С какими малоуглеродистыми сплавами железа приходится иметь дело археологу? Это:
- сыродутное железо, полученное прямым процессом (ссылка на подробное описание – в конце статьи) в сыродутных печах;
- фосфористое железо – то же сыродутное железо, полученное из богатых фосфором руд, с содержанием его в металле 0.3-1.2%;
- рафинированное железо, полученное одним из передельных процессов из чугуна – кричное железо, осмундское железо, пудлингованное железо и.т.п. – название зависит от конкретного метода получения;
- мягкая или ультрамягкая сталь, полученная одним из современных процессов (мартеновским, бессемеровским), причем стали 1870х, когда процесс только развивался, будут изрядно отличаться от сталей 1940х, а те, в свою очередь - от современных. Прежде всего количеством вредных для свойств стали примесей, причем ранние варианты зачастую могут иметь в своем составе той же серы больше, чем металл, выплавленный более старыми методами из той же руды.
По современной терминологии это все мягкая сталь. Но можно ли переносить свойства современного металла на старинный? Если посмотреть на показатели твердости, которые публикуют для многих находок, кажется что да. Но твердость – лишь один из многих показателей прочности материала. Давайте посмотрим, какова была разница в экспериментах, сравнивающих сыродутное железо, полученную прямым процессом среднеуглеродистую сталь и современную мягкую сталь. Определялись ударная прочность металла, сопротивление изгибу (в одной из серий экспериментов) и прочность на разрыв.
В качестве современной выступала мягкая конструкционная сталь S235JRG2 с содержанием углерода 0.17% – ближайшим отечественным аналогом будет ВСт3Кп2.
В качестве исторического железа выступали как реконструированные материалы, выплавленные в реплике печи 8го века (железо 0.05% углерода, фосфористое железо 0.2% углерода 0.6-1.1% фосфора, сталь 0.6% углерода), так и образцы, изготовленные из креплений крыши церкви 18 века (железо и сталь 0.6% углерода). Для последних было доказано, что они были изготовлены именно прямым процессом в сыродутной печи, а не одним из методов рафинации. Циклов опытов было два, оба были выполнены в 2014 году (опубликовано 2014 и 2015) венгерско-чешским и расширенным венгерско-чешско-польским коллективами. Форматы результатов немного отличаются, но здесь я постараюсь привести из к общему виду.
Как оказалось:
Во-первых, современное сыродутное железо, полученное в результате экспериментальных плавок в реконструированной средневековой печи и сыродутное железо 18 века вели себя совершенно одинаково в пределах разброса измерений на разных образцах. Что еще раз подтверждает качество реконструкции и то, что эксперимент вообще имеет смысл.
Во-вторых, ударная прочность средневековых материалов заметно меньше, чем современных. К сожалению, ученые работали с образцами нестандартного размера для теста Шарпи, поэтому сравнивать результаты напрямую со справочными нельзя. Итак, ударная прочность (поглощенная энергия удара Kv) сыродутного железа примерно вдвое меньше, чем у современной мягкой стали. И это неплохо! Дело в том, что из всех современных мягких углеродистых сталей, именно сталь с содержанием углерода в 0.17-0.22% обладает наибольшей ударной прочностью при комнатной температуре, при которой производились тесты. Она примерно в полтора раза превосходит по этому показателю современную мягкую сталь с содержанием углерода менее 0.05%, как в средневековых образцах. То есть реально отставание в ударной прочности при одинаковом содержании углерода – 30-50%.
С фосфористым железом все гораздо хуже, оно ведет себя фактически как чугун – отстает от современного ему железа примерно в 15 раз в ударной прочности. Проще говоря, гвоздь или нож из него сделать можно. Хороший меч или топор – нет.
Среднеуглеродистая сыродутная сталь, как и должна, имеет меньшую ударную прочность по сравнению с сыродутным железом, отставая от него в незакаленном состоянии примерно в 7 раз, и вдвое – в закаленном и отпущенном. (Отпуск проводился при температуре в 300 градусов, более-менее имитируя самоотпуск в массивных изделиях.) Что интересно, соотношение по сравнению с современными материалами обратное: в незакаленном состоянии разница будет меньше (около 5 раз), но в закаленном и отпущенном с низким отпуском – разница будет примерно втрое. (Прикидка по справочным данным для Ст1 и Ст6.) То есть закалка относительно больше улучшает свойства средневековой стали по сравнению с современной, вероятно - из-за более неравномерной структуры средневековой стали.
Микроструктуры металла: современная сталь, сыродутная сталь без закалки и с закалкой. Видно уменьшение зернистости структуры после закалки и отпуска и увеличение равномерности структуры.
В третьих: испытания на изгиб и разрыв. Тут довольно любопытно.
Современная сталь заметно более пластична – она удлиняется почти в два раза больше перед тем, как разорваться, но при этом предел пластичности отличается всего на 10-20% от сыродутного железа. То же показывают и испытания на изгиб. То есть, чтобы начать сгибать средневековое железо, надо приложить то же усилия, что и для современной мягкой стали. Но вот сломается оно в результате гораздо быстрее и при меньшей деформации. Сыродутная сталь мало отличается по пластичности от сыродутного железа, зато, как и должна, отличается большей жесткостью – то есть и согнуть, и сломать ее будет заметно труднее. И труднее, чем современную малоуглеродистую сталь.
Однако удельная энергия разрушения современной стали превосходит сыродутное железо примерно вчетверо, и только закаленная сыродутная сталь может с ней сравниться. Это делает знаменитое сообщение Полибия о гнущихся мечах кельтов еще менее вероятным: мало того, что согнуть в бою даже меч из мягкого металла так, что его можно будет выправить ногой, сложно – если только очень сильно бить плашмя. С учетом материалов (сыродутное железо, фосфористое железо и незакаленная сталь, очень редко - закаленная сталь), при сильных ударах мечи кельтов скорее сломались бы, чем согнулись. Недаром все находки согнутых кельтских мечей – ритуально поврежденные мечи из захоронений, а на бывших полях сражений находят именно сломанные клинки.
Так погнуть мечи в бою невозможно:
Фосфористое железо продолжает вести себя, как хрупкий материал. Оно жестче, чем просто железо, почти не деформируется под нагрузкой, превосходя в этом даже закаленную сыродутную сталь и современную малоуглеродистую сталь. Ломается оно при меньшей нагрузке, чем сталь, но разница всего около 10% с незакаленной и 20-25% с закаленной сталью. Вывод остается прежним – там, где нет ударных нагрузок, высокое содержание фосфора было зачастую на пользу. Это вполне совпадает и с археологическими находками, где оно встречается в гвоздях, скобах, в ножах и наконечниках копий в сочетании с железом и сталью – в виде сварного дамаска (pattern welding). Его механические свойства – тема следующей статьи.
А для мест и времен, где были доступны только руды с высоким содержанием фосфора, можно процитировать “Железо и сталь...” Бухвальда:
Кажется, что в тот период каждый датчанин был похоронен со своим хорошим (норвежской стали) ножом и с хорошим (норвежским) оселком для него…
Свои хорошие топоры датчане получали из Норвегии…
Основная причина того, что средневековые материалы настолько уступают современным – наличие в металле большого количества шлаков. Это около 6.5% для сыродутного железа, 6.8% для фосфористого железа и около 2% для сыродутной стали. Для сравнения, в современной стали их не более 0.3%.
Насколько можно вообще обобщать эти данные и какие из них можно сделать выводы?
Во-первых, для получения действительно хорошей стали средневековым кузнецам приходилось повторять процесс проковки не 2-5 раз, как для стали в этом эксперименте, а в несколько раз больше, с соответствующими потерями металла в процессе. Зафиксированный опыт японских кузнецов тому подтверждением, за снижение содержания шлака до десятых процента приходилось платить потерями 80% металла.
Во-вторых, даже такая сталь, которую в конце 18 - начале 19 века назвали бы односварочной, не является совсем уж плохой, особенно в закаленном виде. Да, она уступает сталям современным – но более дешевую среднеуглеродистую сталь лучшего качества научились делать не сразу даже после перехода к конвертерным процессам Бессемера и Мартена. Пришлось изрядно повозиться с вредными примесями. (Заметно более дорогую – да, можно было сделать. Многократные перековки либо тигельная технология.)
В третьих, и главных: главная особенность средневекового металла не в средних значениях механических параметров. Главное – их высокая неравномерность. Разброс значений в полтора раза на образцах, взятых из одного изделия – норма. Оттого – испытания, испытания, испытания. Испытывали готовые изделия, испытывали заготовки. И, наверное, самый первый тест – ударный. Били железными полосами по дереву и камню, рубили мечами палки, били ими плашмя… Все чтобы убедиться, что нет слабого места.
И в четвертых, именно такая неравномерность делает любое обобщение сложным. Однако на уровне "меч в бою проще сломать, чем согнуть" - вполне возможным.
Основные источники: Бухвальд 2005 "Железо и сталь...", Тиел и Гошек 2015 "Механические свойства средневекового железа...", Тиел et all 2014 "Роль узорной сварки..."
Подробности и точные ссылки – в карточке статьи на Kopist.site.
Подробности про прямой процесс можно прочитать здесь, про сталь из сыродутной печи - можно прочитать здесь.
Подписка, комментарий, лайк или репост помогут развитию канала! Спасибо!