Человечество и железные тысячелетия. Часть Первая
Сделан он Гришей, инженером-металлургом, т.е. человеком, который владеет темой, как настоящий специалист, а не как дилетант.
Поместился он в формате ЖЖ только в четырёх частях. Пришлось делить. Но прочесть стоит все четыре.
История Металлургии Железа и Прогресс в Вооружении
Во все эпохи война была сложным и затратным предприятием. Исход и особенности противостояния организованных групп вооруженных людей для решения вопроса власти, территории и ресурсов всегда зависел от того, какими средствами и умениями они обладали. Поэтому развитие технологий всегда шло бок о бок с войной и непосредственно влияло на ее облик.
Освоение железа
Метеоритное железо
Использование железа началось намного раньше, чем его производство. Иногда люди находили куски серовато-чёрного металла, попавшие на Землю с метеоритами — метеоритное железо, использовали их для изготовления оружия: перековывали в кинжалы или наконечники копий. Метеоритное железо было более прочным и пластичным, чем бронза, и дольше «держало» остроту лезвия. Однако, та же уникальность приводила к тому, что такое оружие оказывалось не на поле боя, а в сокровищнице очередного правителя.
American polar explorer Robert Peary shipped the largest piece of the meteorite to the American Museum of Natural History in New York City in 1897, it still weighed over 33 tons.
Постепенное распространение технологии обработки рудного железа по территории Передней Азии и Южной Европы начиная примерно с XIII века до н. э. привело к тому, что конкуренцию бронзе теперь мог составить относительно более дешевый и гораздо более распространенный металл. Вооружить металлическим оружием и доспехами стало возможно гораздо большее число воинов. Удешевление войны вкупе с применением металлических орудий привело к значительным изменениям в «геополитике» Древнего мира: на арену вышли новые племена, сокрушившие железным оружием аристократические государства владельцев колесниц и бронзовых доспехов. Так погибли многие государства на Ближнем Востоке, такая судьба постигла Ахейскую Грецию, которая была завоевана племенами дорийцев. Так происходит возвышение Израильского царства, одновременно наиболее могущественным образованием на Ближнем Востоке в ранний железный век становится Ассирийская держава.
Оружие, инструменты, утварь и украшения железного века
Диаграмма состояния сплавов железо-углерод
Материал, в обиходе называемый «железом», как правило, является сталью или чугуном и представляет собой сплав железа (Fe), как химического элемента, с углеродом (C). Кроме железа и углерода сплав содержит незначительные количества других химических элементов.
При концентрации углерода в сплаве менее 0,3 % получается мягкий пластичный тугоплавкий (температура плавления железа 1539 °C) сплав (низкоуглеродистая сталь), за которым и закрепляется название его основного ингредиента — железа. Представление о том железе, с которым имели дело наши предки, сейчас можно получить, исследовав механические свойства гвоздя.
При концентрации углерода в сплаве от 0,3 до 2,14 % сплав называется «сталью». В первозданном виде сталь походит по своим свойствам на железо, но, в отличие от него, поддается закалке: при резком охлаждении после нагрева до определённых температур сталь приобретает большую твёрдость.
При концентрации углерода в сплаве свыше 2,14 % сплав называется «чугуном». Чугун — хрупкий легкоплавкий сплав, пригодный для литья, но не поддающийся обработке ковкой. Чугун насыщен графитовыми включениями, делающими его неоднородным и механически непрочным. Температура плавления чугуна варьируется от 1150 до 1300 °C.
Технологии производства и обработки железа и сплавов
Для производства железа исторически применялось несколько технологий, которые можно расположить в хронологическом порядке.
Сыродутная печь
Первым шагом в зарождающейся чёрной металлургии было получение железа путём восстановления его из окиси. Железная руда перемешивалась с древесным углём и закладывалась в печь. При высокой температуре, создаваемой горением угля, углерод начинал соединяться не только с атмосферным кислородом, но и с тем кислородом, который был связан с атомами железа.
Сыродутным этот способ назывался из-за того, что в горн подавали ("дули") холодный ("сырой") атмосферный воздух. Печи представляли собой ямы, вырытые на склонах холмов, чтобы можно было иметь естественную тягу. Производство стали всегда было непосредственно связано с подводом достаточного количества воздуха. Позднее, естественная тяга была заменена искусственной- воздух нагнетался в печь с помощью. Сыродутный процесс не обеспечивал достижения t плавления железа (1537 градусов по Цельсию), а максимально доходил до 1200 градусов (это была своего рода «варка» железа). Восстановленное железо концентрировалось в тестообразном виде на самом дне печи, образуя так называемую горновую крицу — железную губчатую массу с включениями несгоревшего древесного угля и с многочисленными примесями шлака (при этом в более совершенных вариантах сыродутных печей жидкий шлак выпускали из горна по желобу).
Крицу потом снова разогревали и подвергали обработке ковкой, выколачивая шлак из железа. Полученный брусок железа (в котором всё же оставалось 2—4 % шлака) назывался «кричной болванкой».
Долгое время ковка была основным процессом в технологии производства железа, причём, с приданием изделию формы она была связана в последнюю очередь. Ковкой получался сам материал. Но во время ковки при высокой температуре выгорал угллерод и получался мягкое обезуглероженное железо.
Сталь производилась уже из готового железа путём насыщения углеродом последнего. При высокой температуре кузнец помещал железную заготовку в раскаленный уголь на и в течении многих часов углерод пропитывал железо. Чем больше было насыщение углеродом, тем твёрже оказывалась сталь после закалки.
ТВЕРДАЯ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТАЯ сталь была издревле известна человечеству, её получали двумя путями - насыщая поверхность кованого кричного железа углеродом (процесс цементации) или переплавляя в высокотемпературных тиглях с добавлением углерода (тигельная сталь).
Ни один из перечисленных выше сплавов не обладает таким свойством, как упругость. Железный сплав может приобрести это качество, только если в нём возникает чёткая кристаллическая структура, что происходит, например, в процессе застывания из расплава. Проблема же древних металлургов заключалась в том, что расплавить железо они не могли. Для этого требуется разогреть его до 1540 °C, в то время как технологии древности позволяли достичь температур в 1000-1300 °C.
Таким образом ни железо, ни сталь сами по себе для изготовления оружия не годились. Орудия и инструменты из чистого железа выходили слишком мягкими, а из переуглероженной стали — слишком хрупкими.