Struktury stali w mieczach średniowiecznych

Maksymilian Błaszczyk

Struktury stali w mieczach średniowiecznych

Badając miecze zwraca się uwagę na szereg czynników. Począwszy od ich wyglądu, stylistyki, wymiarów, proporcji, aż do najbardziej podstawowego aspektu – fizycznych właściwości materiału, z którego zostały one wykonane. Operujemy w tym celu różnymi kryteriami najczęściej odnoszącymi się do ich twardości, następnie mówimy też o innych ich cechach: sprężystości, plastyczności i tym podobnych. Oczywiście z punktu widzenia użytkowania pewne własności są bardziej istotne – w przypadku replik patrzymy najczęściej na to jak twarde one są i jak dobrze wytrzymują odkształcenia. Oba te parametry w wielkim stopniu wynikają ze składu materiału oraz jego obróbki warunkujących struktury, w jakich materiał ten występuje. Struktury są wynikiem obróbki cieplnej materiału, z kolei granice dla nich określane są między innymi przez dodatki, które one zawierają. W tym przypadku mówimy o różnych strukturach stali oraz żelaza.

Rodzaje struktur

Wyróżnić można 5 podstawowych struktur, które będą nas interesować w przypadku mieczy średniowiecznych i które widoczne są za pomocą mikroskopu:

mkb1

Ferryt

Ferryt jest podstawową strukturą żelaza, w obrazach mikroskopowych zazwyczaj widoczną jako biała, nieregularna struktura. Posiada on niską rozpuszczalność węgla, jedyne 0,008% w temperaturze pokojowej i 0,0218% w temperaturze 727 stopni Celsjusza. Twardość wynosi zazwyczaj od 80 do 120 w skali Vickersa.

mkb2

Cementyt

Cementyt jest metastabilnym węglikiem żelaza o wzorze Fe3C, o masowej zawartości 6,67%węgla: Występuje on jako składnik perlitu, ale również jako element różnych struktur w stali hipereutektoidalnej oraz żeliw. Twardość samego cementytu jest dość wysoka, ale zazwyczaj występuje on w formach o twardościach maksymalnych od 300 do 400 w skali Vickersa.

mkb3

Perlit

Perlit jest strukturą składającą się z przemiennie ułożonych płytek ferrytu i cementytu występujących w stosunku objętościowym 7:1. Pojawia się on często w wyniku powolnego schładzania stali w procesie kucia. Zazwyczaj posiada twardość od 250 do 300 w skali Vickersa.

mkb4

Martenzyt

mkb5

Bainit

Martenzyt jest strukturą formowaną w wyniku szybkiego chłodzenia się austenitu, czyli jest przede wszystkim produktem hartowania stali. Obecnie kojarzony jest on jako materiał bardzo twardy, natomiast w przypadku stali średniowiecznych jest to w dużej mierze zależne od zawartości węgla, w zależności od której jego twardość może wynosić od 200 do nawet 800 w skali Vickersa.

Bainit jest również strukturą powstającą w wyniku hartowania, pojawia się czasami, gdy nie zachodzi pełna przemiana w martenzyt. Zazwyczaj posiada twardość od 200 do 400 w skali Vickersa.

Miecze o dominującej strukturze perlitycznej

mkb6

A.2050

Określenie to może być nieco mylące, jako że w późniejszych częściach artykułu spotkamy się z mieczami, gdzie struktura perlityczna również występuje i z punktu widzenia objętościowego można by mówić o jej dominacji. Jednak tutaj będziemy mieć na myśli takie miecze, gdzie przede wszystkim występuje perlit oraz miększe struktury, takie jak ferryt, czy też twardsze struktury cementytu, a nie występują struktury typowe dla przemian austenitu takie jak martenzyt albo bainit. Pierwszym takim mieczem, będzie A.2050[1], pochodzący z kolekcji w Wiedniu, typowy miecz wczesnośredniowieczny proweniencji nordyckiej. Badania elektronicznym miernikiem twardości wykazały wartości od 91 do 200 o średniej 133 w skali Vickersa, podczas gdy test na niewielkich ciężarach (100 gram) wykazał wartości od 199 do 322 ze średnią 262 w skali Vickersa. Zostały przebadane dwie próbki pochodzące z głowni, wykazujące przede wszystkim obecność struktur perlitycznych wraz z ferrytycznymi, oraz inkluzje żużla. Perlit wymieszany z niewielkimi ilościami ferrytu występował w miejscach o wyższej (0,6%) zawartości węgla, podczas gdy pasma ferrytu występowały w miejscach o niskiej (0,1%) jego zawartości.

Ciekawym przypadkiem jest miecz P.1[2] z prywatnej kolekcji. Badania elektronicznym miernikiem twardości wykazały wartości poniżej 200 w skali Vickersa na całej głowni, oraz nieco wyższe na głowicy. Analiza struktury wykazała, że składa się ona głównie z ferrytu oraz miejscami perlitu w pasmach zawierających więcej węgla, bez widocznych inkluzji żużlu. Jednorodność struktury jasno wskazuje na to, że jest to współczesna podróbka. Jednak przypadek tego miecza ilustruje dość ciekawe tendencje, o których mowa będzie później.

mkb7

Perlit ze sztychu K85-122, widoczny żużel [skala 50 mikronów].

mkb8

Perlit i sieć cementytu w C.4690 [skala 10 mikronów].

Kolejnym mieczem jest K85-122[3], okaz wczesnośredniowieczny z nieczytelnymi w większości literami, przez niektórych badaczy uznawanych za wariację na temat +VLBERHT+. Pobrano próbki z 3 miejsc: Krawędzi 1cm od czubka, 20cm od czubka i obrzeża centralnej dziury(?). Badania twardości wykazały kolejno wartości: od 234 do 266 i średnią 252, od 120 do 234 i średnią 217 oraz od 137 do 185 i średnią 158 w skali Vickersa.

Rozkład struktur zgodny jest z pomiarami, w pierwszej próbce występuje praktycznie sam perlit, w drugiej pośród perlitu występują ziarna ferrytu, podczas gdy w trzeciej mamy do czynienia z mieszanką obu. Ogólna zawartość węgla wynosi od około 0.4% do 0.5% i jest wyższa przy krawędziach.

mkb9

Perlit i cementyt z 1483. [skala 10 mikronów].

Miecz C.4690[4] z muzeum w Oslo posiada dość czytelną inskrypcj +VLFBERH+T. Średnia twardość dla powierzchni na płazie wyniosła od 130 do 180, podczas gdy przy krawędzi od 220 do 310 w skali Vickersa. Przebadane zostały struktury na końcu miecza, przy krawędzi. Dominujący był perlit z wytrąconą siecią cementytu, z niewielkimi inkluzjami żużlu. Stal ta zakwalifikowana została jako hipereutektoidalna z racji wysokiej zawartości węgla, od 0,59% do nawet 2,33% ze średnią z 15 punktów rzędu 1,4%, co pokrywa się z obserwacjami w mikrostrukturze.

Miecz 1483[5] z muzeum w Bergen, z możliwą inskrypcją VLFBERH+T. Badania twardości wykazały zakres od 295 do 360 ze średnią 327 w skali Vickersa. Struktura to przede wszystkim drobny perlit wraz z siatką cementytu i niewielką ilością inkluzji żużlu. Badania zawartości węgla dały zakres od 1,22% do 2,69% ze średnią z 6 punktów o wartości 1,3%, co ponownie pokrywa się z obserwacją mikrostruktur stali.

Miecze ze strukturami martenzytycznymi

W tej grupie znajdą się przede wszystkim wczesnośredniowieczne miecze, w których występują struktury typowe dla przemian austenitu takich jak martenzyt oraz bainit. Mowa jednak będzie głównie o pierwszym, gdyż z wielu przebadanych egzemplarzy z tych czasów, bainit jest strukturą występującą dosyć rzadko, ustępując w powszechności miejsca martenzytowi. Pierwszym mieczem w tej grupie jest P.2[6], z inskrypcją, którą można odczytać jako VLFBEHRT. Próbka została pobrana z ułamanego końca głowni. Jej rozmiar był wystarczający żeby przebadać strukturę od krawędzi aż do środka. Ten składa się głównie z ferrytu z nielicznymi fragmentami martenzytu, podczas gdy krawędź komponuje się z niemalże jednorodnego martenzytu. Struktura doskonale odzwierciedla twardość, która dla krawędzi wynosi od 423 do 540 ze średnią wartością 467, a dla środka spada do 236 w skali Vickersa.

mkb10

Twardości na krawędzi P.2 Perlit i cementyt z 1483. [skala 10 mikronów]

Badania zawartości węgla potwierdzają, że krawędź i warstwa wierzchnia wykonana jest ze stali o zawartości węgla od 0,5% do 0,6% węgla, podczas gdy rdzeń stanowi żelazo o niskiej jego zawartości.

mkb11

Martenzyt odpuszczony i troostyt w MPP/A/74/3/94.

Następny jest miecz MPP/A/74/3/94[7] z Jeziora Lednickiego. Próbka została pobrana z połowy długości głowni i zawiera w sobie przekrój od krawędzi aż do środka. Struktura ostrza składa się przede wszystkim z martenzytu odpuszczonego wymieszanego z drobnym perlitem (troostyt), natomiast w rdzeniu widoczna jest większa ilość perlitu z lekkim dodatkiem ferrytu, choć wciąż obecny jest martenzyt odpuszczony. Twardość na krawędzi wynosi od 363 do 469, natomiast w rdzeniu spada ona do 290-362 w skali Vickersa. Badania wykazały konstrukcję z prętów stali o dość równomiernym nawęgleniu rzędu od 0.6% do 0.7%

mkb12

Struktura ferrytyczno-perlityczna w MPP/A/74/1/94, widoczne wytrącenia.

Miecz MPP/A/74/1/94[8] z Jeziora Lednickiego. Próbka została pobrana w okolicach 1/3 długości głowni i zawiera w sobie przekrój od krawędzi aż do środka. Na niej znajduje się przede wszystkim martenzyt, wraz z lekkim dodatkiem bainitu, drobnego perlitu (troostyt) i ferrytu, które pojawiają się w miarę zbliżania się do środka. W samym rdzeniu, z racji jego zbudowania z kawałka stali oraz dziweru, różnorodność jest spora. W jednorodnej stali występuje perlit z dodatkiem ferrytu, bainitu i martenzytu, podczas gdy w dziwerze dominuje struktura ferrytyczno-perlityczna z pasmami ferrytu. Twardość na krawędzi wynosi od 548 do 665 w skali Vickersa, podczas gdy w rdzeniu zależna jest od fragmentu. Kawałek stalowy posiada twardość około 180, a dziwer od 204 do 174 w skali Vickersa. Stal zużyta na większość głowni posiada procentową zawartość węgla od 0,5% do 0,6%, podczas gdy dziwer składa się z warstw półtwardej stali i żelaza o niskiej zawartości węgla.

mkb14

Odpuszczony martenzyt w 18402:1c [skala 50 mikronów].

mkb13

Martenzyt w mieczu z prywatnej kolekcji.

18402:1c[9] z muzeum w Helsinkach. Próbka została pobrana z krawędzi, która składała się w całości z odpuszczonego martenzytu z niewielkimi inkluzjami żużlu. Nie zbadano struktury rdzenia, natomiast jego twardość wynosiła od 210 do 220, podczas gdy krawędzi od 310 do 390 w skali Vickersa. Twardość sugeruje, że rdzeń wykonany został z żelaza o niskiej zawartości węgla.

Miecz z prywatnej kolekcji[10], z inskrypcją, która może być odczytana jako VLFBERN+T. Pobrana próbka obejmowała krawędź oraz rdzeń. Pierwsza składa się przede wszystkim z martenzytu, który następnie przechodzi w ferryt przy rdzeniu. Posiada twardość od 423 do 540 ze średnią 467 w skali Vickersa, podczas gdy przy rdzeniu spada ona do średniej 234 w skali Vickersa. Zewnętrzna warstwa, w tym przede wszystkim krawędź, została wykonana z lepszej jakościowo stali o zawartości węgla około 0,5% (prawdopodobnie), podczas gdy rdzeń wykonany jest z żelaza o niskiej zawartości węgla.

Miecze XVI wieczne

mkb15

Martenzyt odpuszczony i bainit w mieczu numer 1.

mkb16

Odpuszczony martenzyt w mieczu numer 2.

O ile dwie poprzednie grupy bazowały na dość sporej ilości przebadanych mieczy wczesnośredniowiecznych, o tyle ta opiera się na niewielkiej próbce oręża pochodzącego z wieku XVI i po egzemplarzu z wieku XVII i XVIII. Miecz numer 1[11], XVI wiek. Analiza wykazała, że w rdzeniu dominuje przede wszystkim struktura ferrytyczna. Dalej od krawędzi widoczne pasma o odmiennej zawartości węgla posiadały struktury kolejno: Martenzytu odpuszczonego, bainitu i odpuszczonego martenzytu zmieszanego z bainitem. Twardość w najtwardszym zbadanym punkcie wyniosła 455, a w najmiększym 187 w skali Vickersa.

Miecz numer 2[12] XVI wiek (Choć możliwy również XV). Analiza wykazała, że został wykonany z jednorodnej stali o dużej ilości niewielkich inkluzji żużlu. Struktura to jednolity martenzyt odpuszczony, nie przeprowadzono badań twardości.

Miecz numer 3[13] XVI wiek. Analiza wykazała, że ponownie mamy do czynienia z głownią wykonaną z żelaznego rdzenia otoczonego warstwą stali o zawartości węgla około 0.5%. Rdzeń posiada strukturę ferrytyczną, podczas gdy zewnętrze i krawędź składają się z martenzytu oraz bainitu. Twardość rdzenia wynosi od 135 do 161 ze średnią 147 w skali Vickersa, podczas gdy na powierzchni wynosi ona od 459 do 502 ze średnią 481 w skali Vickersa.

mkb17

Bainit w mieczu numer 4.

Miecz numer 4[14] XVI wiek, jest kolejnym egzemplarzem wykonanym z homogenicznej stali. Badania potwierdziły obecność przede wszystkim odpuszczonego martenzytu wraz z miejscami, gdzie pojawia się bainit. Twardość badanej próbki wy niosła od 305 do 360 ze średnią 325 w skali Vickersa.

Miecz numer 5[15] to okaz z późnego wieku XVI (albo wczesnego XVII). Składa się on z dwóch rodzajów stali, twardszej występującej na wierzchu i w środkowym pasmie, oraz miększej znajdującej się pomiędzy nią. W pierwszej, o zawartości węgla około 0,6%, dominującą strukturą jest bainit, chociaż zdarzają się również fragmenty perlitu. Druga z kolei, o zawartości węgla 0,3%, składa się przede wszystkim z ferrytu. Średnia wartość twardości w skali Vickersa twardszej stali wynosi 437, a dla miększej 253.

mkb18

Zgięty miecz, badania wykazały obecność struktur perlitycznej oraz ferrytycznej.

Podsumowanie

Jak widać na przykładzie powyższych egzemplarzy, mikrostruktury mogą nam powiedzieć bardzo wiele o procesie wytwarzania mieczy. Bardzo ciekawa jest grupa, gdzie nie występują elementy przemiany austenitycznej takie jak martenzyt albo bainit, co z racji sposobu ich uzyskiwania wyklucza proces hartowania. Widać to przy porównaniu mieczy K85-122 oraz P.2, gdzie pomimo bardzo podobnej zawartości węgla, (Okolice 0.5% przy krawędzi dla K85-122 i 0,5-0,06% dla P.2) różnica twardości wynosi niemalże 200 w skali Vickersa. Odzwierciedla to również struktura krawędzi – w pierwszym przypadku jest to perlit, w drugim z kolei martenzyt. Pośród mieczy tej grupy znajdują się również okazy twardsze, takie jak 1483 albo C.4690. Reprezentują one grupę dobrych jakościowo głowni wykonanych ze stali z niewielkimi inkluzjami żużlu, oraz bardzo wysokiej zawartości węgla sprawiającej, że podczas ochładzania się austenitu powstaje perlit oraz liczne struktury cementytu nadające twardość metalowi.

Następna grupa zawiera egzemplarze, które poddane zostały obróbce cieplnej takiej jak hartowanie a niekiedy i odpuszczanie. Dowodem tego jest występowanie martenzytu, który powstaje jedynie przy gwałtownym schłodzeniu austenitu. W momencie gdy oprócz martenzytu występują inne struktury, można przypuszczać że proces hartowania nie był kompletny. Martenzyt odpuszczony z kolei, jak sama nazwa zresztą mówi, wskazuje na zastosowanie procesu odpuszczania na klindze, które było albo oddzielną czynnością, albo mogło zajść częściowo samoistnie poprzez jedynie chwilowe zanurzenie klingi w chłodziwie i pozostawienie wciąż nagrzanego rdzenia przy jednoczesnym schłodzeniu części zewnętrznej głowni.

Ciekawą grupą porównawczą są miecze renesansowe, które posiadają już o wiele „równiejszą” technikę wykonania. Prawie wszystkie noszą efekty hartowania w formie martenzytu, jeden posiada budowę bainityczną, wynikającą z niepełnego hartu. Zmiana częstości występowania pewnych struktur i ich lokalizacji mówi nam wiele o tym, jak wraz z czasem upowszechniła się obróbka cieplna głowni, która niekoniecznie musiała mieć miejsce we wczesnym średniowieczu.

Źródła:

[1][2][6] Some early medieval swords in the Wallace Collection and elsewhere, David Edge & Alan Williams, Gladius XXIII(2003).

[3][4][5][9][10] A metallurgical study of some viking swords, Alan Williams, Gladius XXIX(2009).

[7][8] Miecze z Ostrowa Lednickiego i Giecza, Muzeum pierwszych Piastów na Lednicy

[11][12][13][14][15] Seven swords of the renaissance from an analytical point of view, Alan Williams, Gladius XIV (1978).