъедающей только железную основу и действующей на карбиды, выявляло дамасский узор, видимый невооруженным глазом. Легко заметить идентичность картинок, говорящую о сходстве процессов обработки. Цементитная сетка сжата примерно одинаково, расстояние между слоями составляет около 100 мкм, но прокатанная сталь имеет не такой сложный узор, как кованная. Предположение, что мелкокристаллические, не дающие рисунка булаты могут иметь более высокие механические характеристики, также полностью оправдалось. Описанный выше способ получения настоящей булатной стали, вероятно, является лишь одним из многих, которыми могли пользоваться древние мастера. Скорее всего, существовало несколько конкретных вариаций общего принципа, дающих схожие результаты. Можно даже полагать, что на Среднем Востоке умели получать и сверх-высокоуглеродистую сталь, не имевшую дамасского узора. Ученые добились этого путем прокатки стального слитка, нагретого до 1100 °С. Во время прокатки слиток постепенно охлаждался с переходом через фазу «аустенит/цементит».
Давление вальцов вызывало измельчение аустенитных зерен и выделение цементита в виде мелких, равномерно распределенных частиц, а не грубой сетки. Обработанный металл не имел поверхностного узора. Полученные таким образом сверхвысокоуглеродистые стали без рисунка имеют при комнатной температуре более высокие показатели прочности и вязкости, чем большинство из применяемых в машиностроении. При температурах же порядка 600-800°С они сверхпластичны, то есть ведут себя подобно аморфным материалам, например, расплавленному стеклу. Это позволяет формовать из них детали сложных очертаний, такие, как шестерни, при минимальных затратах на обработку и используя методы массового производства, что открывает самые широкие возможности для промышленного применения булатных сталей
Популярные мифы
В настоящее время в СМИ существует много теорий о превосходстве так называемой «настоящей дамасской стали» (то есть литого булата или вуца) над всеми другими видами металла. Это мнение, по-видимому, появилось в начале XIX века, и было распространено главным образом через романтическую литературу, такую, как «Талисман» и «Айвенго» Вальтера Скотта. Собственно, исторически и металлургически, миф об абсолютном превосходстве литого булата не обоснован, также и как его предпочтение всеми народами. До сих пор археологами не найден ни один ближневосточный клинок старше 15-го века на территории западной Европы, состоящий из литого булата, хотя, следуя соответствующему мифу, рыцари их покупали на «вес золота», потому что они якобы «резали кольчугу как масло». Никаких исторических доказательств сему до сих пор не существует. Также Римская Империя имела обширные торговые связи с Древним Востоком (персы, индийцы), и, по словам Плиния Старшего, лучшая сталь привозилась оттуда. Хотя индийскую тигелевую сталь предположительно знали ещё во времена Александра Македонского, до сих пор науке не известны римские доспехи, спаты или гладиусы, состоящие из «того самого» узорчатого булата. Напротив, именно сварные харалуги часто встречаются среди находок римской эпохи.
Также «дамасский» литой булат упоминается в исторических источниках только с XIII века, когда крестовые походы уже были на исходе. Сабля является оружием режущим, а чисто с физической точки зрения и согласно материаловедению термообработанная и отпущенная сталь в районе 55-58 HRC не может быть разрезана точно такой же сталью. Мифы о разрубании пластинчатых доспехов и других мечей на самом деле являются продуктами XIX и XX веков, и не соответствуют исторической действительности. Что касается легенды о том, что ближневосточные народы легко расправлялись с тяжелобронированными крестоносцами с помощью кривых сабель, то она также не имеет исторических доказательств. Хотя наличие импортных среднеазиатских сабель (которые, как правило, не имели с персидскими и индийскими булатами ничего общего) неоспоримо, один из самых ранних «исламских» ближневосточных кривых клинков датируется концом 13-го века. Начиная с 8-го века до 16-го, на Востоке одновременно с саблей ходили и прямые мечи, кои и применялись против кольчуги, в которую были одеты рыцари эпохи Крестовых Походов. Утверждение, что ближневосточные народы не пользовались прямыми клинками в эпоху Крестовых Походов необоснованно, также как и использование рыцарями «тяжёлых двуручных мечей» (что ошибочно предполагал Вальтер Скотт в своих трудах). Сабли из литого булата появились лишь в 13-ом веке, а клыч и ятаган, которые часто приписывают «сарацинам» популярные источники, - только спустя 200 лет после окончания Крестовых Походов в конце 13-го века.
К тому же металлургические исследования до сих пор не доказали, что литой узорчатый булат обладал какими-то необычайными свойствами, выходящими за пределы дозволенного законами физики. Неоднократные попытки в СМИ доказать реальность превосходства дамасского булата (например, растворение его в кислоте), не имеют научной основы и не являются сколько-нибудь важными для решения этой проблемы
Современное применение
Компания Vertu, подразделение Nokia, занимающееся эксклюзивными мобильными телефонами, планирует выпустить очередную специальную серию Ascent Ti.
Всего будет создано 100 штук Vertu Ascent Ti Damascus Steel. Их особенность заключается в корпусе – он изготовлен из стали, закаленной по древней технологии.
Из дамасской стали раньше делали холодное оружие. В телефоне данный материал играет декоративную роль, к тому же металлический рисунок у каждого аппарата индивидуален.
По характеристикам Ascent Ti Damascus Steel не отличается от стандартной модели: 3,2-Мп камера с вспышкой, 4 Гб флэш-памяти, QVGA-экран, поддержка 2G и 3G, интерфейс Series 40
Вывод
Современные качественные стали превосходят дамасскую сталь по всем показателям: прочности, упругости, режущим свойствам, но добиться таких выдающихся свойств в одном образце не удается и сейчас. Конечно, много вопросов еще остается, и тайна ждет своей разгадки!