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
显微偏析。

大马士革钢内显微偏析的发生过程如下：当热钢锭冷却和凝固时，晶状铁的固体前端便延伸进液态钢中，呈现出被称之为枝晶的松树枝状突出物[见下页图3。

在含碳量为1.5％的钢中，从液态钢固化的铁的类型被称之为奥氏体。

在这些枝晶之间的区域(称为枝晶间区)中，液态金属被直接截聚下来。

固态铁所能容纳的碳原子和其他元素的原子比液态铁所能容纳的更少，使得这种金属固化成晶状铁枝晶，而碳原子和杂质原子往往会偏析到剩下的液态铁中。

因此最后凝固在枝晶间区内的这些原子的浓度可能变得非常之高。

随着铁的固化和枝晶的生长，枝晶之间的区域便留下了杂质原子的品格，它们像一串珍珠那样串在一起。

其后、当钢锭通过多次加热和冷却循环时，正是这些杂质原子促使生长出成串的坚硬渗碳体颗粒，这些颗粒便是这种钢中颜色较浅的带状物。

我们能够证明这种品格与伍兹钢中的浅色和深色钢带有关。

枝品分枝之间的距离大约为o.5毫米、并且随着钢锭被锤薄和其直径缩小，此距离也随之缩小，枝晶间的最终间距与大马士革钢巾的带状物之间的距离十分吻合。

在锻造期间、重要的是钢的温度要恰到好处，以便获得奥氏体与渗碳体的混合物。

当钢锭的温度降至莱一临界点以下时，碳化三铁颗粒(与我在Moser钢刀中所见到的相同的渗碳体颗粒)开始形成。

所有这种冷却着的钢仍保留有奥氏体时的最低温度。

称为A温度。

在含碳量高于0.77％的钢中，A温度被称为Acm 温度。

低于Acm温度时，渗碳体颗粒便开始出现、在奥氏体钢中相互间保持着任意的间距。

带状物形成的诀窍
伍兹大马士革钢刀的一个重要奥秘就是，在将一些小块钢锭简单地锻造为一把刀的形状时。

如何能使碳化物排列成为明显的带状。

当我们将它们从冰球状变为刀的形状时，我们系统地对所锻造的钢锭的断面进行了检验。

为了产生这种变化，我们将一块钢锭加热至钢可能形成渗碳体和奥氏体混合物时的温度，然后锤打它。

在对这块钢锭进行锻造的同时，它的温度将从低于Acm大约50℃下降到低于Acm大约250℃。

在这一冷却过程中，渗碳体颗粒所占的比例逐渐升高。

然后我们让钢锭在这两种温度之间经历又一次加热和锤击循环。

根据经验，我们发现，为制造出接近原件大小(宽40毫米、厚5毫米)的—把钢刀，需要大约50次这种锻造循环。

我们认为带状物的形成过程如下：在最初的20次左右的循环期间，或多或少偶尔有一些坚硬的碳化物颗粒形成，但是随着每增加一次循环，这些颗粒往往会更为强烈地沿着枝晶间区中形成的点状品格排列起来。

其原因在于每次对钢加热时，其中一些碳化物颗粒便会溶解消失，但是杂质元素原子却减缓了溶解速度，使较大的碳化物颗粒得以保留下来。

每一次加热和冷却循环都仅仅使这些颗粒稍有增加，这就是为什么要进行如此多次循环才能形成明显带状物的原因。

由于杂质元素排列在枝晶之间的区域内，因而碳化物颗粒的浓度在那里也变得较高。

合适的杂质元素
虽然我们长期以来就猜测杂质元素在这些带状物的形成过程中起着关键性作用，但是我们不能肯定哪些杂质元素起着最重要的作用。

我们很快就确定硅、硫和磷(众所周知它们存在于古代伍兹钢中)似乎并非是重要角色。

但是这个信息并末解决这个难题。

当我们开始使用Sorel(索瑞尔)金属作为钢锭的一种配料时，我们便取得了幸运的突破。

该金属是一种含碳量为3.9—4.7％的高纯度铁—碳合金，产于魁北克圣劳伦斯河上Lac Tio的一个大型钛铁矿矿床。

该矿床中含有微量的钒，因而Sorel金属中便随之带有0.003—0.014％的钒杂质。

最初，我们没有注意到这种杂质，因为我们不可能相信如此低含量的杂质具有重要的作用。

但是我们终于在碰壁两年之后弄明白了这个事实：即使金属含量很低也可能是重要的。

在高纯度的铁—碳合金中加入0.003％微量的钒，便产生出较好的带状物。

铂也能产生出所希望的效果、并且更低含量的铬、妮和锰也能产生出这样的效果。

铜和镍则是不能促进碳化物形成和带状物产生的元素。

电子探针微量分析已经确认，在钢锭中存在0.02％或更少的上述有效元素时。

它们便会显微偏析进入枝晶间区并且在那里的浓度变得更高。

为了检验我们关于带状物产生于杂质元素显微偏析而导致渗碳体颗粒显微偏析的结论，我们进行了一些专门实验来证明如果我们取消杂质原子的显微偏析，我们就能消除这些带状物。

我们取了一些具有精美带状物的古代和现代钢刀的小片试样，并将它们加热至高于Acm温度约50℃。

在这
一温度条件下，所有的碳化三铁颗粒都溶解消失变为奥氏体。

然后我们将这些钢刀小片放入水中淬火硬化。

这种速冷方式便产生出没有碳化物颗粒的钢的马氏体相——极其坚硬和稳定。

由于这些碳化物颗粒化为乌有，因而也就没有源自它们的带状物了。

为了重新产生出这些渗碳体颗粒，我们反复若干次将这些钢刀小片加热至高于Acm50℃的温度，然后缓慢空气冷却。

这样就使这些颗粒有时间重新生成和偏析。

在首次循环之后，这些碳化物颗粒重新出现，但却呈随机分布状态。

但是在再进行一次或两次循环之后，这些颗粒就开始排列成为模糊的带状，而在经过6次或8次循环之后，这些带状物变得相当明显。

在有—次检验中，我们开始以大大超过Acm的温度(达到1200℃，恰好低于钢的熔点温度)进行加热并在该温度下保持18个小时。

其后对钢进行的热循环并未使其恢复渗碳体颗粒带状物。

一些计算结果表明，这种高温处理通过扩散作用完全消除了杂质原子的显微偏析。

Pendray和我还仔细地尝试进行受控实验，在这类实验中，我们完全不加杂质元素。

甚至在经过多次加热和缓慢冷却的循环之后，这些钢锭也不产生成群结队的碳化物颗粒或者带状物。

当我们在同样的钢锭中加入上述杂质元素并让它经历加热和冷却循环时，这些带状物便出现了。

我们重新制作大马士革钢刀有助于我们回答另一个问题：这些古代铁匠是如何制作出这种穆罕默德梯子状花纹图案的呢?我们的研究结果支持我们过去所提出的一个理论——梯子横档产生于横穿钢刀上的切割沟槽。

在上图的最下面一幅照片中，肉眼可见的这种梯子状花纹图案是通过将钢刀锻造到接近其最终厚度之后，在钢刀上切割一些小沟槽所致。

这种锻造缩小了最终表面上、尤其是沿着这些沟槽边缘方向上的浅色和深色带状物之间的间距。

我们还从古代短弯刀上识别出这些梯子横档之间的圆球构形，它们被称之为玫瑰花纹图案。

这种图案是由于切割沟槽的同时在钢刀中钻凿一些浅孔所致。

制作这类武器的工艺技术为何在大约两个世纪以前的某个时候便失传了呢?或许是因为并非所有来自印度的铁矿石都含有碳化物形成所必需的元素。

我们所研究的四把古代Moser 钢刀都含有钒杂质，这些钒杂质很可能就是这类钢中形成带状物的原因所在。

如果由于世界贸易情况的变化而导致从印度运抵的钢锭中不再含有所需的杂质元素，那么刀匠及他们的儿子们就可能不再能够在他们钢刀中制作出这些漂亮的花纹，并且他们不一定会知道其中的原因。

如果这种情况持续存在下去。

在经过一代或两代人之后，传说中的大马士革钢剑的奥秘可能便会失传。

仅仅在现在，多亏科学和工艺技术之间的协同努力，才揭开了蒙在这一奥秘上的面纱。