AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE

Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej

PROJEKT INŻYNIERSKI

pt.

„Analiza procesu wytwarzania wyrobów ze stali damasceńskiej”

Imię i nazwisko dyplomanta: Anna Gronek

Kierunek studiów: Edukacja Techniczno - Informatyczna

Profil dyplomowania: Metaloplastyka i Kształtowanie Objętościowe

Nr albumu: 216688

Opiekun: prof. dr hab. inż. Jan Sińczak

Podpis dyplomanta: Podpis opiekuna:

Kraków 2011

Oświadczam, świadomy(-a) odpowiedzialności karnej za poświadczenie nieprawdy, że niniejszy projekt inżynierski wykonałem(-am) osobiście i samodzielnie i że nie korzystałem(-am) ze źródeł innych niż wymienione w pracy.

Kraków, dnia ………….… Podpis dyplomanta…………….

2

Spis treści

1. Wstęp...........................................................................................................................- 4 -

2. Część teoretyczna.......................................................................................................- 5 -

2.1. Historia i pochodzenie...........................................................................................- 5 -

2.2. Nazwa, definicja i podział.....................................................................................- 5 -

2.3. Wytwarzanie bułatu...............................................................................................- 8 -

2.4. Wytwarzanie dziweru..........................................................................................- 10 -

2.4.1. Wzór rzymski..............................................................................................- 10 -

2.4.2. Wzór malajski..............................................................................................- 13 -

2.4.3. Wzór japoński..............................................................................................- 13 -

3. Modelowanie numeryczne kucia przedmiotu w kształcie noża...........................- 16 -

3.1. Wykorzystanie programu numerycznego QForm do modelowania kucia..........- 16 -

3.2. Określenie warunków brzegowych do modelowania numerycznego...........- 17 -

3.3. Modelowanie numeryczne kucia noża.............................................................- 18 -

3.4. Szczegółowa analiza kucia noża.......................................................................- 25 -

4. Wnioski......................................................................................................................- 31 -

5. Bibliografia...............................................................................................................- 32 -

3

1. Wstęp

Stal damasceńska należy do najbardziej tajemniczych oraz do niezwykle interesujących

materiałów. Od dawna stal ta budzi zainteresowanie zarówno historyków jak również

znawców historii i broni dawnej. Pomimo tego literatura dotycząca stali damasceńskiej jest

dość ograniczona, w dodatku starsze publikacje dają niepełny lub zafałszowany obraz tego

stopu. W niniejszej pracy został przedstawiony szereg zagadnień dotyczących stali

damasceńskiej w oparciu o najnowsze badania metaloznawcze.

Projekt ten zakłada literaturową analizę procesu wytwarzania wyrobów ze stali

damasceńskiej oraz modelowanie numeryczne kucia swobodnego przedmiotu w kształcie

noża. Głównym celem pracy jest przedstawienie procesu kucia, jego opracowanie oraz

określenie wpływu warunków prowadzenia procesu na otrzymany kształt kutego elementu.

Ograniczenie narzucone przez wykorzystywany program numeryczny spowodowało, że

modelowanie zostało przeprowadzone na stali zbliżonej składem do stali damasceńskiej.

4

2. Część teoretyczna

Stal damasceńska (zwana „damastem”) to materiał bardzo rzadki, a co za tym idzie

również bardzo tajemniczy. Większość osób słyszała o stali damasceńskiej jako o surowcu,

który był używany do wyrobu szabli, mieczy oraz sztyletów. Również w literaturze pojawia

się ona sporadycznie jako legenda lub ciekawostka. Niewielu jednak orientuje się, czym była

ta stal, jakie miała właściwości oraz jak ją wytwarzano. Złożyło się na to wiele przyczyn.

Najważniejszą jest to, że stal damasceńska nie jest już od dawna produkowana, a wiadomości

o owej stali są rozproszone w najróżniejszych publikacjach.

2.1.Historia i pochodzenie

Stal damasceńska znana była od starożytności, jednak popularność zdobyła niewiele

później. Produkowana była w Indiach począwszy od VII do VI w. p.n.e., sprzedawana na

Bliski Wschód, do Europy trafiła ok. 1400 roku. Europejczycy spotkali się z wyrobami ze

stali damasceńskiej w czasie kiedy toczyli bitwy z muzułmanami - w szczególności podczas

wypraw krzyżowych. Napotykali oni przeciwnika, który walczył mieczami przewyższającymi

jakością oręż europejską. Wynikiem starcia dwóch wojsk było to, że głownie mieczy

europejskich były odcinane jednym zamachem miecza wykonanego z damastu o

niespotykanej twardości i ostrości. Do legend przeszły sytuacje, w których jedwabna

chusteczka wyrzucona w powietrze rozcinana bywała zakrzywionym ostrzem damasceńskim.

Było to wyczynem niemożliwym do osiągnięcia przy pomocy ostrzy europejskich.

Kolejną, równie ciekawą, cechą, która czyniła te miecze intrygującymi był ich wygląd.

Faliste jasne pasma na ciemnym tle występujące na całej długości klingi nadawały broni

interesującego wyglądu i czyniły ją bardzo cenną.

2.2.Nazwa, definicja i podział

Nazwa „stal damasceńska” sugeruje, że wyroby z tej stali pochodziły z Damaszku w Syrii,

gdzie w XIV wieku spotkali się z nią rycerze wypraw krzyżowych i gdzie według

najstarszych źródeł miały być wytwarzane. Zdaniem Włodzimierza Kwaśniewicza, znawcy

broni białej, jest to zbieżność nazw. W mieście tym rozkwitła sztuka zdobienia zwana

damaskinażem (inkrustowanie złotem lub srebrem, miedzią lub mosiądzem również głowni

stalowych). Stal tę należy poprawnie nazywać bułatem (z języka perskiego – pulad). Nazwa ta

występuje w polskich oraz rosyjskich źródłach pisanych już w XV wieku.

5

Rys. 1. Fragment noża wykonanego ze stali damasceńskiej.

W literaturze można znaleźć wiele definicji stali damasceńskiej. Każdy autor zajmujący

się badaniami i opracowaniami na ten temat tworzył własne, w swoim mniemaniu, najlepsze

pojęcie tego materiału. Pierwszą, opracowaną w 1827 roku, definicję stali damasceńskiej

opublikował wybitny niemiecki metalurg C. J. B. Karsten:

„Każda stal, która po wytrawieniu uprzednio wypolerowanej powierzchni rozcieńczonymi

kwasami, witriolem żelaza lub także ałunem wykazuje segregacje o ciemniejszym i

jaśniejszym zabarwieniu, nazywa się stalą damasceńską.” [C. J. B. Karsten – „Handbuch der

Eisenhüttenkunde”]

Definicję tą przyjęli wszyscy autorzy późniejszych publikacji. Weszła ona również do

ówczesnych encyklopedii. Okazało się jednak, że ten termin jest nieścisły, ponieważ ozdobny

wzór na powierzchni głowni stalowych można uzyskać wieloma różnorodnymi, niemających

ze sobą nic wspólnego, sposobami, przy zastosowaniu całkowicie różnych zabiegów.

6

Obecnie najłatwiejszą do znalezienia definicją stali damasceńskiej jest ta zamieszczona w

encyklopedii PWN:

„Stal damasceńska, dawniej wytwarzana stal (zawierająca 1,2–1,8% węgla),

otrzymywana przez przekuwanie na gorąco splecionych prętów żelaznych o różnej zawartości

węgla; sposób wytwarzania opracowany w Indiach we wczesnym średniowieczu; stosowana

do wyrobu białej broni (m.in. szabel damascenek wytwarzanych w Damaszku).”

[Encyklopedia PWN]

Jest to zarazem najmniej trafna definicja tej stali. Istniała stal damasceńska, w której

zawartość węgla wynosiła 0,5%, a więc o zawartości dużo niższej niż ta podawana w

encyklopedii. Ponadto wyrażenie „pręty żelazne o różnej zawartości węgla” jest błędne,

ponieważ albo jest to żelazo, albo stal (stop żelaza z węglem), która już może różnić się

zawartością węgla. Oprócz tego sposób wytwarzania damastu podany w encyklopedii nie jest

jedynym sposobem otrzymywania tej stali.

Wydaje się, więc słusznym stworzenie poprawnej definicji stali damasceńskiej w oparciu

o badania Jerzego Piaskowskiego, którą będziemy traktować za obowiązującą.

Stal damasceńska (damast) to wyrób wykonany z jednego lub dwóch stopów żelaza

(zależnie od metody), który charakteryzuje się wzorzystym ułożeniem na ciemnoszarym tle

jasnych pasm. Damast cechuje się dużą twardością przy zachowaniu dobrej plastyczności i

odporności na pękanie, co nie pozwala na złamanie się broni.

Można wyróżnić dwa główne rodzaje stali damasceńskiej:

a) bułat (damast naturalny, damast krystaliczny) – „stop żelaza z węglem o budowie

złożonej z dwóch składników strukturalnych, różniących się odpornością na działanie

rozcieńczonych kwasów, przy czym ziarna tych składników lub pasma tych ziarn dzięki

odpowiednio przeprowadzonej obróbce metalu stają się tak duże, że mogą być widoczne

okiem nieuzbrojonym.” [Jerzy Piaskowski – „O stali damasceńskiej].

Bułat otrzymuje się z pojedynczego wlewka wytopionego w piecu dymarskim. Bułat

możemy podzielić ze względu na zawartość węgla w stali na:

bułat miękki – stal niezbyt twarda o zawartości ok. 0,5% węgla,

bułat twardy – odmiana bardzo twardej stali zawierającej ok. 1,5% węgla.

7

b) dziwer („sztuczny damast”, damast skuwany) – powstaje poprzez zgrzewanie prętów

żelaznych i stalowych oraz odpowiednie ich przerabianie. Wyroby dziwerowane możemy

podzielić ze względu na sposób zgrzewania i powstały dzięki temu wzór na powierzchni

na:

wzór rzymski – głownie zgrzewane z warstw żelaza i stali, prostopadłych do

powierzchni,

wzór malajski – głownie zgrzewane z warstw żelaza i stali, równoległych do

powierzchni,

wzór japoński – głownie zgrzewane z warstw żelaza i stali oraz nawęglane i

poddawane selektywnemu hartowaniu.

2.3.Wytwarzanie bułatu

Dokładny opis sposobu wytwarzania bułatu pochodzi z XIX wieku, chociaż pierwsze

wiadomości na ten temat pojawiły się już w XVII i XVIII wieku (podawane głównie przez

podróżników francuskich). Najbardziej znany opis wytwarzania tego materiału pochodzi z

1939 roku i został opublikowany przez J. M. Heatha.

Bułat był wytwarzany z wlewków „wootz” (w Indiach zwanego „wuc”). Metal wytapiano

z magnetycznego tlenku żelaza silnie zanieczyszczonego kwarcem. Rudę tłuczono i usuwano

z niej kwarc prze płukanie, a następnie przetapiano w piecach dymarskich o wysokości 1 –

1,5 m nad powierzchnią ziemi.

Z przodu dymarki na wysokości gruntu znajdował się otwór w kształcie półokręgu o

średnicy oraz wysokości równej 30 cm. Był on zalepiany gliną przed każdym wytopem.

Dmuch był doprowadzany przez dwa skórzane miechy, które wtłaczały powietrze do glinianej

dyszy. Dzięki naprzemiennemu działaniu miechów uzyskiwano równomierny dopływ

powietrza. Piec wypełniano węglem drzewnym i wygrzewano. Następnie zasypywano rudę

oraz węgiel. Po czterech godzinach wytopu wyłamywano otwór w przedniej części dymarki i

wyciągano łupkę. Następnie wstępnie przekuwano łupkę (za pomocą drewnianego młota),

aby usunąć powstały żużel. Później przecinano ją na pół celem sprawdzenia czy w bryle nie

zostało zbyt wiele żużla. Tak przygotowany materiał sprzedawano kowalom.

Kowale poprzez ogrzewanie w małych ogniskach i wykuwaniu dostawali pręty. Niestety

metal taki miał tendencję do pękania przy kuciu na gorąco. Powstałe pręty cięto na kawałki,

które umieszczano w tyglu z gliny ognioodpornej razem z dodatkiem suszonego drewna ze

8

strączyńca1. Całość przykrywano dwoma gałązkami mleczary olbrzymiej2 i szczelnie

zalepiano otwór tygla gliną.

Rys. 2. Materiały potrzebne do wykucia wlewka wootz.

Tak przygotowane tygle umieszczano w specjalnym piecu, które przykrywano węglami i

wygrzewano przez około 2,5 godziny. Następnie tygle wyjmowano z pieca i rozbijano w celu

wyciągnięcia z nich zakrzepłego na dnie krążka stali. Uzysk żelaza w procesie dymarskim był

bardzo niski i wynosił tylko 15%.

Rys. 3. Etapy przekuwania wlewka wootz.

Krążki wootz’u poddawano dodatkowemu wyżarzaniu, a następnie wykuwano z nich

głownie szabli, sztyletów, części zbroi itp., które były hartowane i odpuszczane. Po

1 Strączyniec (łac. Cassia auriculata) - mały krzew strączkowy o żółtych kwiatach, wywodzący się z Indii i Arabii Saudyjskiej.2 Mleczara olbrzymia (łac. Asclepius gigantea, obecnie Calotropis gigantea) – roślina o dużych, owalnych jasnozielonych liściach i mlecznej łodydze. Występuje w gorących i ciepłych obszarach Azji oraz Afryki.

9

wyszlifowaniu, wypolerowaniu i oczyszczeniu powierzchni przedmiotów zanurzano je w

wodnym roztworze minerału „zagh” (siarczan żelaza), którym znajdował się w naczyniu

szklanym, porcelanowym lub ołowianym. Gdy na powierzchni przedmiotu pojawiał się wzór

wyjmowano go z naczynia, suszono i natłuszczano.

Rys. 4. Gotowy wyrób z bułatu.

2.4.Wytwarzanie dziweru

Wielu autorów i badaczy zajmujących się badaniami nad stalą damasceńską opisuje w

swoich pracach damast naturalny (bułat) pomijając lub tylko wspominając o drugim rodzaju

stali damasceńskiej, tj. o damaście skuwanym (dziwer).

W przeciwieństwie do bułatu, który wymagał odpowiedniego materiału wyjściowego,

przedmioty dziwerowane były wykonywane z dwóch gatunków stali (lub stali i żelaza) o

różnej zawartości węgla. Im różnica w zawartości węgla była większa tym lepiej widoczny

był wzór powstały na powierzchni przedmiotu. Istniało wiele technik pozwalających na

otrzymanie dziweru. Zastosowanie konkretnej technologii pozwalało na otrzymanie innego

rodzaju wzoru na powierzchni wyrobu i stanowi wyznacznik podziału przedmiotów

wykonanych z dziweru. Wyróżniamy zatem głownie stalowe z wzorem rzymskim, malajskim

lub japońskim.

2.4.1. Wzór rzymski

Sposób uzyskiwania oraz miejsce powstawania wzoru rzymskiego nie są do końca znane.

Czy technika wyrobu takich głowni stalowych została przejęta przez Rzymian od Celtów, czy

może zarówno jedni jak i drudzy korzystali z osiągnięć innych plemion. Wiadomo natomiast,

że miecze takie wytwarzano już w III w. n.e. Głownie takich mieczy składały się ze

stalowych ostrzy, z wzorzystej części środkowej i z żelaznego grzbietu.

10

Rys. 5. Przekroje poprzeczne mieczy rzymskich.

Sposób uzyskiwania takiego wzoru przedstawił w 1779 roku J.J. Perrot w podręczniku o

obróbce stali „Memoire sur l’acier”. Polegał on na wykuwaniu ośmiu taśm ze stali, pięciu

taśm z miękkiego żelaza oraz cztery taśmy z kruchego żelaza o wymiarach ok. 320x27x2 mm

każda, Tak przygotowany materiał składało się w pakiety według kolejności taśm: na

początek jedna taśma z miękkiego żelaza, następnie taśma stalowa, później z kruchego żelaza,

dalej stal, miękkie żelazo i tak aż do 17 warstwy, która była z miękkiego żelaza.

Rys. 6. Ułożenie warstw w pakiecie do wyrobu dziweru o wzorze rzymskim.

Taki pakiet nagrzewało się w ognisku, skuwało, a na koniec wydłużało na czworokąt i

wygładzało. Kolejnym etapem było skręcanie wiązki, wygładzanie na kowadle i przekuwanie.

Po tych operacjach przecinało się tak powstały dziwer na dwie równe części. Aby wykonać

ostrze miecza należało wykuć taśmę ze „zwykłej stali” o tej samej długości i szerokości co

11

dziwer i grubości ok. 4,5 mm. Następnie umieszczało się tę taśmę stalową pomiędzy dwoma

taśmami dziweru i zgrzewało na grubość końcową przedmiotu.

Rys. 7. Powstawanie wzoru na powierzchni głowni przy skręcaniu stalowych i żelaznych taśm.

W niektórych przypadkach, dla obniżenia kosztów, część wzorzystą wykonywano tylko z

pięciu prętów: trzech stalowych i dwóch żelaznych.

Tak więc technika wyrobów dziwerowanych polegała na składaniu prętów stalowych i

żelaznych, a następnie na skręcaniu wiązki.

Głownie takich mieczy hartowano w wodzie z dodatkiem soli lub w mieszaninie moczu i

wody. Następnie nagrzewano je do temperatury około 820ºC i odpuszczano do temperatury

300ºC. Dzięki temu miecz uzyskiwał większą sprężystość. Aby jednak przy tym ostrze

pozostawało twarde, chłodzono je nakładając na nie surowe ziemniaki.

Chcąc ujawnić charakterystyczny wzór na powierzchni wyrobu należało go wyszlifować,

a następnie wypolerować za pomocą naoliwionego kawałka drewna oraz sproszkowanego

hematytu3. Dalej zmywano dokładnie resztki tłuszczu za pomocą wapnia niegaszonego,

umieszczano głownię w korycie napełnionym wodą i dolewano do niego kwas azotowy. Gdy

na powierzchni wyrobu pojawiał się wzór, wyjmowano go, płukano czystą wodą, wycierano

lnianym płótnem i powlekano olejem dla ochrony przed korozją.

Rys. 8. Nóż dziwerowy ze wzorem rzymskim.

3 Hematyt (gr. haema) - pospolity minerał, tlenek żelaza (III).12

2.4.2. Wzór malajski

Znаcznie łаtwiejszy do wykonania był sposób, który polegał na zgrzewaniu warstw żelaza

i stali, ułożonych równolegle do powierzchni głowni. Taki wzór występuje na głowniach

wschodnich, jest on jednak szczególnie charakterystyczny dla noży malajskich, zwanych

krisami.

Wzór malajski charakteryzuje się okresowo powtarzającymi się, podobnymi figurami,

utworzonymi z równoległych ciemnych i jasnych pasm, które zawsze się zamykają.

Nie wiadomo jednak, kto i kiedy sposób powstawania wzoru wynalazł. Możliwe, że

nastąpiło to w Indiach lub na Jawie, gdzie technika ta była najbardziej rozpowszechniona.

Broń ze wzorem malajskim była zgrzewana z trzech warstw: środkowej stalowej i dwóch

części zewnętrznych żelaznych. Powstały pakiet nawęglano, kilkakrotnie składano i

zgrzewano. Następnie odkuty wyrób hartowano i odpuszczano. Po przekuciu głowni i

odpowiednim zeszlifowaniu należało wytrawić ją rozcieńczonym kwasem.

Rys. 9. Kris malajski.

2.4.3. Wzór japoński

Najbardziej złożonym wzorem ozdobnym jest wzór występujący na powierzchni mieczów

japońskich samurajów. Charakterystyczną cechą tych mieczy jest nie tylko zgrzewanie prętów

stalowych i żelaznych oraz wytwarzanie warstewek nawęglonych, ale przed wszystkim

zastosowanie hartowania selektywnego.

Pierwszym etapem jest wykucie z miękkiego żelaza prostokątnej płytki, do której

przymocowuje się uchwyt żelazny metodą zgrzewania. Następnie bryłki wysokowęglowej

stali (o zawartości 1-1,6% węgla) przekuwa się na płaskie płyty i hartuje w wodzie. Po

ochłodzeniu kruszy się je na mniejsze kawałki i układa się warstwowo na wcześniej

przygotowaną płytkę. Całość posypuje się specjalną mieszanką i szczelnie owija w papier.

13

Pakiet taki nagrzewa się w palenisku i zgrzewa mocnymi uderzeniami młota. Następnie

wydłuża się go, aby uzyskać wymiar dwa razy większy od początkowego. Specjalnym

przecinakiem nadcina się na środku na 2/3 grubości, składa w połowie i wkłada do ognia. Po

wyjęciu z ognia następuje zgrzewanie pakietu. Proces ten powtarza się sześć razy lub więcej.

Po zakończeniu procesu pakiet wykuwa się na płaskownik i dzieli na trzy części. Przy kuciu

długiego miecza potrzebne są cztery takie części, więc proces należy przeprowadzić

powtórnie. Po złożeniu czterech części zgrzewa się je w jedną całość i wykuwa prostokątną

płytę o odpowiednich wymiarach. Na specjalnym kowadle formuje się ją na gorąco w kształt

rynienki. Tak otrzymuje się twardy płaszcz miecza.

Rys. 10. Etapy wykuwania miecza japońskiego.

Kolejnym etapem jest wykonanie miękkiego rdzenia. Odpowiednią ilość stali o zawartości

0,5% węgla należy złożyć i zgrzać dziesięć razy. Wykuwa się z tego pręt w kształcie klina,

który musi idealnie pasować do wcześniej wykutej rynienki i łączy oba elementy. Następnie

nadaje się poprzez kucie właściwy kształt głowni miecza. Końcowymi etapami są: dokładna

obróbka skrobakiem i pilnikiem oraz proces hartowania ostrza.

Miecze japońskie są hartowane selektywnie, czyli hartowane jest tylko ostrze miecza.

Oglądając taki miecz można zauważyć jasną wstęgę stali tworzącą ostrze. Efekt ten uzyskuje

się poprzez parokrotne pokrycie miecza specjalną mieszanką glinki, sproszkowanego

14

kamienia szlifierskiego, mielonego węgla drzewnego i wody. Po ostatecznym nałożeniu

glinki, należy ją wygładzić i odłożyć miecz do wystygnięcia. Następnie należy włożyć

głownię do ognia i nagrzać ją równomiernie na całej długości. Po wyjęciu z ognia należy

miecz zanurzyć w wodzie. Po oczyszczeniu z glinki ponownie nagrzewa się miecz, aby

zlikwidować naprężenia hartownicze. W procesie hartowania nadawana jest również

prawidłowa krzywizna głowni.

Ostatnim etapem jest polerowanie głowni, które prowadzi się korzystając z wielu

rodzajów kamieni polerskich o zróżnicowanej ziarnistości. Jest to najdłuższy etap, który może

trwać do kilku miesięcy.

Przy wykonywaniu mieczy japońskich nie jest potrzebny proces trawienia, ponieważ

wtórna głowni ujawnia się podczas polerowania wyrobu.

Rys. 11. Miecze japońskie.

15

3. Modelowanie numeryczne kucia przedmiotu w kształcie noża

Celem modelowania numerycznego była analiza technologii kucia wyrobu w kształcie

noża. Zakres pracy obejmował przeprowadzenie symulacji w programie QForm.

3.1.Wykorzystanie programu numerycznego QForm do modelowania kucia

Program QForm jest komercyjnym programem typu CAE4 do symulacji procesów: kucia,

wyciskania oraz walcowania na gorąco, ciepło lub zimno. Umożliwia analizę modeli 2D oraz

3D. Jest on oparty na metodzie elementów skończonych. Program zawiera moduły QDraft i

QShape, które umożliwiają importowanie geometrii narzędzi i wsadu z innych programów,

pozycjonowania i edytowania ich oraz generację siatki MES. Użytkownik może dysponować

bazami: materiałową i narzędziową, które może edytować i rozbudowywać.

Określenie warunków brzegowych procesu polega na wyborze:

a) typu procesu (kucie na młocie, walcowanie, profile wyciskania itp.),

b) typu geometrii (2D lub 3D),

c) rodzaju ewentualnych zagadnień cieplnych (np. chłodzenie w powietrzu),

d) konkretnego rodzaju maszyny,

e) parametrów procesu (np. odległość końcowa między narzędziami),

f) parametrów wsadu (temperatura, materiał wsadu itp.),

g) parametrów narzędzi (smar, temperatura narzędzi itp.).

Wynikiem przeprowadzonej symulacji poza geometrią końcową są takie informacje jak

rozkład temperatury, intensywność odkształceń, intensywność prędkości odkształcenia,

intensywność naprężeń, linie płynięcia oraz wykresy siły, pracy, energii itp.

Rys. 12. Przykładowe wyniki symulacji w programie QForm.

Program QForm umożliwia ponadto:4 CAE (Computer-Aided Engineering) – komputerowe wspomaganie analiz i obliczeń inżynierskich.

16

symulowanie ruchu wsadu,

ręczne pozycjonowanie wsadu przed symulacją,

odtworzenie kształtu całego wsadu z jego ćwiartki lub połówki,

przewidywanie zużycia narzędzia,

przewidywanie różnych defektów płynięcia materiału (niewypełnienie, zakucie itp.),

wykrawanie otworów oraz okrawanie wypływki pomiędzy operacjami kucia,

wyświetlanie linii płynięcia warstwa po warstwie,

wyświetlanie punktów śledzenia i wykresów dla tych punktów.

3.2.Określenie warunków brzegowych do modelowania numerycznego

Badania modelowe zostały przeprowadzone za pomocą programu QForm 2D/3D v. 5.1.

Ich celem było przeanalizowanie sposobu płynięcia metalu podczas kształtowania przedmiotu

w kształcie noża, którego kąt zbieżności wynosi 15º.

Dla operacji przyjęto następujące parametry:

• zakres temperatur kucia: 1200ºC - 850ºC,

• temperatura narzędzi: 20ºC,

• czynnik tarcia 0,7,

• stal C60 o składzie chemicznym:

o 0,57 – 0,65% C,

o max 0,4% Si,

o 0,6 – 0,9% Mn,

o max 0,045% P,

o max 0,045% S,

o max 0,4% Cr,

o max 0,1% Mo,

o max 0,4% Ni,

o max 0,65% (Cr+Mo+Ni).

Obliczenia przeprowadzono na młocie, którego masa części ruchomych wynosi 5 kg, a

energia kinetyczna uderzenia 80 J.

3.3.Modelowanie numeryczne kucia noża

W procesie modelowania numerycznego kucia przedmiotu w kształcie noża materiałem

wyjściowym był płaskownik o grubości 6 mm i szerokości 20 mm przedstawiony na

rysunku 13.17

Rys. 13. Kształt i wymiary wsadu.

I. Wykuwanie trzonka noża.

Przy wykuwaniu trzonka noża materiał został częściowo oparty na kowadle i był uderzany

młotkiem (rys. 14). W warunkach rzeczywistych nie jest możliwe przeprowadzenie operacji

kucia bez nie trzymania wsadu. Trzymanie nie pozwala na swobodne przemieszczanie się

materiału i nie powoduje jego odginaniu się ku dołowi.

18

Rys. 14. Ustawienie narzędzi oraz wsadu.

Rys. 15. Pierwszy etap wykuwania trzonka noża.

19

Rys. 16. Ustawienie wsadu oraz narzędzi do drugiego etapu kucia trzonka noża.

Rys. 17. Drugi etap wykuwania trzonka noża.

II. Wykuwanie ostrza noża przy użyciu dwóch manipulatorów.

Przy wykuwaniu ostrza noża pojawił się problem odkształcania się materiału i jego

odginaniu od powierzchni kowadła ku górze. Celem zastosowania dwóch sztywnych

manipulatorów miało być uniemożliwienie tego odkształcenia. Jednak podczas próby okazało

się, że płynięcie metalu zostało bardzo ograniczone przez co na powierzchni przedmiotu

zaczęły tworzyć się fałdy oraz nieestetyczne krzywizny (rys. 19). Dlatego przy kolejnej

operacji zrezygnowałam z manipulatora trzymającego ostrze noża (rys. 20).

20

Rys. 18. Pierwszy etap wykuwania ostrza noża.

Rys. 19. Drugi etap wykuwania ostrza noża przy użyciu dwóch manipulatorów.

21

Rys. 20. Trzeci etap wykuwania ostrza noża po rezygnacji z jednego z manipulatorów.

III. Wykuwanie ostrza noża przy użyciu jednego manipulatora.

Uderzenie pierwsze przy wykonywaniu ostrza noża przebiegał tak samo jak w punkcie II

(rys. 18). Podczas wykuwania ostrza noża istotnym problemem okazało się odkształcanie

przedmiotu – odrywanie się go od kowadła oraz wyginanie się. W swoich obliczenia

zaplanowałam wykucie ostrza podczas trzech operacji. Okazało się to jednak mało skuteczne i

spowodowało nieestetyczny wygląd noża. Na ostrzu zaczęły się pojawiać fale (rys. 24).

Rys. 21. Ustawienie młotka oraz wsadu na początku drugiego etapu wykuwania ostrza noża.

22

Rys. 22. Etap drugi wykuwania ostrza noża.

Rys. 23. Ustawienie młotka oraz wsadu na początku trzeciego etapu wykuwania ostrza noża.

23

Rys. 24. Kształt ostrza noża po trzecim uderzeniu.

Rys. 25. Nóż po wstępnym kuciu trzema uderzeniami.

24

3.4.Szczegółowa analiza kucia noża

Przy analizie kucia noża należy zwrócić uwagę na dwa parametry: rozkład temperatury

(rys. 26) oraz intensywność odkształcenia (rys. 27) w kutym elemencie. Można zauważyć, że

zarówno temperatura, jak i intensywność odkształcenia przyjmują najniższą wartość na końcu

ostrza (w rozważaniach pominięto trzonek noża).

Wzdłuż linii przekroju (rys. 28) została zmierzona średnia temperatura (rys. 29) oraz

średnia intensywność odkształcenia (rys. 30).

Rys. 26. Rozkład temperatury.

Rys. 27. Rozkład intensywności odkształcenia.

25

Rys. 28. Linia przekroju.

Średnia temperatura na przekroju wynosi 944ºC. Można zaobserwować, że temperatura na

końcu noża jest niższa niż w jego części środkowej.

Rys. 29. Rozkład temperatury.

Średnia intensywność odkształcenia wynosi 0,45. Przy czym intensywność ta jest

mniejsza na końcu noża.

Rys. 30. Rozkład intensywności odkształcenia.

26

Interesującym problemem jest koncentracja naprężeń w miejscu pomiędzy dwoma

kolejnymi uderzeniami (rys. 31). Może być to spowodowane występowaniem niejednorodnej

struktury w materiale.

Rys. 31. Szczegół noża.

27

Należy również zwrócić uwagę na rozkład temperatury oraz intensywność odkształcenia

na trzech kolejnych przekrojach (rys. 32, rys. 34, rys. 36).

Rys. 32. Linia przekroju w punkcie 1.

Rys. 33. Rozkład temperatury oraz intensywności odkształcenia w punkcie 1.

28

Rys. 34. Linia przekroju w punkcie 2.

Rys. 35. Rozkład temperatury oraz intensywności odkształcenia w punkcie 2.

29

Rys. 36. Linia przekroju w punkcie 3.

Rys. 37. Rozkład temperatury oraz intensywności odkształcenia w punkcie 3.

30

4. Wnioski

W oparciu o literaturową analizę wytwarzania przedmiotów ze stali damasceńskiej oraz

modelowanie numeryczne kucia wyrobu w kształcie noża można podać następujące wnioski:

1. Największym problemem z jakim spotykali się badacze chcący zrekonstruować wyroby z

bułatu jest posiadanie odpowiedniego materiału. Aby móc wykuć głownię bułatową

należy wytopić wlewek wootz, który ma ściśle określony skład chemiczny. Brak

odpowiednich dodatków stopowych nie pozwala na uzyskanie wzoru na powierzchni

przedmiotu.

2. Wzór damasceński na powierzchni wyrobu można uzyskać wieloma różnorodnymi

metodami przy zastosowaniu zupełnie różnych operacji. Rozróżnia się dwa rodzaje

damastu: bułat oraz dziwer. Różnią się one sposobem uzyskiwania wzoru na powierzchni.

3. Ważnym zagadnieniem przy wytwarzaniu wyrobów z damastu (zarówno bułatowych, jak

i dziwerowych) jest obróbka cieplna. Źle przeprowadzona może być przyczyną nie

pojawienia się na powierzchni wyrobu charakterystycznego wzoru. Może również

prowadzić do utraty specyficznych własności stali damasceńskiej.

4. Podczas modelowania numerycznego kucia przedmiotu w kształcie noża istotnym

problemem było zniwelowanie wyginania się wyrobu przy kuciu zarówno trzonka, jak i

ostrza. Pierwszym krokiem był dobór odpowiedniego narzędzia do kucia. Młotek o masie

5 kg okazał się dobrym narzędziem, dzięki czemu możliwe było kucie ostrza noża bez

prostowania przedmiotu.

5. W obliczeniach numerycznych wystąpiło odrywanie wyrobu od kowadła i jego

wyginanie. Zastosowanie systemu dwóch sztywnych manipulatorów (jeden trzymający

trzonek, a drugi koniec ostrza) umożliwiło poprawne ułożenie materiału na kowadle.

Stosowanie tylko jednego manipulatora nie rozwiązywało problemu odkształcania się

przedmiotu.

6. Symulacja kucia noża pokazała także inny problem – powstawanie na ostrzu fal. Należy

zbadać czy przy zastosowaniu mniejszych posuwów wyrób nadal będzie miał tendencję

do odkształcania bez tego typu wady, oraz czy przy odwróceniu przedmiotu o 180º będzie

możliwe zniwelowanie krzywizny powstałej po oderwaniu się przedmiotu od powierzchni

kowadła.

31

5. Bibliografia

Pozycje literaturowe

1. Piaskowski J.; „O stali damasceńskiej”; 1974 r.

2. Piaskowski J.; „Stal „damasceńska” (bułat) w świetle badań metaloznawczych”; w:

Wiadomości Hutnicze; t. 22; nr 3; 1966 r.

3. Piaskowski J.; „Stal „damasceńska” (bułat) w starożytności i średniowieczu”; w: Z

otchłani wieków; nr 1-2; 1961 r.

4. Verhoeven J. D.; „Tajemnica damasceńskiej stali”; w: Świat Nauki; nr 4(116); 2001 r.

5. Podoski J.; „Legenda damastów”; w: Broń i barwa; R2; nr 12; 1935 r.

6. Piaskowski J.; „Stal „damasceńska” (bułat) w świetle nowoczesnego

metaloznawstwa”; w: Kwartalnik Historii Nauki i Techniki; t. 1; nr 3; 1966 r.

7. Podoski J.; „Bułaty” w: Broń i barwa; R1; nr 2 i nr 3; 1934 r.

8. Piaskowski J.; „Technika wczesnośredniowiecznych wyrobów dziwerowanych w

świetle nowych badań”; w: Przegląd Mechaniczny; zeszyt 15; 1959 r.

9. Celadyn K., Sińczak J., Bednarek S., Łukaszek – Sołek A.; „”Kucie broni białej ze

stali damasceńskiej”; w: Hutnik – Wiadomości Hutnicze; nr 12; 2010 r.

10. Podoski J.; „Damasty skuwane”; w: Broń i barwa; R2; nr 10 i nr 11; 1935 r.

11. Panas K.; „Jak powstaje legendarny miecz japoński NIPPON TO”; [w:] Studenckie

teki historyczne; zeszyt 3; Wydawnictwo Uniwersytetu Gdańskiego; Gdańsk; 2006 r.

12. Sińczak J., Łukaszek-Sołek A., Bednarek S., Skubisz P.; „Metodyka projektowania

procesów kucia przy wsparciu metody elementów skończonych”; Wydawnictwo

Naukowe AKAPIT; Kraków; 2010 r.

Źródła internetowe

13. http://www.ithink.pl/artykuly/aktualnosci/nowinki-technologiczne/o-stali-

damascenskiej-slow-kilka/; dostęp w dniu: 10.11.2010 r.

14. http://pl.wikipedia.org/wiki/Stal_damasce%C5%84ska; dostęp w dniu: 9.11.2010 r.

15. http://encyklopedia.pwn.pl/haslo.php?id=3890457; dostęp w dniu: 9.11.2010 r.

16. http://www.grafidea.pl/kuznia/damast/damast.htm; dostęp w dniu: 29.11.2010 r.

17. http://shirotatsu.dl.interia.pl/robo/tatsuoinue.pdf; dostęp w dniu: 29.11.2010 r.

32