ダマスカス鋼

別の研究では、炭素含有量がほぼ等しいが、15N20鋼には2重量％のニッケルが含まれている1075鋼と15N20鋼から製造されたダマスカス鋼の特性を調査した。^{[ 27 ]} 1075鋼は、パーライト組織を持ち、強度は高いが靭性が低いことで知られており、15N20鋼は、フェライト組織を持ち、靭性が高いことで知られている。結果として得られたダマスカス鋼積層体の機械的特性は、製造時に54回折り畳まれたサンプルと、250回折り畳まれたサンプルで評価された。

シャルピーVノッチ衝撃試験では、54回折り畳んだサンプルの衝撃靭性が4.36 J/cm ^2、250回折り畳んだサンプルの衝撃靭性が5.49 J/cm ²であることが示されました。引張試験では、両サンプルの降伏強度と伸びはそれぞれ約475 MPaと3.2%で類似していることが示されました。しかし、54回折り畳んだサンプルの最大強度は、250回折り畳んだサンプルの最大強度よりも著しく低くなりました（750 MPa対860 MPa）。この研究では、折り畳みプロセスが鋼の機械的特性に大きく影響し、折り畳み回数が増えるにつれて靭性が向上することが示されました。^{[ 27 ]}この効果は、微細構造の薄化と微細化によるものと考えられ、最適な特性を得るには、鋼を数百回折り畳む必要があります。

他の鋼材から作られたダマスカス鋼のさらなる研究でも同様の結果が得られ、折り畳みの数を増やすと衝撃強度と靭性が向上し、この効果は高温にも及ぶことが確認されました。^{[ 28 ]}また、ダマスカス鋼の機械的特性を元の材料と比較したところ、ダマスカス鋼の特性は2つの構成鋼の特性の中間に位置し、これは複合材料の特性と一致していることがわかりました。

積層材や帯の加工と設計も機械的特性に大きな影響を与える可能性がある。焼き戻し温度や鋼を焼入れする液体の種類に関わらず、ダマスカス鋼の衝撃強度は、衝撃が帯の方向に対して垂直な場合、衝撃が帯の方向に対して平行な場合よりも著しく高い。^{[ 29 ]}

これは、ダマスカス鋼の破壊および破断メカニズムに起因するもので、亀裂は2つの構成鋼の界面に沿って最も速く伝播します。衝撃が帯に平行に加わると、亀裂は積層界面に沿って容易に伝播します。衝撃が帯に垂直に加わると、積層界面は効果的に保護され、亀裂の伝播を妨げ、材料全体に亀裂が伝播するために必要なエネルギーが増加します。帯の向きは、変形を防ぎ、靭性を高めるように選択する必要があります。

ウーツ鋼のインゴットを得るための製錬工程では、木質バイオマスや葉が、微量合金元素を豊富に含む特定の種類の鉄とともに、浸炭添加剤として使用されていたことが知られています。これらのインゴットはさらに鍛造され、ダマスカス鋼の刃に加工されました。現在、カーボンナノチューブは植物繊維から得られることが研究で示されており、^{[ 31 ]}ナノチューブが鋼の中でどのように形成されたかが示唆されています。一部の専門家は、より詳細な分析が行われるにつれて、より多くの遺物からこのようなナノチューブが発見されると予想しています。^{[ 32 ]}

ウーツ鋼は、ビルニによって「シャブルカン」（硬鋼、おそらく白鋳鉄）と「ナルマハン」（軟鋼）を用いた共融プロセスで作られたとも述べられている^{[ 33 ]。}これらはどちらも高炭素および低炭素のブルーム鉄、または鋳鉄を用いた低炭素ブルームのいずれかの形態である^{[ 34 ]} 。このようなるつぼの製法では、必要な炭素含有量を提供するために植物材料を追加する必要はなく、そのためセメンタイトのナノワイヤーやカーボンナノチューブは植物繊維の結果ではない。

ドイツの研究チームは2006年に、ダマスカス鋼から鍛造された刃の中にナノワイヤーとカーボンナノチューブが存在することを明らかにした報告書を発表したが、 ^{[ 35 ] [ 32 ] [ 36 ]}、アイオワ州立大学エイムズのジョン・バーホーベンは、るつぼ鋼にナノワイヤーが存在すると報告した研究チームはセメンタイトを見ていたのであり、セメンタイト自体が棒状で存在できるため、棒状構造の中にカーボンナノチューブは存在しない可能性があると示唆している。^{[ 37 ]}

ダマスカス鋼の組成中にカーボンナノチューブが発見されたという主張が真実であれば、ウーツ鋼の生産が鉱石源の喪失または技術的知識の喪失により停止されたという仮説を裏付ける可能性がある。なぜなら、カーボンナノチューブの析出は、生産技術や使用される原材料が大幅に変更された場合に再現が困難となる可能性のある特定のプロセスに起因すると考えられるからである。^{[ 39 ]}カーボンナノワイヤーが発見されたという主張は、その後の研究で確認されておらず、観察されたナノワイヤーが実際に引き伸ばされた筏なのか、セメンタイト球状体から形成された棒状物なのかについては、学者たちの間で議論がある。^{[ 37 ]}

原材料や製造技術の違いにより、この金属を複製しようとする現代の試みは必ずしも完全に成功しているわけではないが、数人の個人が、表面に目に見える炭化物帯を持つ模様形成過共析るつぼ鋼を製造することに成功しており、これはオリジナルのダマスカス鋼と一致している。^{[ 8 ] [ 9 ] [ 40 ]}

よく知られているパターン溶接の技術（複数の異なる部品から刃を鍛接する技術）は、ダマスカス鋼の刃に見られるような表面模様を生み出すため、現代の鍛冶屋の中には、オリジナルのダマスカス鋼の刃はこの技術を使って作られたと誤って信じる者もいた。しかし、今日では、ウーツ鋼とパターン溶接の違いは完全に文書化され、よく理解されている。^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]}パターン溶接された鋼は、1973年に刀鍛冶のウィリアム・F・モランがナイフメーカーズ・ギルド・ショーで「ダマスカスナイフ」を発表して以来、「ダマスカス鋼」と呼ばれている。^{[ 44 ] [ 45 ]}

この「モダンダマスカス」は、数種類の鋼と鉄の薄片を溶接してビレットを形成し、現在では「ダマスカス」という用語（厳密には正しくないが）が、現代のパターン溶接鋼の刃物を指す言葉として広く受け入れられている。^{[ 46 ]}模様は、鍛冶屋がビレットをどのように加工するかによって異なる。^{[ 45 ]}ビレットは、必要な層数になるまで引き伸ばされ、折り畳まれる。^{[ 45 ]}モランが設立したアメリカブレードスミス協会でマスタースミスの称号を得るには、鍛冶屋は最低300層のダマスカスの刃物を鍛造しなければならない。^{[ 47 ]}

JD VerhoevenとAH Pendrayは、ダマスカス鋼の元素、構造、視覚的特徴を再現しようとした試みに関する論文を発表した^{[ 48 ] 。 [ 8 ]}彼らは、インドのオリジナルのウーツ鋼の特性に一致する鋼の塊から始め、それはVerhoevenとPendrayが入手できたオリジナルのダマスカス剣のいくつかにも一致した。

ウーツ鋼は軟らかく焼きなましされた状態であり、結晶構造を持ち、セメンタイト球状体の中に純鉄炭化物の粒が散在していた。これは過共析状態によるものであった。フェルホーフェンとペンドレイは既に鋼の表面の結晶が炭化鉄の結晶であることを突き止めており、彼らの目標はウーツ鋼の結晶からダマスカス鋼の刃に見られる炭化鉄の模様を再現することであった。

このような材料は低温で加工することで、パターン溶接ダマスカス鋼と全く同じように、フェライト/パーライトとセメンタイト球状帯が混在する縞模様のダマスカス模様を作り出すことができるが、炭化物を溶解させるのに十分な熱処理は、その模様を永久に破壊すると考えられていた。しかし、VerhoevenとPendrayは、真のダマスカス鋼のサンプルでは、​​鋼を中程度の温度で熱サイクルおよび熱操作することで、ダマスカス模様を回復できることを発見した。^{[ 49 ]}

彼らの研究によると、バナジウムを含む特定の炭化物形成元素は、鋼が炭化物を溶解させるのに必要な温度よりも高い温度に達するまで分散しないことがわかった。したがって、高温処理によって炭化物に関連する模様の視覚的な痕跡は除去できるが、炭化物形成元素の根本的な模様は除去できない。

その後、炭化物が再び安定する温度で低温熱処理を行うことで、炭素をこれらの元素と結合させ、セメンタイト球状粒子をこれらの場所に偏析させることにより、構造を回復させることができる。

鍛造後の熱サイクルにより、炭素は炭化物形成物よりもはるかに速く移動するため、これらの炭化物形成物上に炭素が凝集します。熱サイクルが進むと、オストワルド熟成によりセメンタイト球状体が粗大化します。セメンタイト/球状体の縞模様を利用した別のパターン形成法は、2022年に同じ研究者らが製鉄会社のNiko Hynninenと共同で発表しました。^{[ 50 ]}

ロシアの年代記には、剣、ナイフ、斧などの非常に価値の高い武器を作るために、ブラート鋼として知られる素材が使用されていたことが記録されている。ロシア皇帝ミハイルは、 1621年にブラート製の兜を作らせたと伝えられている。ブラートの正確な起源や製造工程は不明である。しかし、ペルシャとトルキスタンを経由してロシアに輸入された可能性が高く、ダマスカス鋼に似ており、おそらく同一であった。パヴェル・ペトロヴィチ・アノソフは19世紀半ばにその製法を再現することに成功した。ワズワースとシャービーもブラート鋼を研究し^{[ 9 ]}、1980年にその結果を発表した。

ドレスデン工科大学を拠点とする研究者チームが、ダマスカス鋼をX線と電子顕微鏡で調べたところ、セメンタイトナノワイヤー^{[ 51 ]}とカーボンナノチューブ^{[ 35 ]}の存在が発見された。ドレスデンチームのメンバーであるピーター・パウフラー氏は、これらのナノ構造は鍛造プロセスの結果であると述べている^{[ 32 ] [ 52 ] 。}

サンダーソンは、鍛造と焼きなましのプロセスがナノスケール構造の原因であると提唱している。^{[ 52 ]}

ドイツの研究者たちは、従来の折り曲げや鍛造ではなく、レーザー積層造形技術を用いて高強度ダマスカス鋼を製造する可能性を調査した。 ^{[ 53 ]}結果として得られたサンプルは、引張強度1300MPa、伸び率10%で、古代のダマスカス鋼よりも優れた機械的特性を示した。

20 世紀初頭以前は、すべてのショットガンの銃身は、鉄と鋼の細い帯を加熱してマンドレルの周りに成形することによって鍛造されていました。^{[ 54 ] [ 55 ]}このプロセスは「積層」または「ダマスカス」と呼ばれていました。^{[ 54 ] [ 55 ]}これらのタイプの銃身は弱点として知られており、現代の無煙火薬や中程度の威力の爆発物で使用することを想定していませんでした。^{[ 55 ]}ダマスカス鋼に似ているため、高級銃身はベルギーとイギリスの銃器メーカーによって製造されました。^{[ 54 ] [ 55 ]}これらの銃身にはプルーフマークが付けられており、軽い圧力の装薬で使用することを想定しています。^{[ 54 ]}現在の銃器メーカーは、コルト M1911ピストルのスライドアセンブリやトリガー、セーフティなどの小さな部品を、スウェーデン鋼の粉末から製造しており、渦巻き状の 2 色の効果を生み出しています。これらの部品はしばしば「ステンレスダマスカス」と呼ばれます。^{[ 56 ]}