Реферат Развитие человеческой цивилизации
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
ВВЕДЕНИЕ
В истории цивилизации есть вехи, без которых трудно представить развитие человеческого общества. Когда-то, много тысяч лет назад, наши далекие предки научились добывать огонь. По словам Ф. Энгельса, овладение огнем «впервые доставило человеку господство над определенной силой природы и тем окончательно отделило человека от животного царства». Затем люди начали заниматься скотоводством, стали выращивать злаковые растения и, наконец, сделали еще один значительный шаг в своем движении вперед — открыли тайну превращения руды в металл.
Овладение металлургией — искусством добывать, плавить и обрабатывать металлы — заметная веха в биографии человека, стоящая в одном ряду с приручением им огня, возникновением скотоводства и земледелия. Именно металлургия, зародившаяся, как свидетельствуют археологические раскопки, в седьмом тысячелетии до нашей эры и относящаяся поэтому к числу древнейших областей человеческой деятельности, дала мощный толчок развитию производительных сил, обеспечила людей металлами и сплавами, сыгравшими решающую роль в становлении материальной культуры. Ее случайно этапные периоды в жизни человечества названы историей по преобладавшим в то время металлическим материалам: эпоха меди, бронзовый век и век железный.
С момента зарождения до наших дней металлургия прошла долгий, сложный, интересный путь — от пламени костра и простейших горнов, превращавших на заре цивилизации рудные камни в металлические крицы, до современных гигантских цехов и заводов, где наряду с традиционными пламенными печами действуют мощные электрошлаковые, электронно - лучевые и плазменные установки, позволяющие получать металл высокого качества.
1 ПЕРИОДЫ УПОТРЕБЛЕНИЯ СПЛАВОВ
В самых различных частях Старого Света в эпоху раннего металла можно выделить три основных периода: 1) использования изделий только из чистой меди, 2) сочетания чисто медных изделий с предметами из искусственных сплавов и 3) распространения предметов исключительно из искусственных сплавов.
Удалось установить и общую закономерность: первый период — господства изделий из чистой, без искусственных приплавов меди — всегда предшествовал прочим двум, тогда как эти последние могли меняться местами. Но, если в обиходе того или иного племени или народа появлялись искусственные бронзы, период чистой меди уходил безвозвратно.
Выявилось и еще одно интересное обстоятельство: в Старом Свете не существовало единого и синхронного для всех областей периода бытования чистой меди. Например, этот этап для ближневосточных металлургов кончился в IV тысячелетии до н. э. В это время уральские племена жили еще в веке камня, а употреблять орудия из искусственных бронз они начали лишь в середине II тыс. до н. э., т. е. минимум на 2000—1500лет позднее. Для населения же ряда областей Африки и Азии век металла вообще наступил чуть ли не в новое время.
Для Старого Света сегодня можно лишь очень грубо провести границу между эпохами меди и бронзы: переход свершился в значительном хронологическом промежутке между IV и серединой II тысячелетия до н. э. Раньше IV тыс. никаких сведений в литературе о наличии искусственных бронз нет, а позднее середины II тысячелетия ни один из известных нам горно - металлургических центров не производит орудий, изготовленных исключительно из чистой меди.
Неожиданно оказалось, что в добронзовый период знали не только медь. Первенство вместе с медью спешит завоевать и свинец. До сих пор историки металлургии считали, что этот мягкий серый металл привлек внимание человека сравнительно поздно — не раньше III тысячелетия до н. э.
Совсем иначе оценивали древность золота и серебра. Серебро и особенно золото сплошь и рядом встречаются в месторождениях в виде самородков. Однако пока что сведений о находках, датируемых ранее чем V тысячелетие, у археологов нет.
Однако же и медь не была достаточно совершенным материалом. Гораздо прочнее меди оказалась бронза - сплав меди с оловом. Первый полученный человеком сплав дал название целой эпохе в развитии человеческой цивилизации — на смену каменному веку пришел век бронзовый. Бронзовые орудия постепенно вытеснили медные. Топор из бронзы лучше рубил деревья и реже тупился. Меч из бронзы был гораздо надежнее в бою.
Характерно, что кочевые племена научились выделке металла у своих оседлых соседей, но до больших высот в этом деле не поднялись. Они обрабатывали металлы самым примитивным способом. Вместо клещей кусок металла удерживали расщепленной палкой, наковальней и молотом служили два гладких камня, причем "молот" иногда не имел даже рукоятки, а был закреплен на ремне. Разумеется, такими инструментами хорошие орудия не сделаешь.
Совершенно иное встречаем мы в странах древней культуры — в Северной Африке, в западной и восточной частях Малой Азии, на побережье Средиземного моря. Так, египтяне, вынужденные бороться с неблагоприятными климатическими условиями, используя бронзовые орудия, сумели создать огромную систему искусственного орошения — вырыли каналы и огромные водоемы. Искусственное озеро Мерис, например, имело в окружности несколько сот километров.
Выплавка металлов в этих странах была, бесспорно, совершеннее, но и она оставалась на крайне низком технологическом уровне. В примитивных горнах, не обеспечивавших высокой температуры, меди из руды выплавлялось очень мало. Можно с уверенностью считать, что на заре металлургии больше половины металла так и оставалось в руде и выбрасывалось вместе с ней в отвалы. Для того чтобы получить несколько килограммов меди, приходилось вести плавку целый день.
Сопряженное с немалыми затратами труда получение металла определяло и очень высокую его стоимость. Особенно дорогой была бронза — ведь необходимое для нее олово было в древности большой редкостью. Владеть бронзовыми орудиями могли только очень богатые люди. Поэтому медь и даже бронза не вытеснили вовсе орудия каменные. При постройке знаменитых египетских пирамид, наряду с медными и бронзовыми долотами, огромные блоки обтесывали и каменными рубилами. А простой народ в обиходе вообще пользовался только каменными орудиями. Окончательно камень уступил место металлу только с появлением в руках человека нового материала, определившего все дальнейшее развитие цивилизации. Этим материалом оказалось железо.
Ученые до сих пор не могут прийти к единому мнению о том, каким образом люди научились выплавлять железо. В естественном, самородном виде оно почти не встречается. Существует гипотеза, что первое железо, которое получили люди, досталось им с неба - в метеоритах. Одно из оснований для такой гипотезы — название металла у разных народов. Так, у древних египтян железо называлось "вааепере", что означает "родившееся на небе". Древние копты называли его "камнем неба".
Но железные метеориты достаточно редки, вероятность отыскать их крайне мала. А ведь необходимо было не только найти метеорит, но и догадаться выковать из него изделие. Очевидно, железо пришло к людям, в основном, все - таки вполне земным путем. Возможно, в те же горны, где выплавлялась медь, попадали куски железной руды, и мастера, в конце концов, догадались, что из этого темного вещества можно изготовить гораздо более крепкие ножи, топоры и мечи, чем из бронзы.
Достоверно одно: очень долгое время железа было так мало, что ценилось оно гораздо дороже золота. Среди уцелевших до нас сокровищ египетских пирамид, где золота — тонны, ученые нашли всего лишь несколько украшений из простого железа. Только очень богатые люди могли иметь железные кольца или броши. А один восточный деспот даже издал закон, под страхом смертной казни запрещавший всем, кроме него самого, разумеется, носить железные украшения. Древнегреческий географ и историк Страбон писал о некоторых африканских народах, которые за железо давали в десять раз больше золота по весу. В "Одиссее" Гомера рассказывается, что победителю спортивных состязаний в награду вручали кусок золота и кусок железа. Один из египетских фараонов просил короля хеттов прислать ему железо в обмен на золото. Так продолжалось до тех пор, пока люди не нашли дешевый и производительный способ изготовления железа. После этого оно начало быстро падать в цене, и уже не украшения делали из него, а топоры, лопаты, мечи, ножи, кольчуги...
На земле наступил железный век.
2 ВЕК ЖЕЛЕЗА
В отличие от серебра, золота, меди и других металлов железо редко встречается в природе в чистом виде, поэтому оно было освоено человеком сравнительно поздно. Первые образцы железа, которые держали в руках наши предки, были неземного, метеоритного происхождения. При раскопках Эль - Обейда (Судан) и Ура (Мессопотамия) были найдены два предмета из метеоритного железа, которые относят к IV—III векам до н. э. Среди археологических находок у ацтеков Мексики, индейцев Северной Америки, эскимосов и племен, не знавших способов извлечения железа из руд, часто встречаются изделия из железа метеоритного происхождения. Причем это не только украшения, но и предметы быта. В XVII веке до н. э. египтяне применяли магнитные иглы, указывающие на юг, зеркала из полированного железа.
Использовать метеоритное железо было непросто, оно куется только в холодном состоянии. Сохранилась легенда о том, как эмир Бухары приказу своим лучшим оружейникам отковать меч из куска «небесного железа». Как ни старались кузнецы, у них ничего не получилось. За невыполнение приказа эмира кузнецы поплатились жизнью. А дело было в том, что при нагревании метеоритное железо становится хрупким...
То, что железо, с которым люди познакомились впервые, «упало с неба», подтверждает суеверный запрет у некоторых народов его использовать и даже прикасаться к нему. Римским и сабинским жрецам было запрещено дотрагиваться до железа, потому что они брились только бронзовыми бритвами и стриглись бронзовыми ножницами. Всякий раз, когда в священную рощу арвальских братьев в Риме вносили железный гравировальный инструмент, чтобы высечь на камне надпись, нужно было принести искупительную жертву в виде ягненка или свиньи. Народность бодуви, живущая на острове Ява, до сих пор не использует при вспашке полей железных орудий.
Запрет прикасаться к железу напоминает восточные законы, запрещающие прикасаться к верховным правителям, считавшимся священными.
Известно, что под страхом смертной казни запрещалось притрагиваться к сиамскому владыке, без особого разрешения никто не имел права прикасаться к королю Камбоджи. Однажды, когда он выпал из перевернувшегося экипажа, никто из его свиты не осмелился ему помочь. Он долго лежал без чувств на земле, пока его не поднял подоспевший к месту происшествия европеец и не привел во дворец...
Когда же человек научился получать железо и руды? Ответить на этот вопрос трудно: ведь железный век наступил отнюдь не сразу и не благодаря отдельному открытию одной выдающейся личности в одном месте, как это полагали древние и как до недавнего времени считали многие историки металлургии. Археологические находки железа, относящиеся ко II тысячелетию до н. э., а также упоминания о нем в древних документах часты. Около 1800года до н. э. царь Пурушханды передал хеттскому правителю Аниттасу символы верховного владычества — железный трон и железный скипетр. Сохранилось письмо Тушратты, царя северомессопотамского государства Митании, фараону Аменхотепу III (XV век до н. э.), извещающее о посылке ему в дар кинжала с железным клинком. У хеттов наиболее важные документы вырезались на железных табличках. Хеттские законы устанавливали цену на железо. Оно стоило в 6400раз дороже меди, в 20раз дороже серебра, в 5раз дороже золота. В конце бронзового века железо широко распространяется и становится гораздо дешевле. В документе XIII века до н. э. из Угарита (территория сегодняшней Сирии) железо уже лишь в 2раза дороже серебра.
Г.Е. Арешнян из Ереванского государственного университета сравнительно недавно сделал интереснейший анализ упоминаний железа в «Илиаде» и «Одиссее». Сам Гомер жил в железном веке, но его эпос относится к Микенской Греции бронзового века. Железо, как замечает Г.Е. Арешнян, у Гомера несет три основные нагрузки. Во–первых, оно фигурирует в качестве «небесного металла», «металла богов» - ось колесницы Геры и Ворота Тартара (олимпийского ада) сделаны из железа.
Во-вторых, железо – сокровище. Троянские вожди, попав в плен, предлагают за себя выкуп «много и меди, и злата, и хитрых изделий железа». В–третьих, железо, так же как и в наше время, используется для сравнений. Гекуба, обращаясь к Приаму, восклицает: «у тебя ль не железное сердце?»
Таким образом, греки бронзового века и народы Древнего Востока были хорошо знакомы с железом. Но было ли это железо, полученное из руды? Установлено, что в природе все же встречается самородное железо. Крупное скопление его найдено, например, на южном берегу острова Диско у берегов Гренландии. Оно залегало в базальте в виде блесток, зерен и даже мощных глыб. В отличие от метеоритного железо самородное содержит гораздо меньше никеля, очень мало углерода.
И все - таки Г.Е. Арешнян утверждает, что древние греки получали железо из руды. Он обращает внимание, что Гомер постоянно прилагает к железу эпитет, который Н.И. Гнедич переводит как «хитрое изделие», «красивое изделие», но дословно оно означает «многотрудное», изготовленное с большим трудом. Есть другие доказательства в пользу распространения выплавки железа из руд в конце бронзового века.
Несмотря на то, что процесс изготовления железа был, безусловно, известен во II тысячелетии до н. э., железный век начался гораздо позднее. Известно, что первое железо было часто мягче бронзы. Потребовалось еще много сотен лет, чтобы люди нашли способ сделать железо более твердым и заменить им каменные, деревянные и бронзовые орудия.
На Переднем Востоке, в Закавказье и в Восточном Средиземноморье переход к массовому железному производству произошел только в XII—XI веках до н. э. С этого времени и начинается «век железа», который продолжается до сих пор.
Правда, к массовому производству железа в разных странах приступали в разные времена. В Египте полная смена каменных орудий железными произошла в 671году до н. э. после завоевания его Ассирией. Примерно в то время начался железный век в Индии, а через 100лет — и в Китае. На территории Советского Союза широкое производство железа началось в VII веке до н. э. и в V—IV веках до н. э. достигло расцвета.
Трудно найти другой какой-либо металл, с которым так тесно был бы связан технический прогресс. Уже несколько веков производство железа, чугуна и стали является показателем технического и экономического развития государства, его общей культуры.
3 ДОРОЖЕ ЗОЛОТА
"В бою железо дороже золота" — гласит татарская пословица. И русские говорили: "При рати железо дороже золота. Железом и золото добуду".
Имеются веские доказательства того, что было время, когда железо ценилось дороже золота.
В Египте в период Древнего и Нового царства железо первоначально применялось в основном для ювелирных изделий — амулетов и украшений. Еще в XIV веке до н. э. железо считалось драгоценным металлом и из него, как и из золота, изготовляли украшении. Железо наряду с золотом и серебром входило в состав дани, которую платили покоренные народы Ассирии в IX веке до н. э.
Известно, что женщины многих африканских племен носили на руках и на ногах железные кольца. Жены богатых людей несли на себе иногда чуть ли не целый пуд таких украшений. Невесту одного из негритянских племен Западной Африки так нагружали железными украшениями, что она не могла двигаться без посторонней помощи.
Туземцы Африки и островитяне экваториального пояса почти до середины XIX века считали железо дороже всех металлов.
Английский мореплаватель XVIII века Джеймс Кук рассказывал, что на всех островах Полинезии, известных ему, любимым подарком для жителей было железо. Спутники Кука говорили, что за один крупный гвоздь туземцы охотно давали несколько ярдов местной ткани, а за десяток железных костылей моряки получали десять свиней. Кук приводит пример, как один из вождей на о. Таити, имея у себя два гвоздя, получал за них довольно значительный доход. Он ссужал эти гвозди для пробития отверстий в тех случаях, когда другим способом сделать это не удавалось.
В конце XVIII века русский просветитель В. Певшин писал в своем "Словаре коммерческом": "Если бы цена вещей определялась по их полезности, железо должно бы считаемо быть драгоценнейшим из металлов.
Нет художества, ни рукомесла, в котором не было бы оное необходимо, и надобно бы целые книги наполнить одним описанием таковых вещей".
4 ПОЧЕТНАЯ ПРОФЕССИЯ
В старину кузнец, он же металлург, при сыродутном процессе получал железо и превращал его в изделие. Людей поражало, что кузнец делал ценные вещи из куска какого - то бурого камня. Поэтому многие народы считали кузнеца "вещим человеком", чуть ли не чародеем. Нередко эта профессия была очень почетной.
"С кузнецом не положено на "ты" говорить, — уважительно отмечает финская поговорка. "Тысяча ударов портного — один удар кузнеца", — почтительно говорили узбеки.
Самыми уважаемыми людьми были кузнецы у различных первобытных племен Африки. Немецкий этнограф Ю. Липс сообщает, что даже царям африканских государств южнее Сахары часто было совершенно необходимо знать кузнечное дело. В средние века в одном из больших государств на территории Конго всякий феодал, который хотел стать царем, должен был доказать, что он хороший кузнец.
У азиатских народов, например у бурят, кузнецом мог стать только тот человек, среди предков которого уже были кузнецы. Обыкновенный человек не мог так просто взяться за это священное ремесло. О происхождении этого занятия рассказывает древний бурятский миф. В нем говорится о тяжелых временах, когда человечество, еще не зная железа, влачило жалкое существование. Но вот однажды тенгри или добрые духи, решили послать на землю бога Божинтия и его девять сыновей, чтобы те научили людей священному ремеслу. Бог вскоре вернулся на небо, а его сыновья женились на дочерях человека, и их первые ученики стали предками всех кузнецов. У бурят кузнецы принадлежали к высшему классу общества, их освобождали от уплаты налогов и считали как бы сродни богам. У монголов дархаты — это кузнецы в звании, соответствующем рыцарскому.
Интересно отметить, что единственным "рабочим" среди богов различных религий был бог-кузнец: Гефест — у греков. Вулкан — у римлян, Сварог — у славян.
Древняя Индия славилась искусством своих металлургов. О выплавке железа в Индии говорится в Ригведах — священных книгах, относящихся примерно к XIII — XII векам до н. э. Таким образом, ко времени создания колонны металлургия Индии имела, по крайней мере, полуторатысячелетнюю историю, и железо стало таким обычным, что его употребляли для изготовления плугов. Строители храма Солнца в Канараке сделали железный каркас здания. Плиты стен храма скреплены железными прутьями и клиньями, потолок основного зала держится на металлических балках длиной 10метров и в поперечнике 20сантиметров. Одни из них кованые, другие сварены холодным способом из широких железных полос.
Историки сообщают, что применявшиеся при сооружении египетских пирамид орудия из железа для обработки камня изготовляли в Южной Индии, которая вела оживленную торговлю с Римом, Египтом и Грецией. Индия настолько была известна на Востоке своими изделиями из стали, что у персов в разговоре о чем-нибудь излишнем и ненужном бытовала поговорка: "В Индию сталь возить".
Известен памятник иранской архитектуры XIV века — купольный мавзолей — мечеть Ольдшайту - хана в Султании. Мечеть была декорирована мозаикой из разноцветных глазурованных и люстровых плиток. Главной достопримечательностью мавзолея были двери гробницы хана, сделанные из тончайшей индийской стали. Из стали была сделана и решетка "толщиной в руку", окружавшая могилу Ольдшайт - хана. Она, якобы, была изготовлена из одного куска стали, и в Индии над нею трудились более семи лет.
А теперь вернемся к железной колонне. Наверное, читателей интересует вопрос — как же была изготовлена она?
Некоторые считают, что современные металлурги до сих пор не научились делать ничего подобного. Это не так. В наши дни научились делать и нержавеющую сталь, и железо такой чистоты, какой не знали древние металлурги. И все - таки искусство старинных мастеров достойно восхищения.
По вопросу о способе изготовления замечательной колонны до сих пор нет единого мнения. Некоторые авторы заявляют, что она была отлита — это менее всего вероятно. Другие считают, что при выплавке "на глазок", как это бывало в древности, возможны очень большие отклонения в качестве металла. Вот, дескать, одним из таких исключений и могла быть колонна. Третьи предполагают, что колонна изготовлена методом сварки отдельных криц массой по 36килограммов и последующей их проковки.
По мнению одного специалиста, древние металлурги для получения чистого железа растирали губку сварочного железа в порошок и просеивали его. А потом полученный чистый порошок железа нагревали до красного каления и под ударами молота его частицы слипались в одно целое — сейчас это называется методом порошковой металлургии. Из таких кусков железа, возможно, и составлена огромная колонна в Дели.
5 ОТ КРИЦЫ К СЛИТКУ
Железо — тугоплавкий металл, температура его плавления 1539°С. Такой высокой температуры долгое время достигнуть не могли. Предпосылкой широкого распространения железной металлургии было открытие сыродутного процесса, осуществляющего восстановление железа из руды при температуре порядка 900°С. Для перехода от меди и бронзы к железу это имело большое значение. Выплавка меди из руды представляла более сложный, чем выплавка железа: она требовала более высоких температур и необходимости выпуска жидкого шлака из печи. Кроме того, медные рудники были уже истощены и не могли обеспечивать металлом потребности общества. Железные руды к этому были хорошо известны, они находились на поверхности земли. Это были бурые железняки, озерные и другие легко восстанавливающиеся руды.
Для приготовления железа руда дробилась и обжигалась на открытом огне. После этого руду и древесный уголь слоями складывали в яму или каменный горн, в который продували воздух. В связи с тем, что «сырой» (не подогретый) воздух продувался через порцию руды и угля, процесс уже в наше время назвали сыродутным. Продувку в древние времена осуществляли так. Брали длинные полые стебли лотоса или бамбука, вставляли их в отверстие внизу горна и, напрягая легкие, дули изо всех сил. Но человеческие легкие оказались слишком, чтобы обеспечить нужный поток воздуха, поэтому со временем вместо дутьевой трубки начинают применять мехи, сшитые из шкур животных.
Сгорая в потоке воздуха, уголь нагревал руду и частично восстанавливал ее до железа. Оставшаяся часть окислов железа вместе с окислами других примесей плавилась и образовывала жидкий шлак. В результате этого на дне горна получали комок пористого, тестообразного, пропитанного жидким шлаком металла. Этот комок называли крицей. Первое время масса получаемой крицы была от одного до нескольких килограммов. Многократной проковкой крицы в горячем состоянии «выжимали» шлак и получали железную поковку.
Она представляющую собой так называемое сварочное, ковкое железо или мягкую сталь. Содержание углерода в такой стали составляло 0,12—0,26% углерода; серы, фосфора и других примесей, как правило, было очень мало.
В настоящее время известно, что железо никогда не бывает чистым, оно всегда содержит примеси. Фосфор и сера относятся к вредным примесям, так как вызывают хрупкость металла. Техническим железом называют сплав железа и углерода, который содержит 99,8—99,9%, 0,1—0,2%, примесей и до 0,02% углерода. Сплавы железа с большим количеством углерода называют сталью или чугуном. Чугун – сплав, содержащий более 2% углерода, сталь – менее 2%. Если в стали 0,6–1,2% углерода, ее называют высокоуглеродистой, при содержании 0,25–0,6% углерода – среднеуглеродистый, а если углерода меньше 0,25% - низкоуглеродистой.
6 В ИНДИЮ С ЖЕЛЕЗОМ
То, что не сумели сделать западноевропейские металлурги, делал русский инженер П.П. Аносов: он раскрыл в конце концов тайну, «окруженную непроницаемым покровом», и разработал технологию получения булата, по качеству не уступающего древнему вутцу.
Как мы уже выяснили, русские мастера производства булата не знали, но им были известны способы изготовления оружия и инструмента из сварочного булата. Кроме того, в Астрахани и Тифлисе умели ковать клинки из индийского вутца, в то время как в Западной этого делать не могли. В XVIII веке, по свидетельству Баязета, парижские оружейники не сумели изготовить оружие из доставленных им образцов булатной стали.
Славилась Русь и качеством сварочного железа. Сохранились так называемые «Торговые книги», из которых следует, что еще в XVI и XVII веках обычным делом была продажа русского уклада (стали) «в Немцех» (так на Руси в то время называли все западноевропейские страны). Западноевропейский деятель Яков Рейтенфельс, побывавший в Московии в 1670году, писал, что страна московитов «живой источник хлеба и металла».
Интересно, что в те времена были широко распространены железоделательные промыслы, созданные по инициативе крестьян. Так, например, неподалеку от Новгорода в районе Устюжны было такое множество «горнов для делания железа», что приехавшему сюда новгородскому губернатору показалось, будто он «заехал в предместье Вулкана». При раскопках в Старой Рязани 16 из 19 жилищ горожан обнаружены следы «домашней» варки железа, которая проводилась в горшках обыкновенной печи.
«Индивидуальное» производство железа было возможным потому, что для его варки применялись болотные руды, встречающиеся на Руси повсеместно на дне болот, озер и на берегах рек.
Это были бурые железняки органического происхождения, которые начинали восстанавливаться при 400°С, а при 700—800°С можно было получить железо.
Наряду с индивидуальным существовало и специализированное крупное производство. Известна домница XIII века, найденная близ города Бердичева. Она современнее новгородских домниц XVIII века: шлак у нее непрерывно стекал по каналам в специальные ямы. Недалеко от Нурека в Гочевском городище был обнаружен металлургический «завод», относящийся к XV веку «Пространство площадью 10 000м2 было завалено остатками домниц, шлаком и крицами. Таких центров производства железа на Руси было много.
7 ПОРАЖЕНИЕ, СТАВШЕЕ ПОБЕДОЙ
Металлургия железа получила заметное развитие в странах Древнего Востока, а затем в античных государствах. Уже в Древней Греции и Риме, наряду с кричным железом, умели получать и чугун, и сталь.
В период раннего средневековья с упадком античной культуры пришла в упадок и металлургическая промышленность. Многие их секреты производства металлов, найденные еще в древнем мире, были утеряны. Остались только примитивные малопроизводительные способы. Даже сталь европейцы долгое время не умяли делать. Латы рыцарей изготавливали сплошь из железа, и, чтобы достичь необходимой прочности, железные листы приходилось делать очень толстыми. Первые европейские латы были так тяжелы, что закованный в них всадник зачастую не мог самостоятельно сесть на коня. А если в бою его выбивали из седла, он становился легкой добычей проворного пехотинца. Железными, а не стальными были в раннем средневековье и мечи. А потому они были прочными и надежными в бою, мечи делали настолько массивными, что приходилось держать их двумя руками (эти мечи так и называли двуручными). Характерно, что примерно до 1Х-Х веков европейцы не знали лошадиных подков (они появились в Европе с востока во времена крестовых походов).
Как известно, крестовые походы закончились для европейцев неудачей. Но поражение это, в конечном счете, обернулось большой победой. Крестовые походы дали мощный толчок всему развитию европейской промышленности и прежде всего металлургии. Кроме этого, крестоносцы вывезли из стран Востока большое количество новых для себя изделий, а главное, освоили способы и приемы их изготовления и, в частности, некоторые методы производства качественной стали. Со времен крестовых походов вместо прежних неподъемных доспехов начинают входить в обиход более легкие и прочные стальные панцири, шлемы, мечи. Теперь уже не только конные рыцари, но и пехотинцы одевали легковесные пластинчатые латы, сделанные тоже из стали. Здесь, пожалуй, вполне уместно поговорить о том, что же это такое — сталь.
Школьный учебник химии на вопрос "что такое сталь?" дает простой и четкий ответ: сталь — это сплав железа с углеродом. Правда, этот ответ не полный. Ведь углерод может растворяться в железе в различных количествах. И все это будет сталь? Нет, сталью считается только тот сплав, в котором количество углерода не превышает двух процентов. Самое интересное, что чем больше в сплаве углерода, тем сталь делается более крепкой... и более хрупкой. Впрочем, слово "хрупкость" в металлургии редко употребляется. Вместо него в ходу слово "пластичность". Этот антипод хрупкости. Пластичность — это свойство материала изменять свою форму под влиянием внешних сил. Железо пластично, когда под ударами молота даже в холодном состоянии принимает форму нужной детали. Но ведь в техническом железе почти нет углерода, кроме того мизерного количества, которое перешло из угля в процессе восстановления руды.
Итак, чем больше углерода, тем сталь делается более крепкой (это хорошо!) и менее пластичной (это плохо!). Вспомните фильм "Три мушкетера". Перед тем как начать драться на дуэли, и его лихие друзья сгибали шпаги в полукруг, пробуя их упругость. Шпагу из высокоуглеродистой стали так не согнешь — лопнет. Но шпага должна быть и крепкой, иначе что это за оружие! Как совместить эти противоречивые требования - крепость и пластичность? Вот задача, которую металлургия решает все восемь тысяч лет своего существования.
Еще в глубокой древности восточные мастера знали секреты производства исключительно крепкой и пластичной стали. Только в те далекие времена ее называли не сталью, а булатом.
Сколько сказочных легенд создано о нем за тысячелетия! Сколько достоверных сведений, похожих на самые удивительные легенды, знаем о булате мы сегодня! Достоверно одно: булатная сталь обладала уникальными свойствами — клинки из нее пробивали самые лучшие доспехи, а способность к затачиванию была у них столь высокой, что они разрезали подброшенный в воздух шелковый платок.
Нет, пожалуй, другой тайны, которая хранилась бы так же свято, как секреты производства булата. Из поколения в поколение, от отца к сыну передавали мастера секреты изготовления булата. И секретов этих было столько же, сколько мастеров: каждый из них знал какие - то особые приемы, повышающие качество металла. Поэтому у каждого мастера получался свой булат, в чем - то отличающийся от других. Но одно было обязательным, неизменным для всех булатов — волнистые узоры на поверхности клинков. По различиям в этих узорах определяли и сорт булатной стали, и даже ее изготовителя. Сокровенные тайны производства булата явились и главной причиной того, что уже известная и отработанная в металлургии технология была утрачена, а производство булатной стали прекращено. Цепь преемственности семейных секретов когда - нибудь должна была прерваться. То у мастера рождались одни дочери и некому было передать тайну, то он внезапно погибал... Окончательно погубил булат жестокий завоеватель Тимур (Тамерлан).
Разгромив страны Востока, он свез к себе в Самарканд всех ремесленников, оставшихся в живых. Оторванные от родины, не имеющие наследников, которых они по обычаю могли бы научить мастерству, умельцы унесли в могилу свои секреты.
На много веков производство булата оставалось для людей неразгаданной тайной. Сотни исследователей бились над решением этой загадки. И лишь около ста сорока лет назад выдающийся русский металлург Павел Петрович Аносов раскрыл, наконец, секреты древних мастеров и возвратил людям булатную сталь.
Восточные мастера выплавляли булат в небольших глиняных сосудах — тиглях из тщательно подготовленной руды. По существу этот способ ничем не отличался от общераспространенной технологии получения кричного железа, но... одно отличие все же было. Причем отличие, о котором европейцы знали, но не придавали ему никакого значения. Дело в том, что на востоке применяли мощные кожаные мехи, которые позволяли в небольшом объеме тигля получить очень высокую температуру, достаточную для полного расплавления железа. Таким образом, у восточных металлургов получалась не крица, а жидкий металл, в котором все неметаллические включения (так называемый шлак) плавали на поверхности. Их не надо было "выдавливать" из куска железа долгой ковкой. По окончании плавки мастер просто наклонял тигель и сливал шлак.
А потом начинались секреты. Удалив подмастерьев из мастерской и тщательно заперев двери, мастер доставал из укромных уголков спрятанные растения — цветы, травы, ветки кустарника — и бросал их в тигель в раз навсегда установленной, только ему известной пропорции. У каждого мастера был свой набор растений. Считалось, что их соки обладают "волшебными" свойствами - прочностью, гибкостью, вязкостью, которые и передаются металлу. И они действительно передавали... После того как растения сгорали в расплавленном металле, железо превращалось в сталь. А вместе с растениями, тоже в определенных пропорциях, в металл сыпали - графитовый порошок. Но он считался как бы подсобным материалом, не влияющим на качество металла. И невдомек было мастерам, что как раз графит - то (чистый углерод!) и превращал железо в сталь.
Добавляя в расплавленное железо графитовый порошок, каждый мастер придерживался своих пропорций. В результате и булат у каждого получался свой, не похожий на другие, — у одних покрепче, у других послабее, зато пластичнее. Но в конце концов каждый ремесленник находил ту необходимую пропорцию, при которой кромка лезвия не крошилась бы при самой тонкой заточке.
Ну, а травы и цветы, столь, казалось бы, несовместимые с тяжелым и трудным процессом получения металла, — какую они сыграли роль? Огромную. Дело в том, что в растениях содержатся многие неорганические вещества. Например, в яблоках много железа, в других растениях содержится марганец, молибден, ванадий. А они придают стали совершенно особые свойства. Сталь становится еще более крепкой и одновременно более пластичной. Сейчас мы вводим эти вещества в сталь в чистом виде. Они называются легирующими добавками, а получаемая сталь - легированной. Естественно, подбор растений влиял и на свойства стали. У одних мастеров она получалась марганцовистой, у других — молибденовой, у третьих — ванадиевой.
...Последняя травинка сгорала в кипящем вареве, и мастер выходил на свежий воздух. Главное сделано. Теперь подмастерья могут изготовлять из булата клинки, шлемы, кольчуги. Звонко забили молоты, и вот уже на наковальне ярко заалел готовый клинок. Мастер кинул взгляд на одного из подмастерьев, и тот опрометью бросился к коновязи, на ходу надевая на правую руку толстую кожаную рукавицу. Вихрем мчался конь по вечерней пустыне. Всадник, высоко подняв руку, крепко сжимал в ней медленно остывающий на ветру только что откованный мяч.
Так в Дамаске производилась вторая важнейшая технологическая операция — закалка стали.
Закалку открыли еще в Древнем Египте. Открыли, разумеется, случайно. Желая побыстрее охладить только что откованное изделие, его погружали в холодную воду. И заметили, что после этого металл становится гораздо крепче. Из Египта закалка распространилась по всему миру.
В "Одиссее" Гомера мы встречаем уже образное описание процесса: «Как погружает кузнец раскаленный топор иль секиру в воду холодную, и зашипит с клокотаньем железо, — крепче железо бывает, в воде и огне закаляясь».
Конечно, во времена Гомера не могло быть и речи о научном объяснении протекающего при закалке процесса. Считалось, что все дело не в свойствах металла, а в свойствах жидкости: мол, ее особые качества наделяют металл крепостью при быстром охлаждении. На этой почве создается целый ряд фантастических представлений и религиозных мифов. В рукописи IX века до нашей эры, найденной в одном из храмов в Балгале (Малая Азия), рекомендуется, например, такой рецепт закалки кинжала: "Нагреть до тех пор, пока он не засветится, как восходящее в пустыне солнце, затем охладить его до цвета царского пурпура, погружая в тело мускулистого раба... Сила раба, переходя в кинжал, и придаст металлу твердость".
Средневековый рецепт не кровожаден, но, тем не менее, тоже мало привлекателен: булат рекомендовалось закалять в моче рыжего мальчика. Почему именно рыжего?
Да потому, что в старину рыжим приписывали особые "колдовские" свойства.
Варварство, скажете вы, суеверие. Да, и варварство, и суеверие. Но не только это. Страшно подумать, сколько рабов отдали свои жизни, чтобы кинжалы правителей перерубали платок на лету. Но клинки, действительно, гораздо лучше закаливались в человеческой крови или моче, чем в простой воде. Объяснение этому очень простое: закалка в растворе солей протекает медленнее, чем в чистой воде. А некоторые сорта стали требуют при закалке как раз замедленного охлаждения. В древнем Дамаске такое охлаждение и достигалось закаливанием на ветру. Позднее там же, под Дамаском, между двух гор, построили даже специальный коридор из камней. Когда дул северный ветер, то на выходе из коридора он валил всадника с лошадью. Дождавшись ветра, мастера ковали оружие. Схватив клинок из - под молота, подмастерье бежал к коридору и подставлял его под упругие струи сжатого воздуха.
Вот так изготавливали знаменитые клинки. В средние века, когда секрет их производства был утрачен, появились рецепты мои учения так называемого ложного булата. Изделия, выполненные по этим рецептам, по внешнему виду походили на настоящий булат, имели те же характерные узоры, но оставались всего лишь хорошей подделкой.
Вот один из таких наиболее распространенных способов получения "булата", дошедший до наших дней. Его применяли еще в прошлом веке. Оружейник брал несколько полос кричного железа, обязательно из разных горнов. Их нагревали в кузнечном горне и долго просовывали, неоднократно прерывая процесс для подогрева полос. Считалось, что чем глубже разное железо "войдет друг в друга", тем лучше. Затем из образовавшегося сплошного куска металла выковывали в оружие.
Потом наступало самое главное. Путем многократных отжигов и охлаждений с различной скоростью мастера добивались появления на поверхности металла заветных волнистых узоров, и "булат" был готов.
Он тоже, кстати сказать, разрубал на лету шелковый платок, но качество клинков, хотя и было достаточно высоким, намного уступало настоящему булату. Именно так изготавливали, например, знаменитые самурайские мечи "когата" и "тёгата", с помощью которых знатные японцы делали себе харакири, когда кодекс самурайской чести — бусидо — не оставили им иного выхода.
Однако ни овеянные легендами булатные клинки, ни самурайские мечи не сыграли сколько-нибудь заметной роли в позднем средневековье, а тем более в дальнейшие эпохи. Потому что исход отдельных сражений и целых военных кампаний решало в ту пору уже не холодное оружие, а "бог войны" — артиллерия и, позднее, ручное огнестрельное оружие. Первые пушки были применены в битве при Лигнице (Австрия) в 1241 году. С тех пор и по наше время ведется нескончаемая война между броней и снарядом. Война, которая окончится только с полным исчезновением борющихся "сторон".
Как же из сварочного железа в прошлом получали углеродистую сталь? Археологические находки говорят о том, что уже в глубокой древности был известен способ цементации (науглероживания) железа. Для получения высокой твердости и прочности углеродистую сталь необходимо закалить. Древние знали и это.
В средние века секреты многих способов цементации железа были утеряны, но в XVII веке они вновь начинают широко применяться. Один из первых патентов в мире был выдан английским королем Яковом в 1617году лондонским ремесленникам Вильяму Эллиоту и Матису Мейсею — на изобретенный ими способ переработки железа при помощи цементации.
В древней Руси наряду с железом часто применяли углеродистую сталь. Наибольшее распространение получили способы изготовления ее в кузнечном горне, обычный кузнечный горн клали железную крицу, засыпали ее древесным углем и нагревали. Начиная с температур 700—900°С, углерод диффундировал (проникал) в железо. Кузнец вынимал крицу и быстро охлаждал ее в воде или снеге. Сталистая поверхность крицы охрупчивалась и при ударах молота отделялась. Подобную операцию проделывали до тех пор, пока вся крица не превращалась в стальные пластины. Полученные пластины отжигали и сваривали между собой.
На Руси было также хорошо известно науглероживание (цементация) всей массы железного изделия. Для этого изделие вместе с карбюризатором (древесным углем) закладывали в огнеупорный сосуд, сделанный из глины или кирпичных плиток, нагревали в горне до высокой температуры и выдерживали длительное время. Таким образом получали углеродистые стали, содержащие не более чем 0,4—08% углерода.
С увеличением содержания углерода в стали повышается ее твердость, износоустойчивость и прочность. Лучшие клинки из сварочного булата изготовлялись из стальных полос, содержащих 0,6—0,8% углерода, в то время как индийский вутц или литой булат содержал от 1,6 до 2,0%, углерода. Нет сомнений, что по сравнению с сыродутым железом и среднеуглеродистой сталью булат имел фантастическую по тем временам прочность и износоустойчивость.
Со временем сыродутный процесс получения железа совершенствовался. Горн представлял собой уже каменную камеру квадратного сечения со стороной примерно 1,2–2,0м и высотой 1м. Камеру заполняли глиной и формировали рабочее пространство грушевидной формы с отверстием в верхней, более узкой части. Железо и древесный уголь в такой горн загружались слоями. В передней стенке горна делалось отверстие для его разогрева дровами, выпуска шлака и выгрузки готовой крицы. Воздух нагнетали через огнеупорную трубку (сопло) мощными мехами. В таком горне температура процесса была поднята до 1000 — 1100°С, и это позволяло получать крицы массой 20—25кг.
Существенными недостатками сыродутного процесса была низкая производительность и небольшая степень извлечения железа из руды — всего 50%. Поэтому в дальнейшем стремились повысить производительность посредством увеличения площади поперечного сечения горна и особенно его высоты. Это стало возможным после изобретения гидравлического колеса, которое увеличило мощность мехов, позволило вдувать в горн большее количество воздуха под более высоким давлением.
Теперь температура процесса повысилась до 1250 — 1350°С, и воздух стал проникать через более высокий столб шихты. Но главное, значительно изменились температурные условия по высоте горна: в верхнюю часть горна попадало меньше воздуха, и его температура понизилась, а в нижней его части температура была значительно выше. Поэтому в нижней части горна руда восстанавливалась быстрее. Шлака здесь еще было мало, и восстановленное железо поглощало углерод. Последнее привело к тому, что в сыродутных печах вместе с тестообразной крицей и жидким шлаком начали получать еще очень жидкий металл со странными свойствами: он был хрупкий и не поддавался ковке. Сегодня все знают, что это мог только чугун — сплав железа с 3 - 4% углерода. Его температура плавления примерно 1200°С.
Когда было замечено, что чугун образуется там, где железо долго соприкасается с углем, его начали считать негодным продуктом, получающимся из - за расстроенного хода плавки. Поэтому чугуну дали нелестные названия – «вода», «чугунная свинка», «чушка». В Англии чугун до сих пор называют «свинским железом» («pig iron»).
8 «СЕКРЕТ, ОКРУЖЕННЫЙ НЕПРОНИЦАЕМЫМ ПОКРОВОМ ТАЙНЫ»
В начале XIX века проблема получения сталей с высокими механическими свойствами становится первостепенной. Пудлинговая сталь вследствие низкой прочности не обеспечила надлежащей работы токарных, фрезерных и других станков, что сильно тормозило развитие металлообрабатывающей промышленности. В связи с этим интерес к булату, и многие ученые, и специалисты ищут способы его производства.
В химико - металлургической литературе начинают появляться исследования, касающиеся вопросов изготовления и свойств стали, ее природы и составных частей. Во второй половине XVIII века Г.О. Бергман открывает присутствие в стали углерода, а К.Б. Карстен (первая XIX века) устанавливает, что углерод может существовать в этих сплавах как в виде химического соединения - карбида железа, так и в свободном состоянии в виде графита. Теперь все знают, что железо, сталь и чугун различаются между собой содержанием углерода и формой его существования.
Однако сущности процесса перехода сплава железо – углерод из одного состояния в другое металлурги еще не понимают. Еще не раскрыта также роль окиси углерода и углекислоты в процессе восстановления железной руды, хотя в 1802году А. Круйкштейн показывает, что известный ранее тяжелый горючий газ есть окись углерода. В 1806году Жозеф Луи Пруст открывает закон постоянства состава вещества и устанавливает, что существуют два различных окисла железа: с содержанием кислорода 27 и 48%.
Между тем ученые и металлурги западной Европы пытаются разгадать тайну булатных узоров. Одним из первых по поручению лондонского королевского общества пытается решить эту задачу известный английский физик XIX века Майкл Фарадей. Будучи сыном кузнеца, фарадей с детства был знаком с изготовлением стальных и железных изделий, он также неплохо знает методы химического анализа металлов.
Из Бомбея привозят индийскую сталь (вутц), и Фарадей находит в ней алюминий. «Следовательно, - решает Фарадей, - узор булата является результатом примеси к сплаву алюминия!» для подтверждения этой мысли он приготовил несколько сплавов чугуна с алюминием. Чугун дробился, растирался в порошок, смешивался с чистым алюминием и сплавлялся в закрытом тигле. Полученный сплав содержал 6,4% алюминия и внешним видом был похож на вутц.
В дальнейшем Фарадей исследует сплавы стали с серебром, платиной и другими элементами и подтверждает способность таких сплавов давать «струистую» структуру, якобы обеспечивающую высокие свойства.
Изделия из фарадеевского «булата» не сохранились. Известно только, что из этой стали была изготовлена партия бритв, которые Фарадей любил раздавать друзьям. В то же время попытка одной из фирм использовать сплавы фарадея для промышленных целей не увенчалась успехом, поэтому его предположение о природе булатного узора нельзя считать подтвердившимся. Все же западная Европа, кроме всего, обязана ему и тем, что он в первой четверти XIX века пытался установить разницу между естественным литым булатом и искусственным, сварочным (дамасской сталью).
Теперь хорошо известно, что алюминий встречается в природе только в виде окислов и солей, из который он очень трудно восстанавливается. Электролитический способ получения алюминия был открыт Чарльсом холлом в 1886году. В 1825году, в то время, когда Фарадей делал свои эксперименты, алюминий стоил в 1500раз дороже железа и гораздо дороже платины. Повторить опыты Фарадея было не так - то просто, и поэтому они произвели большое впечатление на металлургов и химиков.
Директор парижского монетного двора Г. Бреан поддерживает мнение Фарадея о том, что булат — сплав
железа с какими - то металлическими примесями, подобно тому как бронза — сплав меди с оловом. Он изготовляет сплавы с различными металлами.
Его клинок из сплава высокоуглеродистой стали и платины (0,5%) даже демонстрировался на парижской промышленной выставке. Кроме узора, никаких других свойств булата Бреану подтвердить не удалось. А сравнивать было с чем. Наполеон во время египетского похода захватил в качестве трофея булатные клинки, поражающие необыкновенной прочностью, упругостью и красотой узоров.
Позднее, после многочисленных опытов. Бреан приходит к выводу, что булат – литая углеродистая сталь, в которой «при надлежащем ходе охлаждения происходит кристаллизация двух определенных соединений – углерода и железа», причем углерод находится в избытке.
