從古代大馬士革鋼到現代不銹鋼的神奇變遷
2022-08-29 16:54:02
作者：腐蝕與防護 來源：腐蝕與防護
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大馬士革鋼，原產地是古印度。現代泛指表面具有花紋的鋼材。古代稱之為烏茲鋼。古印度出產的“烏茲鋼錠”是制作刀劍的頂級用鋼，每年阿拉伯商人都要向印度進口大量的鋼錠用于武器制造。
這種鋼在鑄造成刀劍時表面會有一種特殊的花紋——穆罕默德紋，所以它是屬于花紋鋼中的鑄造型花紋鋼，區別于折疊鍛打形成的焊接型花紋鋼。因為花紋能夠使刀刃在微觀上形成鋸齒（肉眼無法分辨），使得刀劍更加鋒利。
大馬士革鋼因其神秘的花紋圖案、古老的傳說和自身的優異性能，被制成的刀具深受人們喜愛。真正的大馬士革鋼又稱為結晶花紋鋼，是一種古代粉末冶金和鍛造技術完美的結合。
大馬士革鋼上的花紋其實是兩種性質不同的材料：亮的地方是純的雪明炭鐵，其硬度比玻璃還大；暗的地方則屬于沃斯田鐵和波來鐵。整體含碳量大約在1.5%~2.0%之間。在韌性高的波來鐵里均勻散布著比玻璃還硬的雪明炭鐵，使得大馬士革鋼刀可以具有非常鋒利的刀鋒，以及非常堅韌而不會折斷的刀身。
大馬士革鋼的花紋和摺疊鋼有明顯的差別。大馬士革鋼花紋比較細致，看起來比較自然，黑白的對比也比較大。在古代由于經常出現人們會在刃上喂毒的情形，造成很多大馬士革鋼的刀刃呈現黑色。在黑色的刀刃上分布著亮晶晶的雪明炭鐵，古代波斯人把它形容成像夜空中的繁星一樣漂亮的花紋。經常有人將大馬士革鋼、烏茲鋼、鑌鐵三者混淆，其實它們是不能混為一談的。
易混淆的三種鋼
印度鋼
是一種坩堝冶煉的超高碳鋼（含碳量在1.5%～2%），在公元前6至5世紀時，由位于古印度西北角的Hyderabad（翻譯為“海得拉巴”，現在屬于巴基斯坦）的冶煉工人制成的，后來被售到“安息”（波斯）、條支甚或是埃及等。
其冶煉方法是將黑錳礦、竹炭及某些植物葉子密封在一個陶爐里燃燒加熱，當這些東西熔化后，其渣滓形成一團金屬，然后將此金屬反復熔化、冷卻四五次，最后煉成直徑為5英寸，厚度為0.5英寸，重約2英鎊的金屬塊。（參見文獻：William.Reid的《西洋兵器大觀》）
烏茲鋼
在印度被制成的金屬塊，不能直接被命名為大馬士革鋼，而它們被叫做大馬士革鋼，是因為這些金屬被販賣到大馬士革（位于今天的敘利亞境內）這個城市后，用來煉制成武器，即大馬士革劍（或大馬士革刃）之后，才得名的。或者應該這樣說：當中世紀歐洲入侵耶路撒冷（即十字軍東征）時期，歐洲人看到他們的敵人使用這種武器時，就以為這種原材料是來自印度的武器，就是在大馬士革取材制煉的，因此就有了“大馬士革鋼”這個說法。
至于“印度鐵”，姑且是看作以這個金屬塊來源而進行的命名，而“烏茲（Wootz）”則可能是最原始的叫法。另外，大概是因為“Wootz”被簡單翻譯成“烏茲”，中國人可能不好理解，所以第一位翻譯它的人就直接命名為“印度鐵”，有利于理解。
烏茲鋼錠
綜上所述，應該是先有“烏茲（Wootz）”，然后才有“大馬士革鋼”（Damascus steel），“烏茲（Wootz）”因為出產于印度故也被翻譯作“印度鐵”。
鑌鐵
鑌鐵（fagoted iron）是古代的一種鋼，把表面磨光再用腐蝕劑處理，可見花紋，又稱“賓鐵”。明代曹昭的《格古要論》卷六記載：鑌鐵有旋螺花、芝麻雪花；常用的腐蝕劑為金絲礬，又名黃礬（硫酸鐵）。
鑌鐵原產波斯（今伊朗）、罽賓（今克什米爾）、印度等地，約在南北朝時傳入中國。此后中國也掌握了制煉鑌鐵的技術。元朝工部設鑌鐵局，明代新疆、山西都產鑌鐵。古代近東、南亞有花紋的鋼器分為兩大類：一種以印度烏茲（Wootz）鋼為原料制成；一種以高碳鋼和熟鐵疊打而成。唐慧林《一切經音義》卷55所述：鑌鐵“以諸鐵和合”，當指后者。鑌鐵主要用來制作刀劍，鑌鐵劍極其鋒利，有“吹毛透風”之譽。（參見文獻：張子高、楊根的《鑌鐵考》，《科學史集刊》第7期）
“鑌鐵”不是“大馬士革鋼”的同義詞，更接近于坩堝鋼系列。鑌鐵更象由中亞的布拉特鋼加工得來，而由南亞烏茲鋼加工得到的大馬士革鋼卻很少見（不是絕對沒有）。
“大馬士革鋼”最先開始是“烏茲”（Wootz）的同義詞，后來由于大馬士革鋼制造工藝失傳，同時隨著現代鋼鐵工業的發展，到了現在已經成了“表面花紋鋼”的代名詞。
從大馬士革鋼到不銹鋼
公元前4世紀左右，有記載稱，印度王子波魯斯曾送給亞歷山大大帝一塊重達30磅（約15公斤）的純印度鋼鐵，彼時印度鋼鐵已經聲名鵲起。
在十字軍東征期間，大馬士革劍被尊為無雙之劍，作為皇室傳家寶流傳下來。十字軍騎士也為擁有大馬士革劍而自豪。然而，隨著槍支的出現，大馬士革劍失去了往日的榮光，逐漸過時。
18 世紀下半葉，隨著工業革命的發展，工業領域需要大量優質、廉價的金屬。于是科學家們紛紛致力于從根本上研究金屬的特性，此時，大馬士革鋼（烏茲鋼）再次成為人們關注的焦點。
一位在印度的英國旅行者P. Scott對當地的烏茲鋼產生了興趣。他在孟買購得了幾塊烏茲鋼，帶回家并交給了英國皇家學會。
著名科學家邁克爾法拉第（電磁感應之父）也投身于對烏茲鋼的研究。但是法拉第的目的可不是研究鋼鐵本質，而是制作出比大馬士革刀更好的刀。因為當時他在歐洲一家著名的刀具廠上班，老板給他布置了這項任務。
也許受到童話里巫師用“七種混合物”熬制神奇藥水的影響，法拉第試圖通過在鋼鐵中添加各種貴金屬，然后對比它和烏茲鋼的區別，來破解大馬士革鋼成分之謎。據說他總共添加了79種貴金屬元素，制成了含有不同貴金屬的合金。法拉第研究了鋁、鎳、鉻、銀等各種合金鋼，據說添加了鉑的合金鋼即使在室內長時間放置也不會生銹。
雖然沒能造出和烏茲鋼一樣優秀的鋼，但是法拉第與Stoddart共同發表了關于合金鋼的第一篇論文。歷史上第一種不銹鋼（或者說是大馬士革鋼之后的第二種）是“鉑鋼”。然而，由于這種不銹鋼造價高到離譜，因此它在工業上并不可用。法拉第對大馬士革鋼的嘗試以失敗告終。這項研究的樣本仍留在英國皇家研究所。
1828年，俄羅斯冶金學家阿諾索夫得知法拉第的工作，踩著法拉第的肩膀繼續研究，并聲稱自己最終揭開了大馬士革鋼之謎。
與法拉第一樣，阿諾索夫開始尋找一種“神奇”添加劑，把簡單的鋼變成大馬士革鋼。添加金、銀、鉑，甚至鉆石，花費了這么多材料，但是并沒有得到哪怕一克的大馬士革鋼。
后來他改變了研究方向，腐蝕大馬士革鋼的橫截面，然后在顯微鏡下觀察橫截面的金屬結構。1838年，阿諾索夫宣布用這種方法破解了大馬士革鋼之謎。
根據阿諾索夫的說法，大馬士革鋼的花紋代表了它的內部結構，這種結構和材料的力學性能是相關的。大馬士革鋼的花紋一般認為是由成捆的鋼和鐵棒鍛造而成，鍛合之后就形成了花紋。鑄造型的花紋鋼是在坩堝中緩慢凝固，內部產生結晶，從而形成花紋。
當鋼凝固時，碳含量低的鋼首先結晶，這是枝晶。接下來，碳含量高的小晶體填充在枝晶之間的空隙里。由此產生了復雜的晶體糾纏，其中一個是硬的，另一個是粘性的。鍛造大馬士革鋼只能低溫鍛造來完成，以免破壞枝晶。除了組織之外，原來制作刀刃的特殊技法應該還包含若干不為人知的秘密。
1841年，阿諾索夫的《論大馬士革鋼鐵》一書出版，總結了他多年的研究成果。這項研究在19世紀下半葉被切爾諾夫接管，并被別拉耶夫進一步接管，并于1918年以《大馬士革鋼》為題在英國鋼鐵學會上發表。
順帶提一句，大馬士革鋼的硬度和韌性的秘密算是勉強解開了。但是它不生銹的秘密又是怎么一回事呢？
1821年，法國人貝爾蒂埃也和阿諾索夫一樣，關注到法拉第對烏茲鋼的研究。貝爾蒂埃成功地通過還原復合氧化物直接生產出了鐵鉻合金。他們發現這種鉻鋼具有耐腐蝕性。于是他不再關注大馬士革鋼的花紋和鋒利度，轉而研究鐵鉻合金的耐腐蝕性。
1838年，法國人穆雷也研究了鐵鉻合金的耐腐蝕性能。1854年至1859年，德國的本生、法國的德維爾和弗雷米、德國的貝雷爾，分別發現了金屬鉻對王水等強酸具有優良的耐酸性。
1872年，伍德和克拉克申請了一種合金專利，該合金含有30%~35%的鉻和少量的鎢，從而具有優異的耐酸性。
1889年，英國的萊雷發現鎳可以提高鋼的耐腐蝕性。
1908年，德國的蒙納茲（Monnarz）和博格斯（Borgels）發現鐵鉻合金的耐蝕性是由于“鈍化”現象，這是一個有趣的物理現象。他們在1911年發表的一篇論文中描述了許多關于不銹鋼耐腐蝕性能的形成原理。隨后，不銹鋼作為工業材料投入了實際應用。
1913年，英國的布萊爾利（Briarley）將馬氏體不銹鋼投入實際使用。
1914年，美國公司Danchizen將鐵素體不銹鋼商業化。
1914年，德國的毛雷爾和施特勞斯將奧氏體不銹鋼投入實用……
法拉第在研究烏茲鋼時跨出的一小步，終于帶來了人類應用不銹鋼的一大步。這時距離那位印度旅行者將大馬士革鋼從印度被帶到英國，已經過去了大約一個世紀。
然而，問題仍然存在。人類得到了不銹鋼，卻并沒有真正解開大馬士革鋼之謎。
不銹鋼基本上是一種含鉻合金，不生銹的秘訣是通過鈍化。但古印度大馬士革鋼不含鉻。此外，它是超高碳鋼，因此可以用來制作鋒利的武器。從現代科學來看，除非進行某種表面處理，否則它肯定會生銹。
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