網(wǎng)紅技術(shù)3D打印， 一直在帶給我們驚喜， 除了復(fù)雜的形狀， 在材料性能方面亦展現(xiàn)出巨大的想象空間 。
作者 | 楊懷超 納米材料博士
編輯 | 龍浩 高佩雯
不求連城璧， 只求傷人劍 。 一把稱(chēng)手兵器是古代大俠標(biāo)配 。 這種古老的東西， 現(xiàn)在和最新科技結(jié)合到了一起 。
最近， 來(lái)自德國(guó)的科學(xué)家， 用3D打印技術(shù)造出了一坨“絕世鋼坯”， 靈感來(lái)自18世紀(jì)之前的古法制鋼工藝——大馬士革鋼 。 這種源于古印度的秘技， 可以將鐵鑄成兼具硬度和韌性的好鋼， 在當(dāng)時(shí)的冷兵器時(shí)代被奉為神器 。
而它的秘訣， 就在于不同成分鋼鐵的逐層堆疊， 一層硬、一層韌， 最終造出的兵器可長(zhǎng)期保持刃口鋒利 。 3D打印跟隨這個(gè)思路， 直接生產(chǎn)出了失傳已久的大馬士革鋼！
研究詳情發(fā)表在6月24日的《自然》雜志 。
名動(dòng)江湖的古法制鋼
中國(guó)古代有越王勾踐劍， 英格蘭有石中劍和斷鋼劍， 日本有天叢云劍， 而伊斯蘭國(guó)度， 有令歐洲人羨而不得的大馬士革鋼刀劍 。
這種來(lái)自東方的神奇材料， 傳說(shuō)曾讓12世紀(jì)東征穆斯林的英國(guó)十字軍望而生畏， 并熱烈追逐 。 在13世紀(jì)讓埃及的馬穆魯克騎兵以少勝多， 擊退超二倍蒙古兵 。 拿破侖曾評(píng)價(jià)：“法國(guó)步兵配上馬穆魯克騎兵天下無(wú)敵 。 ”
一把古代大馬士革刀 。 冷兵器時(shí)代， 鑄鐵術(shù)直接影響戰(zhàn)爭(zhēng)成敗 。 |來(lái)自網(wǎng)絡(luò)
但是這一切在18世紀(jì)結(jié)束 。 法國(guó)遠(yuǎn)征的火炮打敗了這些在中世紀(jì)憑借駿馬寶刀戰(zhàn)無(wú)不勝的東方勇士 。 大馬士革鋼原產(chǎn)地印度也被英國(guó)人侵占， 鍛造技術(shù)在18世紀(jì)中葉神秘失傳 。
據(jù)早前《自然》雜志一項(xiàng)研究推測(cè)， 技術(shù)失傳很可能是因?yàn)殄懺齑篑R士革鋼的原材料成分發(fā)生了變化， 礦石中的一種或數(shù)種微量成分消失了 。 原來(lái)用于取材的礦脈被采盡， 鐵匠們憑眼睛無(wú)法察覺(jué)這樣的變化， 但是再也造不出之前的大馬士革鋼了 。
“點(diǎn)石成金”的微成分
為什么肉眼不可見(jiàn)的微量成分， 就能決定大馬士革鋼的命運(yùn)？這從現(xiàn)代科學(xué)來(lái)講， 很好解釋 。
我們?nèi)粘Ｋ?jiàn)的材料， 無(wú)一不是由一個(gè)個(gè)原子組成 。 原子之間結(jié)合的緊密程度， 決定了材料的硬度、韌性和光澤， 等等 。 現(xiàn)代制鋼也經(jīng)常會(huì)為了得到特定性能， 添加一些額外成分 。
在鋼材中， 用來(lái)調(diào)節(jié)硬度的通常是碳元素 。 在純鐵中， 鐵原子呈面心立方或體心立方排列， 質(zhì)地十分柔軟 。 但加入碳之后， 碳和鐵會(huì)結(jié)合形成金屬化合物碳化鐵（Fe3C） 。 因?yàn)殍F和碳之間結(jié)合力遠(yuǎn)高于鐵原子之間結(jié)合力， 所以硬度會(huì)大為增強(qiáng) 。
細(xì)看大馬士革鋼， 會(huì)發(fā)現(xiàn)其表面有著如云海一般夢(mèng)幻的銀黑花紋 。 這些花紋就是碳含量不同所致 。 也生動(dòng)表現(xiàn)了什么叫剛?cè)峤Y(jié)合 。
其中黑色花紋就是含碳量較低（0.8%）的珠光體（現(xiàn)代煉鋼也這么叫） 。 它韌性非常好， 但是硬度不高， 也就是軟 。 銀色花紋是含碳量較高（6.7%）的滲碳體， 它硬度要高得多， 然而韌性幾乎為零， 也就是脆 。
這兩種成分單獨(dú)做刀劍， 都帥不過(guò)三秒， 但是結(jié)合在一起， 卻是鋒利度和韌性兼具， 所向披靡 。
典型的大馬士革刀及其表面花紋 。 |來(lái)自網(wǎng)絡(luò)
古人是怎樣做到這種精細(xì)調(diào)控的， 很難得知， 無(wú)外乎反復(fù)鍛打和升降溫 。 我國(guó)越王勾踐劍和日本刀劍， 用的也都是這種剛?cè)峤Y(jié)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 。 它們代表古法冶金的高峰 。
3D打印行不行
3D打印是近年被熱炒的網(wǎng)紅技術(shù)， 一度被稱(chēng)為“第四次工業(yè)革命”， 反復(fù)被資本熱捧， 又被冷落， 待遇好似過(guò)山車(chē) 。 但它確實(shí)有傳統(tǒng)制造技術(shù)難以企及的好處 。
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