Секрет дамасской стали доклад

Обновлено: 02.07.2024

Это одна из тех историй о технологии, которая была изобретена, а затем забыта. Например, римляне изобрели бетон, который был заново изобретен другой цивилизацией тысячу лет спустя.

Оказывается, профессиональные дамасские кузнецы изготавливали клинки с содержанием углеродных нанотрубок по меньшей мере 400 лет до того, как современная наука поняла их прочность.

Помимо красивого декора и безупречной конструкции, дамасские мечи славились своей прочностью, долговечностью и упругостью. Они были гордостью города Дамаска (Сирия), который был центром производства оружия на Ближнем Востоке, особенно в средние века.

Своими исключительными качествами мечи обладали в основном благодаря так называемой дамасской стали - виду стали, основным ингредиентом которой была сталь вутц, импортируемая из Индии.

Простой способ распознать настоящий дамасский клинок - это характерные узоры в виде полос и крапинок, напоминающие текущую воду. Термин "дамасский клинок" относится как к мечам, изготовленным в Дамаске, так и к тем, которые имеют характерные узоры, но были произведены в другом месте.

Сегодня в мире осталось не так много оригинальных дамасских мечей, кроме копий, сделанных для туристов. Те, что остались, находятся либо в музеях, либо в частных коллекциях.

Причина этого проста. Большинство мастеров-кузнецов из Дамаска унесли секрет оригинального метода в могилу. Хотя современные кузнецы предпринимали попытки получить такую же марку стали, результаты были не совсем удачными. Сырье и техника отличаются от тех, которые использовали старые мастера.

На протяжении веков дамасские мечи стали легендарными. Многие истории рассказывают об их огромной силе, остроте и гибкости. Одна из таких историй рассказывает о встрече Ричарда Львиное Сердце и Саладина. Ричард хотел произвести впечатление на Саладина, разрубив своим мечом толстый железный прут.

Саладин не был впечатлен, он взял свою дамасскую саблю, бросил шелковую подушку и разрезал ее на мелкие кусочки, прежде чем она упала на землю.

Другая легенда гласит, что дамасский клинок был настолько гибким, что воин мог взять рукоять в одну руку, лезвие в другую и согнуть весь меч вокруг своего тела. Затем, когда он отпускал его, меч возвращался к своей первоначальной форме. В некоторых других историях дамасский клинок мог перерубить ствол винтовки или упавший волос.

Хотя многие из этих историй могут быть просто мифами, в этих мечах есть нечто удивительное. В 2006 году группа немецких исследователей проанализировала старый дамасский клинок и обнаружила в его молекулярной структуре нанопровода и углеродные нанотрубки.

До сих пор неясно, как древним мастерам удалось создать нанотрубки внутри стали, но ученые предложили несколько теорий. Процесс создания нанотрубок может быть связан со следами ванадия, хрома, марганца, кобальта и никеля, обнаруженными в Дамасской стали.

Во время термической обработки стали (горячая и холодная фазы) в процессе создания дамасской стали микроэлементы разделились на плоскости. В дальнейшем эти плоскости выступали в качестве катализаторов в процессе создания углеродных нанотрубок.

Нанотрубки (и нанопроволоки) формировались вдоль плоскостей примесей, придавая тем самым дамасской стали ее фирменный знак - волнистые полосы, называемые дамасскими узорами. Возможно, дамасские кузнецы и не знали о химических процессах, обеспечивающих прочность их клинков, но они использовали нанотехнологии задолго до того, как они стали известны науке.

Современные стальные сплавы, вероятно, лучше дамасской стали, но клинки, изготовленные столетия назад, определенно опережали свое время.

Большая часть стали, использовавшейся для изготовления дамасских клинков, импортировалась из Индии и Шри-Ланки. Археологически доказано, что так называемый процесс производства тигельной стали (плавление железа и других материалов) был впервые использован на территории современного штата Тамилнад, Индия.

Индия начала экспортировать стальные слитки в Дамаск и на Ближний Восток примерно в III веке. Эта торговля продолжалась до 17 века, когда экспорт стали из Индии начал постепенно снижаться.

Примерно в 1750 году производство дамасских мечей достигло своего минимума. Теперь вместо кузнецов этим бизнесом стали заниматься кузнецы-металлисты. Снижение импорта стали и прекращение производства дамасских клинков, вероятно, произошло по многим техническим и политическим причинам.

Одной из главных причин, вероятно, было разрушение старых торговых путей, по которым поставлялась сталь из Индии. Кроме того, британские колонисты начали подавлять сталелитейную промышленность страны, что привело к потере этого древнего технического чуда.

Индийская сталь содержала столь необходимые микропримеси, как ванадий, хром, марганец, кобальт и никель.

Об этом рассказал лауреат Нобелевской премии по химии Robert Curl Jr, выступая перед зачарованной публикой во время 95-го Индийского научного конгресса в городе VISAKHAPATNAM: в частности, он рассказал, что, согласно современным данным, дамасская сталь изготовлялась мастерами на юге и в центре Индии ещё за 300 лет до н.э.

Самым забавным, – говорил он, – было то, что при изготовлении клинков древние мастера применяли методы нанотехнологии и даже не догадывались об этом. А древний булат всегда оставался острым и прочным, благодаря особой композиции углерода в структуре металла.

Сталь wootz получалась из этой руды и формовалась с помощью специальных тиглей, в которых она плавилась, выжигались примеси и добавлялись, говоря современным языком, необходимые присадки, включая большое количество углерода (до уровня примерно 1,5 % против 0,1%, которые добавлялись в обычное железо).

Curl Jr напомнил, что даже Tipu Sultan использовал меч из такой стали в битвах против британских войск в конце 18 века.

Однако в наши дни учёные разгадали секреты дамасской стали, и помогли им в этом методы современного материаловедения, методы нанотехнологий.

‘Nanotechnology was used by ancient Indians’

Дамасские клинки изготовлялись при помощи нанотехнологий

Дамасский клинок XVII века (National Geographic)

Изучив молекулярную структуру сабли XVII века под электронным микроскопом, немецкие кристаллографы обнаружили в лезвии углеродные нанотрубки и нановолокна из цементита (карбида железа). По мнению дрезденских исследователей, именно вкрапление этих сложных элементов и объясняет уникальные свойства дамасской стали. Нанотрубки, как оказалось, присутствуют в мягких слоях стали, которая отличается неоднородной структурой.

Ученые предполагают, что углеродные нонотрубки и нановолокна образовывались в клинках вследствие сложного процесса обжига и ковки. А как только клинки уже были практически готовы, кузнецы травили сталь кислотой, нанося на них неподражаемый и узнаваемый рисунок. Специалисты считают, что, поскольку углеродные нанотрубки устойчивы к действию кислоты, они защищали находящиеся внутри них нановолокна из более хрупкого цементита. После травления многие подобные наноструктуры выпирали из поверхности лезвия, придавая клинку сходство с пилой на наноуровне и, соответственно, необыкновенную остроту.

Отчет ученых из Германии раскрывает тайну дамасской стали

Несравненно острые, прекрасные и роскошные мечи и ножи из дамасской стали некогда были предметом роскоши у знатных людей Востока и Запада. К сожалению, вслед за тем, как в конце XVII в. ресурсы железа в главном месторождении, узбекских рудниках, иссякли, технология выплавки дамасской стали также канула в Лету. В XX веке специалисты, прибегая к современным средствам, пытались восстановить технологию дамасской стали, но тщетно.

Совсем недавно, наконец, нашлись ученые, утверждающие, что сделали это.

Как сообщило агентство Юнайтед Пресс Интернэшнл, отчет ученых из Германии раскрывает тайну дамасской стали. Вероятно, благодаря этому, современная обрабатывающая промышленность сможет возродить производство этого знаменитого материала.

В XVIII веке способ плавления дамасской стали был утрачен. Петер Пауфлер из Дрезденского технического университета (Германия) вместе со своими коллегами при помощи электронного микроскопа высокого разрешения подверг анализу саблю из дамасской стали XVII столетия.

Команда Пауфлера обнаружила, что микроскопическая структура дамасской стали указывает на то, что в процессе литья в нее, вероятно, добавлялись другие компоненты, и можно даже утверждать, что это представляет собой самое раннее применение технологии углеродной нанотрубки. С другой стороны эти компоненты способствовали образованию нанопроволок карбида железа, благодаря которым мечи из дамасской стали обладали особенной твердостью и привлекательным внешним видом. Результаты этого исследования были недавно опубликованы в журнале Nature.

Дамасская сталь – древние нанотехнологии

Всем известны уникальные, почти сказочные свойства Дамасской стали. Иделия, сделанные из неё прочны и остры. Новейшие исследования в области нанотехнологий позволили выяснить, что при производстве Дамасской стали применялись углеродные нано-структуры, подобные современным

Профессор Питер Пауфлер (Peter Paufler) из Технического университета Дрездена, провёл ряд исследований дамасских сабель. И сейчас с большой уверенностью может говорить, что при их производстве применялись нанотехнологии.

Peter Paufler

Чтобы это выяснить, кусочек вуца был растворён в соляной кислоте. Результат реакции был заснят Пауфлером c помощью электронного микроскопа. Анализ снимков показал схожесть структуры дамасской стали с современными углеродными нанотрубками, используемыми для увеличения прочности металлов.

(Углеродные нанотрубки – протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких микрон. Состоят из нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графенов и заканчивающихся полусферической головкой).

В составе вуца есть железо и примесь карбида железа, который содержится в виде нанонитей. До исследований Пауфлера было не до конца понятна природа их возникновения. По его предположению, этот эффект возникает именно за счёт использования нанотрубок.

Некоторые примеси в стали при высокой температуре вызывали рост углеродных нанотрубок. (Углерод в вуц попадал как продукт горения дерева и листьев в печи при плавке стали). Созданные трубки наполнялись карбидом железа. Так и возникали эти тончайшие нити.

Очевидно, что в древности люди и не знали, что используют именно нанотрубки и не до конца понимали их природу, но совершенно очевидно, что они обладали технологией их производства.

В данный момент профессор Пауфлер работает над выяснением деталей этой древней технологии. Ведь совершенно очевидно, что она значительно проще и совершеннее сложной технологии современного производства таких материалов.

В наше время, первое упоминание о наблюдении волокон диаметром порядка 100 нм, полученных при термической обработке окиси углерода и железа были опубликованы в статье советских учёных Радушкевича и Лушкиновича в 1952 году. Первый общеизвестный факт наблюдения нанотрубок приходится на 1991 год (исследователь Ииджима), а в 1996 году группа Смоли, Крото и Кёрла была удостоина нобелевской премии за исследования в этой области.

ПРОЕКТ ПО ХИМИИ "ТАЙНА ДАМАССКОЙ СТАЛИ"

1 Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя специализированная школа №12 имени Героя России А.Колгатина городского округа-город Камышин Волгоградской области

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Паспорт проекта

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;

ІІ. Планирование .

Совместная разработка плана выполнения проекта;

Определение источников информации;

Распределение обязанностей в группе.

ІІІ. Поиск информации.

Сбор и уточнение информации;

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.

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.

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

Сварочный дамаск

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

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

Почему был утерян секрет дамасской стали?

Чтобы ответить на вопрос, почему это произошло, надо знать об уникальных свойствах дамасской стали. Она отличалась от той, которая использовалась европейскими оружейниками – как по способу выплавки, так и по происхождению исходного материала. В железной руде, помимо непосредственно феррума, содержатся примеси – в частности, кислород, сера и кремний. Чтобы получить пригодный для использования металл, его надо очистить от некоторых загрязнителей. Одним из самых надежных способов достижения данного результата является нагрев руды выше точки плавления. Однако в случае с железом добиться этого непросто. Если медь или бронзу можно довести до нужной кондиции даже в керамической посуде, то здесь требуется достичь температуры 1540 градусов по Цельсию. В течение большей части истории человеческой цивилизации у ремесленников просто не было технологии, позволяющей сделать это. Поэтому они использовали кричный горн (домницу).

Азиатские ремесленники, тем временем, использовали несколько иную стратегию – варили тигельную сталь. Они помещали крицу в небольшой глиняный сосуд (тигель) и добавляли сюда же дерево или листья, из которых железо забирало необходимое количество углерода. Метод позволял снизить температуру плавления, и оружейники грели металл в течение нескольких дней, чтобы превратить его в жидкость. После этого полученный материал очень медленно охлаждали, в результате чего образовывались кристаллы карбида железа (цементита), чья характерная структура давала клинкам их фирменный рисунок.

Но своей прочностью и остротой дамасские мечи были обязаны не только тигельной стали. Большую роль играло происхождение железа, которое было родом вовсе не из Сирии и даже не с Ближнего Востока. Слитки металла изготовлялись в Индии и Центральной Азии, и, возможно, именно это было решающим фактором успеха дамасских оружейников. Дело в том, что этот материал содержал особые примеси, вроде ванадия, который очень редко встречается в земной коре. Сейчас названный металл в основном добывается в Китае и России, то есть недалеко от тех точек на карте, где когда-то изготавливалась тигельная сталь.

Данный термин, несмотря на несколько футуристическое звучание, обозначает всего лишь упорядоченную, вытянутую вдаль молекулярную углеродную структуру. Но она все же имеет одно замечательное свойство: её составные части так крепко держатся друг за друга, что не сдаются даже под воздействием кислоты. По мнению авторов открытия, ванадий и иные примеси в железе являлись катализаторами, ускорявшими образование нанотрубок. Таким образом, средневековые сирийские оружейники, сами того не осознавая, были, если так можно выразиться, нанотехнологами.

Читайте также: