فولاذ دمشقي

أجرت دراسة أخرى بحثًا في خصائص فولاذ دمشق المُصنّع من فولاذ 1075 وفولاذ 15N20، اللذين يحتويان على نسبة كربون متساوية تقريبًا، إلا أن فولاذ 15N20 يحتوي على نسبة ملحوظة من النيكل تبلغ 2% وزنيًا. ^{[ 27 ]} يُعرف فولاذ 1075 بقوته العالية، ولكن بمتانته المنخفضة، وبنيته المجهرية البيرليتية ، بينما يُعرف فولاذ 15N20 بمتانته العالية وبنيته المجهرية الفريتية. تم تحديد الخصائص الميكانيكية لصفائح فولاذ دمشق الناتجة في عينات ذات 54 طية أثناء الإنتاج، بالإضافة إلى عينات ذات 250 طية.

أظهرت اختبارات شاربي للصدمات ذات الشق V أن عينات الفولاذ المطوي 54 مرة تتمتع بصلابة صدمية تبلغ 4.36 جول/سم² ^، بينما تتمتع عينات الفولاذ المطوي 250 مرة بصلابة صدمية تبلغ 5.49 جول/سم² ^. وأظهر اختبار الشد أن مقاومة الخضوع والاستطالة لكلا العينتين كانتا متقاربتين، حيث بلغتا حوالي 475 ميجا باسكال و3.2% على التوالي. ومع ذلك، كانت أقصى قوة لعينات الفولاذ المطوي 54 مرة أقل بشكل ملحوظ من تلك الخاصة بعينات الفولاذ المطوي 250 مرة (750 ميجا باسكال مقابل 860 ميجا باسكال). أوضحت هذه الدراسة أن عملية الطي تؤثر بشكل كبير على الخواص الميكانيكية للفولاذ، حيث تزداد الصلابة مع زيادة عدد الطيات. ^{[ 27 ]} يُعزى هذا التأثير على الأرجح إلى ترقق وتحسين البنية المجهرية، ولتحقيق الخواص المثلى، ينبغي طي الفولاذ بضع مئات من المرات.

أظهرت دراسات أخرى أجريت على فولاذ دمشق المصنوع من أنواع أخرى من الفولاذ نتائج مماثلة، مؤكدةً أن زيادة عدد الطيات تزيد من مقاومة الصدمات والمتانة، وأن هذا التأثير يمتد إلى درجات حرارة أعلى. ^{[ 28 ]} كما قارنت هذه الدراسات الخصائص الميكانيكية لفولاذ دمشق بالمواد الأصلية، ووجدت أن خصائص فولاذ دمشق تقع بين خصائص نوعي الفولاذ المكونين له، وهو ما يتوافق مع خصائص المواد المركبة.

يمكن أن تؤثر معالجة وتصميم الصفائح والشرائح بشكل كبير على الخواص الميكانيكية. وبغض النظر عن درجة حرارة التطبيع والسائل الذي يُقسّى فيه الفولاذ، فإن مقاومة الصدمات لفولاذ دمشق، عندما تكون الصدمة عمودية على اتجاه الشريحة، تكون أعلى بكثير مما هي عليه عندما تكون الصدمة موازية لاتجاه الشريحة. ^{[ 29 ]}

يعود ذلك إلى آليات الفشل والكسر في فولاذ دمشق، حيث تنتشر الشقوق بسرعة على طول الفواصل بين طبقتي الفولاذ المكونتين له. فعندما يكون اتجاه الصدمة موازياً للأشرطة، تنتشر الشقوق بسهولة على طول فواصل الرقائق. أما عندما يكون اتجاه الصدمة عمودياً على الأشرطة، فإن فواصل الرقائق تكون محمية بشكل فعال، مما يؤدي إلى انحراف الشقوق وزيادة الطاقة اللازمة لانتشارها عبر المادة. لذا، ينبغي اختيار اتجاه الأشرطة بما يضمن الحماية من التشوه وزيادة المتانة.

خلال عملية صهر سبائك فولاذ ووتز، استُخدمت الكتلة الحيوية الخشبية والأوراق كمواد مضافة للكربنة، إلى جانب أنواع محددة من الحديد الغني بعناصر السبائك الدقيقة . ثم تُطرق هذه السبائك وتُشكّل إلى شفرات من فولاذ دمشق. تُشير الأبحاث الحديثة إلى إمكانية استخلاص أنابيب الكربون النانوية من الألياف النباتية، ^{[ 31 ]} مما يُفسر كيفية تكوّن هذه الأنابيب في الفولاذ. ويتوقع بعض الخبراء اكتشاف المزيد من هذه الأنابيب النانوية في آثار أخرى مع إجراء المزيد من التحليلات عليها. ^{[ 32 ]}

ذُكر أيضًا أن ووتز صُنع بعملية دمج مشترك باستخدام "شابورقان" (فولاذ صلب، يُرجح أنه حديد زهر أبيض) و"نارماهان" (فولاذ لين) على يد البيروني، ^{[ 33 ]} وكلاهما كانا شكلين من أشكال حديد الصهر عالي ومنخفض الكربون، أو حديد صهر منخفض الكربون مع حديد الزهر. ^{[ 34 ]} في مثل هذه الوصفة، لا حاجة لإضافة أي مواد نباتية لتوفير محتوى الكربون المطلوب، وبالتالي فإن أي أسلاك نانوية من السمنتيت أو أنابيب نانوية كربونية لم تكن ناتجة عن ألياف نباتية.

نشر فريق بحثي في ​​ألمانيا تقريرًا عام 2006 كشف فيه عن وجود أسلاك نانوية وأنابيب نانوية كربونية في نصل مصنوع من فولاذ دمشقي، ^{[ 35 ] [ 32 ] [ 36 ]} على الرغم من أن جون فيرهوفن من جامعة ولاية أيوا في أميس يشير إلى أن الفريق البحثي الذي أبلغ عن وجود أسلاك نانوية في فولاذ البوتقة كان يرى السمنتيت ، الذي يمكن أن يوجد بدوره على شكل قضبان، لذلك قد لا تكون هناك أي أنابيب نانوية كربونية في البنية الشبيهة بالقضبان. ^{[ 37 ]}

إن اكتشاف ما يُزعم أنه أنابيب نانوية كربونية في تركيبة فولاذ دمشق، إن صحّ، قد يدعم فرضية توقف إنتاج فولاذ ووتز نتيجةً لنقص مصادر الخام أو المعرفة التقنية، إذ يُرجّح أن يكون ترسب الأنابيب النانوية الكربونية ناتجًا عن عملية محددة يصعب تكرارها في حال تغيير تقنية الإنتاج أو المواد الخام المستخدمة تغييرًا جوهريًا. ^{[ 39 ]} ولم تؤكد دراسات لاحقة الادعاء بالعثور على أسلاك نانوية كربونية، وهناك جدل بين الأكاديميين حول ما إذا كانت الأسلاك النانوية المرصودة عبارة عن طوافات ممتدة أو قضبان مُشكّلة من كريات السمنتيت. ^{[ 37 ]}

لم تكن المحاولات الحديثة لتقليد هذا المعدن ناجحة تمامًا دائمًا نظرًا لاختلاف المواد الخام وتقنيات التصنيع، ولكن نجح العديد من الأفراد في إنتاج فولاذ بوتقة عالي اليوتكتويدي ذي نمط واضح مع وجود طبقات كربيد مرئية على السطح، بما يتوافق مع فولاذ دمشق الأصلي. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 40 ]}

نظرًا لأن تقنية اللحام النمطي المعروفة - وهي عبارة عن لحام نصل من عدة قطع مختلفة في الفرن - تُنتج أنماطًا سطحية مشابهة لتلك الموجودة على أنصال دمشق، فقد اعتقد بعض الحدادين المعاصرين خطأً أن أنصال دمشق الأصلية صُنعت باستخدام هذه التقنية. ومع ذلك، فإن الفرق بين فولاذ ووتز واللحام النمطي موثق تمامًا ومفهوم جيدًا اليوم. ^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]} يُشار إلى الفولاذ الملحوم نمطيًا باسم "فولاذ دمشق" منذ عام 1973 عندما كشف صانع السكاكين ويليام ف. موران عن "سكاكين دمشق" الخاصة به في معرض نقابة صانعي السكاكين . ^{[ 44 ] [ 45 ]}

يُصنع هذا "الفولاذ الدمشقي الحديث" من عدة أنواع من شرائح الفولاذ والحديد الملحومة معًا لتشكيل سبيكة ، ويُستخدم مصطلح "دمشقي" حاليًا (على الرغم من عدم دقته من الناحية الفنية) على نطاق واسع لوصف شفرات الفولاذ الملحومة بنقوش حديثة في هذا المجال. ^{[ 46 ]} تختلف النقوش باختلاف طريقة عمل الحداد على السبيكة. ^{[ 45 ]} تُسحب السبيكة وتُطوى حتى تتشكل الطبقات المطلوبة. ^{[ 45 ]} للحصول على لقب "حداد ماهر" من جمعية الحدادين الأمريكيين التي أسسها موران، يجب على الحداد أن يصنع شفرة دمشقية بحد أدنى 300 طبقة. ^{[ 47 ]}

نشر كل من جيه دي فيرهوفن وإيه إتش بيندراي مقالاً حول محاولاتهما ^{[ 48 ]} لإعادة إنتاج الخصائص الأساسية والبنيوية والبصرية للفولاذ الدمشقي. ^{[ 8 ]} وقد بدأوا بكتلة من الفولاذ تطابق خصائص فولاذ ووتز الأصلي من الهند، والذي تطابق أيضاً مع بعض سيوف دمشق الأصلية التي كانت متاحة لفيرهوفن وبيندراي.

كان معدن الووتز في حالة لينة مُلدّنة ، ببنية حبيبية وخرزات من كربيد الحديد النقي داخل كريات السمنتيت، نتيجةً لحالته فوق اليوتكتويدية . وقد سبق أن حدد فيرهوفن وبيندراي أن الحبيبات الموجودة على سطح الفولاذ هي حبيبات من كربيد الحديد، وكان هدفهما هو إعادة إنتاج أنماط كربيد الحديد التي شاهداها في شفرات دمشق من الحبيبات الموجودة في معدن الووتز.

على الرغم من إمكانية تشكيل هذه المادة في درجات حرارة منخفضة لإنتاج نمط دمشقي مخطط من شرائط كروية متداخلة من الفريت / البيرلايت والسمنتيت ، بطريقة مماثلة للفولاذ الدمشقي الملحوم بنمط معين، فقد كان يُعتقد أن أي معالجة حرارية كافية لإذابة الكربيدات ستؤدي إلى تدمير النمط بشكل دائم. ومع ذلك، اكتشف فيرهوفن وبيندراي أنه في عينات من الفولاذ الدمشقي الأصلي، يمكن استعادة النمط الدمشقي عن طريق التدوير الحراري ومعالجة الفولاذ حراريًا عند درجة حرارة معتدلة. ^{[ 49 ]}

وجدوا أن بعض العناصر المكونة للكربيدات، بما في ذلك الفاناديوم، لا تتشتت إلا عندما تصل درجة حرارة الفولاذ إلى مستويات أعلى من تلك اللازمة لإذابة الكربيدات. ولذلك، فإن المعالجة الحرارية العالية قد تزيل المظاهر المرئية للأنماط المرتبطة بالكربيدات، لكنها لا تزيل الأنماط الأساسية للعناصر المكونة للكربيدات.

يمكن للمعالجة الحرارية اللاحقة بدرجة حرارة منخفضة، عند درجة حرارة تكون فيها الكربيدات مستقرة مرة أخرى، أن تستعيد البنية عن طريق ربط الكربون بتلك العناصر، مما يتسبب في فصل الكريات السمنتيتية إلى تلك المواقع.

تسمح دورات التسخين والتبريد بعد التشكيل بتجمع الكربون على هذه الكربيدات المكونة، حيث يهاجر الكربون بسرعة أكبر بكثير من الكربيدات المكونة. وتؤدي دورات التسخين والتبريد المتتالية إلى زيادة حجم كريات السمنتيت عبر نضج أوستوالد . وقد وصف الباحثون أنفسهم، بالتعاون مع صانع الصلب نيكو هينينن، شكلاً بديلاً لتكوين الأنماط باستخدام نطاقات السمنتيت/الكريات في عام 2022. ^{[ 50 ]}

في روسيا، تُشير السجلات التاريخية إلى استخدام مادة تُعرف باسم فولاذ البولات في صناعة أسلحة قيّمة، بما في ذلك السيوف والسكاكين والفؤوس. ويُقال إن القيصر ميخائيل صنع خوذة من فولاذ البولات عام 1621. لا يُعرف الأصل الدقيق لفولاذ البولات أو طريقة تصنيعه، إلا أنه يُرجّح استيراده إلى روسيا عبر بلاد فارس وتركستان، وكان مشابهًا لفولاذ دمشق، وربما مطابقًا له. وقد نجح بافيل بتروفيتش أنوسوف في إعادة إنتاج هذه العملية في منتصف القرن التاسع عشر. كما أجرى وادزورث وشيربي أبحاثًا حول فولاذ البولات ^{[ 9 ]} ونشرا نتائجها عام 1980.

اكتشف فريق من الباحثين في جامعة دريسدن التقنية ، باستخدام الأشعة السينية والمجهر الإلكتروني لفحص فولاذ دمشق، وجود أسلاك نانوية من السمنتيت ^{[ 51 ]} وأنابيب نانوية كربونية ^{[ 35 ]} . ويقول بيتر باوفلر، أحد أعضاء فريق دريسدن، إن هذه البنى النانوية ناتجة عن عملية التشكيل ^{[ 32 ] [ 52 ] .}

يقترح ساندرسون أن عملية التشكيل والتلدين هي المسؤولة عن الهياكل النانوية. ^{[ 52 ]}

قام باحثون ألمان بدراسة إمكانية تصنيع فولاذ دمشقي عالي القوة باستخدام تقنيات التصنيع الإضافي بالليزر بدلاً من الطي والتشكيل التقليديين. ^{[ 53 ]} أظهرت العينات الناتجة خصائص ميكانيكية فائقة مقارنة بفولاذ دمشق القديم، حيث بلغت قوة الشد 1300 ميجا باسكال والاستطالة 10%.

قبل أوائل القرن العشرين، كانت جميع سبطانات بنادق الصيد تُصنع بتسخين شرائح ضيقة من الحديد والصلب وتشكيلها حول قالب . ^{[ 54 ] [ 55 ]} عُرفت هذه العملية باسم "التصفيح" أو "الدمشقي". ^{[ 54 ] [ 55 ]} اكتسبت هذه الأنواع من السبطانات سمعة سيئة بسبب ضعفها، ولم تكن مصممة للاستخدام مع البارود الحديث عديم الدخان، أو أي متفجرات متوسطة القوة. ^{[ 55 ]} نظرًا لتشابهها مع فولاذ الدمشقي، قام صانعو الأسلحة البلجيكيون والبريطانيون بتصنيع سبطانات عالية الجودة. ^{[ 54 ] [ 55 ]} تحمل هذه السبطانات علامة اختبار ، وهي مصممة للاستخدام مع ذخيرة ذات ضغط منخفض. ^{[ 54 ]} يصنع مصنعو الأسلحة الحاليون أجزاء المزلاج والأجزاء الصغيرة، مثل الزناد وأقفال الأمان، لمسدسات كولت M1911 من مسحوق الفولاذ السويدي، مما ينتج عنه تأثير دوامي ثنائي اللون؛ وغالبًا ما يُشار إلى هذه الأجزاء باسم "الدمشقي المقاوم للصدأ". ^{[ 56 ]}