电磁感应之父 受托研究大马士革刀 随手就研究出合金钢

发布时间:2019-07-19 10:22:05

19世纪初,欧洲曾经掀起一场复原大马士革刀的热潮,许多铁匠、工程师、教授学者投身其中。

在这些狂热的大马士革刀迷当中,有一位铁匠的儿子,他认为乌兹钢大马士革刀之所以性能超群,关键就在于工匠冶炼乌兹钢时添加的各种辅料。这些特殊的辅料,改变了乌兹钢里边的微量元素,最终令钢材达到理想的硬度和韧性。

在这种思路的指引下,他往熔化的钢液里分别加入铬、镍、铂、铭、铜、金、银、铂,然后测试加入这些元素之后,钢铁性能的变化。其中加入铂金的实验,钢铁含铂量高达2.5%。这位实验者可不是一般的人,他的名字叫迈克尔·法拉第,没错,就是我们在中学物理上认识的那个法拉第,电磁感应之父,电学之父,交流电之父,发明了人类第一台发电机!

除了电学之外,法拉第还有另外一项重要的科学成就,合金钢之父!

△法拉第,合金钢之父

法拉第发现合金钢,有一定的偶然。他原本是受一位刀具商的要求,想要仿制大马士革钢。

大马士革钢刀因其坚韧锋利著称于世,特别是它通体美丽的花纹,备受欧洲人推崇。

△匠人工坊手锻大马士革刀

现有文献中,最早提到大马士革刀的是英国人莫克松。他在 1677 年 提 到, 旅行者从叙利亚大马士革带来的大马士革刀,是用质量最好的铸钢经过锻打得到的。

18 世纪晚期 ,在孟买东印度公司任职的斯科特发现,当地人把一种“蛋糕 ”形状的坩埚钢作为商品出售,也就是我们现在所说的乌兹钢锭。斯科特收购了一些这种坩埚钢锭,交给时任英国皇家学会主席的班克斯爵士。这开启了英国人关于乌兹钢和大马士革钢的研究热潮。

△匠人工坊手锻大马士革刀

班克斯将这些“蛋糕”形状的坩埚钢送回英国检验,希望搞清楚这种印度产坩埚钢高质量的秘密。皇家学会会员皮尔森首先投入了研究工作,并于1795年在英国皇家学会作了一个报告,第一次认识到这是一种钢而不是铁,并且首次使用“乌兹”(wootz)这个名词。

1804 年,冶金学家穆舍特从班克斯那里得到了5块乌兹钢锭。他详细描述了乌兹钢的外观,指出它锻造得如此之好,是因为高碳钢的缘故。

△匠人工坊手锻大马士革刀

1818 年,著名的刀具生产商斯托达特将班克斯的一块乌兹钢锭带回来,交给他的助手法拉第。法拉第检查了这种钢中是否含有铁与碳以外的元素,同时也分析了一块英国本地产的钢样品作对比实验。然后,他试图在实验室中通过加合金元素来复制这种乌兹钢。

为炼制各种合金钢,法拉第自己设计了一座小型炼钢炉,使用焦炭作燃料,通过一对手动的鼓风装置来鼓风,这座炼钢炉能够在12至15分钟内熔化钢料。

法拉第以当时通用的工具钢作基本材料,通过向熔化的钢液中添加各种元素制成各种合金钢。

被法拉第加入到钢液中的元素有铬、镍、铂、铭、铜、金、银、铂,并留下了详细的实验数据。

法拉第制作的合金钢,含铬最高量为2.3%,含镍最高量为2.2%,含铂最高量为2.5%,含锗最高量为1.6%,含铜最高量为2.79%,含银最高量为1%。有的合金钢中还同时加入了0.75%的金和2.1%的镍,所有的合金钢中都含有0.75%至1.5%的碳。

△匠人工坊手锻大马士革刀

法拉第把他冶炼合金钢的研究成果写成了论文,在1822年提交给英国皇家学会,其中比较重要的论文是1822年发表的《关于合金钢》。和论文一起交给皇家学会的,还有79块合金钢样品。他炼制的合金钢当中没有用到锰。这是因为直到1819年,法拉第才从矿物中提取到锰,可能是由于当时获得锰比较困难,而没有使用锰来炼制合金钢。

法拉第通过自己的实验,已经认识到合金钢的优良性质,并将其提供给sheiffeld的冶炼厂来制造刀具。原本法拉第还想开一家工厂来生产合金钢,但是由于负责商务联系的合伙人詹姆士·斯塔德特于1823年去世,而在同一时期法拉第又对电磁学产生了强烈的兴趣,对合金钢的研究就到此为止了。

法拉第是第一个系统研究合金钢并取得成就的科学家,他最早提出了向钢中添加某些元素来增强性能的概念。当初拿到他合金钢样品的sheiffeld冶炼厂,后来发明了锰钢和硅钢,从而促进了钢铁冶金的全面发展。

凭法拉第在合金钢研究方面的先驱地位,即使没有发现电磁感应定律,他也称得上是一位划时代的伟大科学家。

△匠人工坊手锻大马士革刀

法拉第对乌兹钢大马士革刀的研究,转向了合金钢,并导致合金钢的诞生。而其他一些科学家,还在孜孜不倦地研究复原乌兹钢大马士革刀。

阿诺索夫是19世纪俄罗斯著名的冶金学家,他利用金相显微镜研究中亚生产的布拉特钢,通过花纹的形成机制,来逆向推理大马士革钢的冶炼和锻造过程。

他于1840年左右宣称完全复制出了古代大马士革刀。但是阿诺索夫等19世纪科学家的原始实验研究文献大多缺失,因此整个20世纪,仍然有许多学者孜孜不倦地研究破解大马士革刀之谜。

△匠人工坊手锻大马士革刀

正如美国著名材料学家史密斯所说,从18世纪开始的对大马士革刀花纹显示机理的研究,促进了金属材料制作与加工从简单工艺走向科学,催生出了金相学,进而发展成为现代材料科学。

感谢您把这么长的一篇文章读完,能读到这里的基本对大马士革刀都是真爱。

其实对于现代人来说,收藏大马士革刀是一个门槛很高的兴趣爱好。你不但要能鉴别真假,鉴赏花纹,还要了解它的工艺和历史,还需要一定的经济实力。最要命的是,关于大马士革刀的制作工艺,至今有太多未解之谜,直到现在仍然争论不休。

大马士革刀就像一座冰山,越深入进入,就会发现它的背景知识庞大到令人惊讶。下一篇我会讲到手锻大马士革刀。从某种意义上说,乌兹钢大马士革刀,也应该算作手锻大马士革刀的一种,喜欢的点个关注,近期更新,不要错过!


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