作者:罗海文等 来源:《科学通报》 发布时间:2014-4-3 15:23:31
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古代大马士革刀花纹形成机制理论分析

    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)

冷兵器时代著名兵器大马士革钢刀的表面花纹是如何形成的,是困扰冶金学家数个世纪之久的谜团,迄今为止依然没有定论,而最近的一项研究则给出了有别于西方冶金学家现有理论解释之外的、新的观点。
 
这篇名为“古代大马士革刀花纹形成机制的理论分析”的研究论文发表于《科学通报》2014年第9期,给出了关于大马士革花纹形成的新的解释,由钢铁研究总院罗海文教授担任通讯作者撰写。
 
大马士革刀名称来自欧洲人十字军东征时,在大马士革第一次遇见了阿拉伯人所使用的弯刀。最好的大马士革刀据信是用古印度地区坩埚熔炼所得到的“乌兹钢”在波斯地区锻打而成。其显著特征是刀的表面有水纹状图案(如图1),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。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,这驱使着欧洲铁匠曾经很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。对大马士革花纹刀剑的研究与复制,一直持续到20世纪末,而冶金学家对该花纹形成机制的研究到今天还在进行。这在历史上促进了冶金学知识极大发展,使其成为一个专门学科。
 
今天,根据对现存的古代大马士革刀的检验分析,已经知道该钢刀的碳含量在1%-2%之间,通常在1.6%左右;且刀面处的图案是由钢中渗碳体颗粒造成的,因为高的碳含量导致大量渗碳体在热锻打时析出,对应着表面花纹图案中白色的部分(图1)。自20世纪70年代以来,关于大马士革花纹形成的内在冶金原理重获关注,并对其进行了详细的研究和争论,这些争论主要集中在Stanford大学的Sherby教授[1-4]和Iowa州立大学Verhoeven教授[5-10]领导的两个研究组之间。,Sherby等人认为大马士革花纹是通过先在粗大奥氏体晶粒上析出粗大的网状渗碳体颗粒,然后经大变形后破碎、重新分布所形成的。Verhoeven等人认为大马士革花纹的形成与凝固组织的遗传性有关,因为他们通过固溶和冷却实验,发现在真正大马士革刀中的渗碳体颗粒在固溶后冷却时,仍然可以在原位置重新析出,而这不是Sherby等人提出的机理所能解释的,这导致他们最后认为是大马士革刀中碳化物形成元素V元素的凝固偏析导致的,即大马士革花纹和凝固时V的枝晶偏析相关。
 
然而,通过对现有的大马士革刀的化学检验,多数没有检出含有可辨识含量的V元素;而且当时古人不可能有关于V合金化的概念,也不可能根据是否含有V来选择矿石。另外,也没有在大马士革刀中普遍地检测出其他碳化物形成元素,因此,Verhoeven等人的解释也同样不能令人信服。
 
此项研究尝试了新的思路来解决这个谜团。通过现代冶金理论计算模型软件,计算了乌兹钢中常见元素如S、P、V等对Fe-C相图的影响,以及V在高温下扩散均质化过程和S、P在凝固过程中的枝晶偏析程度。发现即使对于那些被检出含有V的大马士革刀,它的V含量也不足以导致渗碳体在碳氮化钒上析出。相反,含量相对较高的S和P等杂质元素(由于当时低下的冶炼技术水平所致),尤其是P元素,在凝固时因枝晶偏析严重而形成磷化物,可作为渗碳体析出的析出核心,因此大马士革花纹应该与P在乌兹钢锭中凝固时期的枝晶偏析相关。
 
这一研究不仅在于给出了大马士革花纹的新的解释,也提示可以用今天成熟可靠的现代理论模型,来分析象大马士革花纹形成这样的历史之谜。
 
最后,尽管在数个世纪前,人类就已经成功使用含有1.6wt%C的超高碳钢,并制造了当时世界上最顶级的武器——大马士革刀,但这一碳含量的钢在今天却几乎没有应用。但在未来随着冶金知识和钢铁生产技术的进一步发展,这一遗失的技术或许也将重新焕发出生命力,并再次得到重要的应用,这将是古为今用的最好范例。(来源:科学网)
 
 
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