大马士革钢

大马士革钢

从青铜时代到19世纪，武士们都依靠刀剑作为一种武器。拥有较好武器的军队便拥有一种明显的优势。而那些拥有大马士革钢剑的军队——西方人在十字军远征穆斯林国家期间首次遇到一一便是拥有某些人认为是世界上最好的宝剑的军队。

大马土革钢刀最初被认为是在大马士革(即今叙利亚)制造的，它们具有欧洲刀剑中未曾发现过的两个特征。一个是装饰于它们表面之上的、现今被称之为damask或damascene的波形花纹图案。而更为重要的一个特征是，它们的刀刃可能锋利得令人难以置信。传说大马士革钢剑可将飘在空中的丝绸纱巾一劈两半，这是欧洲武器无法与之相比的一种绝技。尽管大马士革钢刀声名显赫，性能优良，但是西方人却从来没有能够弄清楚这种钢(也用于短剑、斧头和矛)是怎样制造的。哪怕是最有造诣的欧洲冶金学家和刀匠，即使在将样品带回国并对它们详细分析之后，也仍未能将它们复制出来。大马士革钢的生产工艺甚至在原产地也已经失传；专家们通常认为最后一批制作精良的大马士革钢剑的制作时间不晚于18世纪初。然而最近，我和一位技艺高超的铁匠却认为我们已破译了大马士革钢刀之谜。我们并非是声称找到答案的第一人，但是，我们却是通过制造这种令人敬畏的武器的忠于原件的复制品来证明我们看法的第一人。为了证明有关大马士革钢剑和巴首制作方法的任何一个理论，都应采用与原件相同的原始材料来制作复制品，这样制成的武器还应该具有相同的波形花纹图案并具有相同的化学性质和显微结构。

何谓真正的大马士革钢?

众所周知，名副其实的大马士革钢刀是用从印度运来的WOOTZ钢锭(一种铁和碳的混合物)，在大马士革这座城市和后来在中东和远东的其他穆斯林地区制造的。自从大约l800年以来这些原料就一直被称之为WOOTZ钢锭(武氏坩埚钢锭)或WOOTZ钢饼。它们的形状类似冰球，直径约4英寸，高度不到2英寸。在印度的早期英国观察人士确认，WOOTZ大马士革钢剑便是经过多次反复加热和锤打作业将这些钢锭直接锻造成刀的形状而制成的。这种钢的含碳量大约为1.5％另外还含有少量的硅锰、磷和硫之类的其他杂质。

然而，大马士革钢剑表面上的迷人花纹图案却可能是以其他方法制作的。现代铁匠技师可将相互交错的高碳钢片和低碳钢片锻焊成一种复杂精细的复合材料。这种锻焊(即“花纹图案焊接”)是一种西方的传统工艺，可追溯到古罗马时代，并且在印度尼西亚和日本也能发现一些类似的技艺。但是这些技艺所产生的内部结构完全不同于伍兹钢刀的

内部结构。为了避免混淆这两种类型的制造方法、我将锻焊钢刀称为“焊接的”大马土革钢刀，而将“伍兹”大马土革钢刀这个术语用来称呼本文所研究的钢刀。

早在1824年，法国人Jean Robert Breant(以及稍后的俄国人Pave AnosoK)就宣称已成功揭开穆斯林刀匠们的神秘技艺的面纱，他们两人都断言复制出了原件。在20世纪里人们一直在提出其他的解答，最近Jeffrey Wadsworth和D.Sherby提出了一种解答[参见《科学美国人》1985年6期《大马土革钢》一文]。但是现代工匠在任何情况下都无法使用所提出的方法制造出令人满意的、具有古代原件外貌和内部结构的钢刀。

将现代伍兹钢7J的化学性质和显微特征与其古代类似物加以比较的计划，长期以来受到一种令人难以理解的障碍的阻挠。博物馆馆藏的大马士革钢刀是珍贵的艺术品，很少会捐献给科学家对其内部结构进行检验。然而。1924年欧洲收藏家Henri Moser将四把宝剑捐赠给了冶金学家B.Zschokke。他将它们切断后进行化学和显微结构分析。总体成分大体如下：

Table IV.Chemical Analysis of Seven Wootz Damascus Blades*

Element7910Old B Figiel Voigt Kard

C1.711.411.791.511.641.001.49

Mn150<100300100200500100

P1,0109801,3309501,6202601,440

S9560160538511590

Si350500500470460975500

Ni600400700<100180<100200

Cr<100<100<100<100<100<100<100

Mo<100<100<100<100<100<100<100

Cu1,7509001,830330780300900

Al<10<10101282530

V145502704040<1060

Nb<100<100<100<100<100<100<100

Pb<10<10<10<10101040

Sn<1010<10<10<1015<10

Ti91161316719

Zr<10<10<10<10<10<10<10

B<1<1<1<12<1<1

Ca19171511213<1

*All analyses are in parts per million by weight,except C,which is in weight percent

当然，决定这种花纹钢硬度和韧性的原因不是简单的化学元素配比，其微观结构才是我们最关心的。当年得到的一些剩余断片后来被送到瑞士伯尔尼博物馆，而我有幸得到该博物馆捐赠的一部分断片进行研究。当我对这些珍贵的样品进行检验时，我发现它们含有称之为渗碳体的碳化三铁(Fe3C)颗粒带。这些颗粒直径通常为6—9微米。它们呈完美圆球形并紧密地群集为间隔30—70微米的带状物，这些带状物与钢刀表面平行排列，像木板内的纹理一样。当用酸腐蚀钢刀时，这些碳化物在深色钢基体中表现为一些白色线条。正如树木的年轮在锯断的木头上产生出特征性涡旋花纹图案—样，碳化物带中的波纹正是在钢刀表面上产生出复杂精细波形花纹图案的原因。这些碳化物颗粒极其坚硬。据认为钢中有较有弹性的软基体和坚硬的带状物，使大马土革钢刀既有坚硬的刀刃又有柔韧的刀身。

我首先试图征大学实验室内重现伍兹大马士革钢的显微结构，可是我不久就意识到我必须与精通兵刃武器锻造工艺的人一道工作。技艺高超的刀匠A1fred H.Pendray一直在独自研究大马士革钢这一难题,他在一个烧煤气的炉子中炼制小块钢锭并把它们锻造成刀的形状，他经常获得惊人地接近精良的古代刀剑的显微结构。

我们于1988年开始合作。Pendray年轻时从父亲那里学习到一种马掌铁技艺，并且对锻造钢的技艺有深入而长期的了解。但是为了再现一种技艺，我们还必须用准确的科学数据支持我们的理论并密切地关注我们的实验细节。1993年，我的一位衣阿华州立大学学生和我一起去了佛罗里达州盖恩斯维尔附近的Pendray锻工车间、在那里我们安装了计算机监控的热电偶和红外线高温计，以便记录下我们所尝试的熔炼与锻造过程的温度。

首先我们设法采用WadsWorth和Sherby提出的方法制作钢几但是我们未能重现出大马土革钢刀的内部结构或者表面波形花纹图案。后来经过长达7年的探索，我们研制出一种工艺，Pendray 能够经常用它制出再现的伍兹大马土革钢刀，还能复制出被称之为穆罕默德梯子的花纹图案[见51页图I、人们曾在一些最精美的古代穆斯林实物样品中发现过这种花纹图案。在这种花纹图案中，波纹沿着刀的长度方向排列在一种梯状结构中；这种梯状花纹被认为是穆斯林忠实信徒升天之路的象征。我们的工艺类似于早期研究人员所介绍过的一般方法、但是具有关键性的差异。我们在一个封闭坩埚中制作出一小块具有精确组分的钢锭，然后将它锻造成刀的形状。我们的成功——并且这种成功使我们能够比我们的前辈们前行得更远—一一主要取决于钢中的铁、碳和其他元素(例如钒和钼，它们被我们称之为杂质元素)的混合情况、坩埚焙烧的温度和时间，以及反复锻造作业中所使用的温度和技巧。

一个关于钢的故事

如果你有含碳量大约为1.5％的钢，再添加几种杂质元素巾的一种(采用极低的添加量、大约为0.03％)，然后将它加热至某一准确的温度范围，再冷却至空温，经过如此五六次的循环，你就能使成团的聚集碳化物颗粒形成。正是这些碳化物颗粒在锻造期间产生出特征性表面花纹图案。对古代和现代钢刀的实验表明，带状结构的起因是：随着液态钢锭的冷却和凝固，某些杂质元素发生了