互动科普

好几个世纪以前，工匠门就锻造了举世无双的钢刀。他们是怎样锻造的呢?笔者和一位铁匠已经找到了这个问题的答案。

 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——便是拥有某些人认为是世界上最好的宝剑的军队。

 大马士革钢刀最初被认为是在大马上革(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铁匠，即使在将样品带回国井并对它们详细分析之后，也仍未能将它们复制出来。大马士革钢刀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铜剑和匕首制作方法的每一个理，、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在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，名副其实的大马上革钢刀是用从印度运来的小块钢锭(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伍兹钢锭(武氏坩埚钢锭)或伍兹钢饼。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，伍兹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形成的。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，大马士革钢刀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各种复杂精细的复台材料。这种锻焊(即“托纹图案焊接”)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。但是这些技艺所产牛的内部结构完全不同于伍兹钢刀的内部结构。为避免混淆这两种类型的制造方法，我将锻焊钢刀称为“焊接的大马士革钢刀，而将“伍兹”大马上革钢刀这个术语用来称呼本文所研究的钢刀。

 早在l824年，法国人JeaI1RobertBreant(以及稍后的俄国人Pave Anosoff)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Oleg D Sherby提出了一种解答［参见科学美国人］1985年6期《大马士革钢》一文］。但是现代工匠在任何情况下部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。

 将现代伍兹钢刀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。一些剩余的断片后来又送到瑞士伯尔尼博物馆，最近该博物馆又将其中一部分断片捐赠给我进行研究。

 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(FC)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30～7O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止如树木的年轮在锯断的木上产生出特征性涡旋花纹图案一样，碳化物带中的波纹正足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，使大马士革钢刀既有坚硬的刀刃又有柔韧的刀身。

 我首先试图在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Alfred 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。l993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提出的方法制作钢刀，但是我们未能重现出大马士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士革钢刀，还能复制出被称之为穆罕默德梯于的花纹图案，人们曾在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。我们在个封闭坩埚中制作出一块具有精确组分的钢锭，然后将它锻造成刀的形状。我们的成功一一并且这种成功使我们能够比我们的前辈们前行得更远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中的一种(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．再冷却至室温、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，某杂质元素发生显微偏析。

 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志钢中，呈现出被称之为枝晶的松树枝状突出物，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品状铁枝晶，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杂质原子的晶格，它们像一串珍珠那样串在起。其后，当钢锭通过多次加热和冷却循环时，正是这些杂质原子健使牛长Ⅲ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。枝晶分枝之间的距离大约为0．5毫米，并且随着钢锭被锤薄和其直径缩，此距离也随之缩小，枝晶间的最终间距与大马士革钢中的带状物之问的距离十分吻合。

 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台物。当钢锭的温度降至某一临界点以下时．碳化铁颗粒(与我在Moser钢中所见到的相同的渗碳体颗粒)开始形成所有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Acrn温度，低于Acrn温度时，渗碳体颗粒便开始出现。在奥氏体铜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年个重要奥秘就是.在将一些小块铜键简单地锻造为一把刀的形状时，电如何能使破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键的断面进行了检验，均产生了这种变化。我们将一块铜键加热至铜可能形成海碳体和奥氏体混合物时的温度，然后锤打它，在对这块铜锭进行锻造的同时，它的温度将从低于Acrn大约50oC，下降到低于Acrn大约150oC。在这一冷却过程中，渗碳体颗粒所占的比例逐渐升高。然后我们让钢键在这两种温度之间经历又一次加热和锤击幡环。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)的一把钢刀 ，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2O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晶格排列起来，其原因在于每次衬铜加热时，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部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。由于杂质元素排现列在枝晶之间的区域内，因而碳化物顿性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。我们很快就确寇硅、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.但是这个信息并未解决这个难题。

 当我们开怡使用Sorel(索瑞尔)金属作为钢键的一种配料时.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闭上LacTio的---个大型钛铁矿矿床。该矿床中含有做量的钒。因而Sorel金属中便随之带有O.3-0.014%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%微量的现.便产生出较好的带状物。钼也能产生出所希望的效果，并且更低含量的铬，铜，锰等，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。电子探针微量分析巳经确认，在钢锭中存在O.O2%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属性显微偏析的结论，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。我们取出一些具有精美带状物的古代和现代钢刀的小片试样，并将官们加热至高于Acm温度约50oC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。然后我们将这些铜刀小片放入水中淬火哽化。这种连冷方式便产生出没有融化物颗性的钢的马氏体相一一极其坚硬和稳定。由于这些融化物颗粒化为乌有，因而也就设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铜刀小片加热至高于Acm50oC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。

 在有一次检验中，我们开始以大大超过Acm的温度(达到1200oC、恰好低于钢的榕点温度)进行加热并在读温度下保持四个小时。其后对铜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融化物颗粒或者带状物。当我们在同样的铜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。

 我们重新制作大马主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结图案的呢?我们的研究结果支持我们过去所提出的一个理论一一梯子横档产生于横穿钢刀上的切割向沟槽。在上图的最下面一幅照片中，肉眼可见的这种梯子状花纹圈案是通过将钢刀搬追到接近其最终厚度之后.在钢刀上切割一些小向槽所致。这种锻造缩小了最终茬面上、尤其是沿着这些拘捕边缘方向上的注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圃球构形，它们被称之为玫瑰花纹围案。这种图案是由于切割前槽的同时在铜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融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政从印度运抵的铜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铜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。

如何制作大马士革钢刀

技艺高超的工匠Alfred H，Pendray在他的佛罗里边州盖恩斯维尔锻工车间用实验验证了这种工艺技术

1组合配料，加入坩埚，包括高纯度铁，Sorel铁、木炭、玻璃碎片和绿树叶。铜筐中最后所含的碳和杂质元素的数量，取决于添加进该混合物中的铁、Sorel铁和木炭的比例。

2加热坩埚。在加热过程期间，玻璃融化，形成一种防止钢锭氧化的溶渣。树叶产生氢气，从而加速铁的碳化(渗碳)。将铁中的含碳量增加至1.5%，这有利于形成坚硬的碳化三角铁颗粒。这些颗粒累积为带状物，使大马士革铜刀表面具有其特征性的波形花纹图案。树叶和玻璃可以取消，但是如果不用它们，所制出的铜锭在锤打期间更容易产生裂纹。

3当坩埚冷却时，取出钢锭，它们很像古代人使用的伍兹铜饼（块）。

4将钢锭加热至一准确温度，Pendray正在使用烧煤气的炉子，调节其甲烷-空气的比例，以便最大限度地减少锻造期间氧化皮的形成。一般而言，所形成的表面氧化层大约有0，5毫米厚，最后研磨作业时必须将其完全清除掉。

5锻造钢锭（在它们仍然还热时用铁锤击打使之稍稍变形）.当钢锭变得过冷而发生变形但无裂纹出现时，将其加热并再次锻打。图中所示为铜锭的四个不同形态。每种形态都是经过若干次加热和捶打循环的结果.。可能需要单共大的50次循环才能由钢锭打制出刀的形状。这是一个高度劳动密集型工艺过程，Pendray使用的是一把现代气锤.也可使用手持式铁锤作业，但是要花费更长的时间.

7消除过量的钢和脱碳的表面金属，Pendray在这一步中使用了一台电动砂带磨床。

8如果需要的话，在铜刀麦丽切割沟槽和钻孔，以产生穆罕默德帽子状和政现花纹图案.再次锻打钢刀刃片并抛光其表面，使铜刀具有接近的最终形式。

9用酷蚀刻钢刀表面，便显示出花纹圈案。较软的钢变成暗色，而较硬的钢则表现为较为明亮的线条.成品钢刀显示出穆罕默德梯子状和玫瑰花纹图案。

赵学庆/译 木易/校