Stal damasceńska

Charakterystyczna faktura stali damasceńskiej na głowni perskiej broni białej

Stal damasceńska (staropol. „demeszka”, pot. damast) – historyczny rodzaj stali o charakterystycznej wzorzystej fakturze, stosowanej do produkcji broni białej. Stal damasceńska wyróżniała się wyjątkowo dobrymi właściwościami mechanicznymi, przewyższającymi pozostałe rodzaje stali znanej w tym okresie. Metoda uzyskiwania tego surowca uległa zapomnieniu w XVII w. i nie zachowały się szczegółowe opisy tego procesu, choć współcześnie podejmowane są próby jego odtworzenia. Współcześnie stal damasceńska często mylona jest z dziwerem, przypominającym ją jedynie wizualnie.

Charakterystyka

Badania próbek stali damasceńskiej wykazały, iż w jej strukturze występują regularne jasne domeny węgliku żelaza np. Fe₃C zwane cementytem i ciemne obszary perlitu, tworzące sieć warstw i wstążek układających się równolegle do siebie. Węgliki mają znacznie większą twardość niż sama stal węglowa. Występowanie domen węgliku umożliwia takie odkucie i naostrzenie głowni, że na jej ostrzu znajduje się jednolita wstążka węgliku i równolegle do niej rozmieszczone są dalsze jego warstwy i wstążki, których gęstość występowania stopniowo maleje wraz z odległością od ostrza. Taka struktura powoduje, że ostrze jest bardzo twarde i nie szczerbi się, przy jednoczesnym zachowaniu giętkości całej głowni. Domeny węgliku tworzą na powierzchni głowni charakterystyczny wzór. W trakcie badań w 2006 roku w stali damasceńskiej odkryto nanorurki, co może tłumaczyć jej wysoką wytrzymałość i twardość.

Przez jakiś czas wierzono, że stal damasceńska była produkowana w podobny sposób jak dziwer, wykorzystywany w Europie i Japonii do produkcji wysokiej jakości mieczy. Proces ten polegał na skuwaniu na gorąco i zawijaniu kilkudziesięciu kolejnych warstw stali o narastającej stopniowo twardości, a następnie wkładaniu tak przygotowanej głowni do kwasu solnego i ostatecznym szlifowaniu ostrza. Proces ten istotnie prowadzi do otrzymania na powierzchni faktury dość podobnej do stali damasceńskiej, co długo wprowadzało badaczy w błąd. Współczesne badania udowodniły, że stal damasceńska była wytapiana jednolicie, a głownie wykonane z tej stali nie wykazują nieciągłości struktury, które są nie do uniknięcia przy skuwaniu.

Historia

Nazwa pochodzi od Damaszku w Syrii, w którego okolicach istniały liczne warsztaty produkujące z tej stali miecze i szable o unikatowej w średniowieczu jakości. Białą broń ze stali damasceńskiej produkowano w latach ok. 900–1600 w krajach muzułmańskich, zwłaszcza na Bliskim Wschodzie. Powody zaniku jej produkcji w XVII wieku nie są do końca znane. Wiedza o stali damasceńskiej dotarła do Europy w czasie wypraw krzyżowych. Wśród rycerzy europejskich szybko rozpowszechniły się legendy o szablach z tej stali, którymi można było przecinać świece bez ich przewrócenia oraz szczerbić kamienie i miecze europejskie. Większość z tych legend była przejaskrawiona, niemniej jednak stal damasceńska istotnie przewyższała jakością swoje ówczesne odpowiedniki europejskie.

Proces produkcji stali damasceńskiej był objęty tajemnicą i nigdy nie został opanowany w Europie. Nie zachowały się żadne wiarygodne opisy tego procesu. Współczesne eksperymenty metalurgiczne, oparte na szczegółowych badaniach mikrostruktury tej stali, pozwoliły na opracowanie procesu technologicznego prowadzącego do uzyskania materiału o właściwościach bardzo zbliżonych do oryginalnej stali damasceńskiej.

Powstanie i rozwój

W trakcie produkowania tradycyjnej stali węglowej, która - z technicznego punktu widzenia - jest stopem węgla i żelaza, można zmieniać jej właściwości mechaniczne przez zmianę udziału węgla. Ogólnie, gdy w stopie występuje około 2% węgla, otrzymana stal jest twarda, ale krucha, mało odporna na zginanie i trudna w obróbce. Stal zawierająca około 0,5% węgla jest łatwo kowalna, giętka i miękka. Stal do produkcji broni białej powinna być jednocześnie twarda (nie szczerbić się), giętka (aby nie pękać) i w miarę łatwo kowalna, aby można było jej nadać pożądany kształt.

Kowale z Indii, prawdopodobnie około 300 p.n.e., odkryli metodę produkcji stali wysokowęglowej, o bardzo wysokiej czystości, uzyskiwanej dzięki dodaniu do stopu pewnych gatunków szkła, siarki i fosforu. Metoda ta rozpowszechniła się w Azji, dochodząc do terenów współczesnego Turkmenistanu i Uzbekistanu około roku 900, oraz na Bliski Wschód około 1000. Technologia ta była dalej rozwijana na tych terenach przez eksperymenty z kombinacjami lokalnych rud żelaza i różnych gatunków szkła.

Dość długo sądzono, że damast nie był wytapiany na miejscu, lecz importowany z Indii. Wykopaliska na terenie Turkmenistanu dowiodły jednak, że stal ta była wytapiana na miejscu, gdyż znaleziono resztki pieców hutniczych, w których zachowały się pozostałości stali o strukturze stali damasceńskiej. Mimo że nie natrafiono na podobne wykopaliska w okolicach Damaszku, nie ma powodu sądzić, że metody wytopu tej stali nie były znane także i tam. Z drugiej strony, badania mikrozanieczyszczeń wykonane przez Alfreda Pendraya, wskazują, że ich skład jest identyczny z zanieczyszczeniami rud żelaza pochodzących z północnych Indii. Może to sugerować, że wytop był dokonywany na miejscu, ale ruda i szkło były importowane z Indii.

Zanik technologii i próby jej odtworzenia

Z nieznanych powodów, metody produkcji stali damasceńskiej zostały zapomniane około roku 1600. Próbowano je odtwarzać w różnych miejscach, jednak bez pełnego powodzenia. W Rosji w pierwszej połowie XIX w. intensywne prace nad odtworzeniem metody produkcji stali damasceńskiej (zwanej tam bułat) prowadził Paweł Anosow. Jego stal, otrzymywana prawdopodobnie innymi metodami, ma szereg właściwości zbliżonych do oryginału. W latach 80. XX i na początku XXI wieku, pojawiło się kilka doniesień o eksperymentach, które doprowadziły do otrzymania stali o niemal identycznych właściwościach i strukturze stali damastu. Verhoeven i współpracownicy opublikowali w 1998 roku opis metody, polegającej na 10–20 cyklach wygrzewania stali niskowęglowej do temperatury o 100 °C poniżej temperatury przemiany austenicznej A_cm i chłodzenia jej do temperatury pokojowej, co prowadziło do spontanicznego powstania mikrostruktury przypominającej stal damasceńską. W 2018 r. opublikowali wyniki przeprowadzonych doświadczeń, z których wynikało, że wzór tworzy węglik żelaza, jego powstanie ma wpływ mają dodatki, głównie mikrosegregacja wanadu podczas cykli nagrzewania, kucia i chłodzenia. Podobną metodę opublikowali Wadsworth i Sherby w 1980 i później w 2001 roku.

Damast o niemal oryginalnych cechach jest otrzymywany współcześnie w procesie, który – zdaniem Alfreda Pendraya, Olega Sherby’ego i Jeffa Wadswartha – jest dość zbliżony do oryginalnego, na co wskazuje jego prostota i własności produktów. Badania mające na celu poprawę własności stali są prowadzone przez kilka zespołów metalurgów ze Stanów Zjednoczonych i Rosji, bo taki materiał może znaleźć wiele dochodowych zastosowań.

Bibliografia

• J.D. Verhoeven. Genuine Damascus steel: a type of banded microstructure in hypereutectoid steels. „Steel Research”. 73 (8), s. 356-365, 2002. 
• Eric M. Taleff, Bruce L. Bramfitt, Chol K. Syn, Donald R. Lesuer, Jeffrey Wadsworth, Oleg D. Sherby. Processing, structure, and properties of a rolled ultrahigh-carbon steel plate exhibiting a damask pattern. „Materials Characterization”. 46 (1), s. 11-18, 2001. DOI: 10.1016/S1044-5803(00)00087-5. 
• J.D. Verhoeven. A review of microsegregation induced banding phenomena in steels. „J. Materials Engineering and Performance”. 9 (3), s. 286-296, 2000. DOI: 10.1361/105994900770345935. 
• J.D. Verhoeven, A.H. Pendray, W.E. Dauksch. The Key Role of Impurities in Ancient Damascus Steel Blades. „JOM Journal of the Minerals, Metals and Materials Society”. 50 (9), s. 58-64, 1998. DOI: 10.1007/s11837-998-0419-y. 
• J.D. Wadsworth, O.D. Sherby. On the Bulat – Damascus steel revisited. „Prog Mater Sci”. 25, s. 35–68, 1980. DOI: 10.1016/0079-6425(80)90014-6. .