ТЕХНОЛОГИЧНИ СХЕМИ ЗА ИЗРАБОТКА НА СТРЕМЕНА ОТ СРЕДНОВЕКОВИЕТО И АНАЛИЗ НА МИКРОСТРУКТУРАТА ИМ

Стeлиaн Желев Георгиев Тихомир Гришев Василев

ВЪВЕДЕНИЕ В ИСТОРИЯТА НА МЕТАЛООБРАБОТКАТА И ДАТИРОВКА НА ОБЕКТИТЕ

Желязото, за разлика от медта и златото, корозира много силно и не оставя голямо количество веществен доказателствен материал който бихме могли да анализираме. Известно е, че първите железни предмети са били направени от желязо, което е имало метеоритен произход. Счита се, че това е станало в началото на ІІI хил. пр.н.е. Ескимосите са откъсвали с примитивни средства малки парчета от тежащите тонове фрагменти на метеорита Агпаликик (при Кейп Йорк в Северозападна Гренландия ) за да правят от тях остриета за харпуни с което да улеснят лова си.

Желязото е пореден номер 26 от периодичната система, сиво-бял метал с относително тегло 7,87gm/cm3 и температура на топене 1539 oC. В земната кора (повърхностния слой с дебелина 16 км.) участва с 5.1% тегловнo количество. По разпространение заема шесто място сред всички елементи и трето след алуминия и натрия. Латинското название на елемента Ferrum произлиза от гръко-латинското fаrs, което означава твърдост.

В най-ранните открити железни предмети има наличие на никел, което е доказателство за метеоритния произход на използваното тогава желязо. Тези находки датират от III хил.пр.н.е тогава металообработката се е базирала на формоизменение, чрез пластична деформация (свободно коване). От II хил.пр.н.е. има железни находки в които няма наличие на никел това ни кара да смятаме, че започва леене на желязото и начало на “Желязна епоха” която променя коренно битието на древния човек. В днешните български земи “Желязната епоха” се датира след ХІІ в. пр.н.е. Степента на използваните на материалите в зависимост от периода на използването им символично може да се изобрази със следната диаграма представена на фиг.1.

505

Фиг.1.Степен на приложение на металите желязо(Fe), мед(Cu), злато(Au) в зависимост от периода на използване.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

хилядолетие

степ

ен н

а пр

илож

ение

,%

Поради високата температура на топене желязото изисква специални методи за загряване. Това кара древните хора да изградят пещи които са подходящи за топенето му. Първите пещи за добиване на желязо вероятно са представлявали плитко огнище с отвор в долната част, който бил обърнат към страната, откъдето обикновено духал вятърът. Оттам и наименованията им – ветрени или трапови пещи. Ветрена пещ от този тип е илюстрирана на Фиг.2.

Фиг.2.Схема на древна пещ за топене на метал.

506

V IV III II I I II

Период от който датират изследваните находки

Пр.н.е Сл.н.е

1 2 3 4 5 6

Табл.1. Различните видове обработка на различните материали са представени в следната таблица

Период Година Епоха

Характеристика на металообработката за дадените материали

Fe Cu Au

1 5000-4000 пр.н.е.

Халколит Не се обработва

Самородна мед първи опити за

легиране

Обработка чрез коване на самородно

злато

2 4000-2500 пр.н.е.

Ранна бронзова

епоха

Първи опити на обработка на

метеоритно желязо Fe+Ni [ ]

Целенасочено легиране на мед с

Арсен (As) и Калай(Sn)

Отливки със сърца, начало

прецизно леене извличане от

перит

3 2500-1500 пр.н.е.

Бронзова епоха

Леене на желязо и използването му за култови предмети

Добив от медна руда и начало на

действителна металургия

Използване за накити и

украшения, легиране със сребро(Аg) и

мед(Cu)

4 1500 пр.н.е до н.е

Желязна епоха

Добив от желязна руда и изработка на инструменти и

оръжия

Изравняване на степента

използване на медта с тази на

желязото

Изработка на култови

предмети за скъпоценности

накити и украшения

5 н.е-1000 сл.н.е

Средновековие

Високо приложение за

оръжия и оръдия на труда

Намалява използването на мед за оръжия, изработка на

култови предмети

Изработка на култови

предмети и скъпоценности

накити и украшения

6 1000-2000

Съвременна

цивилизация

Най-разпространен от

всички метали поради ниската си

цена, основно приложение в

машиностроенето

Използва се при най-различни съоръжения за

агресивни среди, високо

приложение на медни сплави в

машиностроенето като фрикционни

материали

Използва се в бижутерията като сплав с

Платина(Pt) и Сребро(Ag).Използва се като валутен метал

от златния запас на

държавата.

507

В този доклад разглеждаме методите за изработка на различни видове стремена открити на територията на България, които вероятно са използвани по време на създаването на българската държава VІІв. или по време на “Византийското робство” ХІв.

Фиг.3.Общ вид на стреме “стрелци” Фиг.4.Общ вид на стреме “тежка кавалерия”

Определенията за уточняване на вида на различните стремената е в зависимост от формата и габаритните им размери. Като за стреме “стрелци” (Фиг.3) се взима под внимание компактността и лекотата на конструкцията от необходимата пъргавина на тази бойна единица. За стреме “тежка кавалерия” (Фиг.4) се отчита голямото количество доспехи и необходимостта от стреме което да поема по големи натоварвания.

Технологични схеми за изработка на стременатаЗа анализиране на методите на изработка бе направен първоначален оглед на

стремената. От него се видяха вида на обработката и разположението на съединенията. Анализа на необходимите инструменти и приспособления за изработка на всеки от обектите е направен със следните последователни схеми:

Технологични схеми за изработка на стреме от вид “стрелци”

508

Фиг.5 3D-компютърен модел на стреме ” стрелци ”

Фиг.6 Технологични схеми за изработка на стреме вид “ стрелци “

a б

в г

д е

509

На (фиг.5) е представен 3D-компютърен модел на стремето “стрелци” който е направен на базата на снимки които са използвани в доклада. Фиг.6 показва различните етапи на изковаване на детайла, както и разположението и вида на използваните инструменти в пространството. Показано е изковаването на заготовката, като се вижда, че основната част от метала е съсредоточена в средата, а краищата на заготовката са изтънени за извършване в последствие на по-качествена ковашка заварка между тях. След това средната част от заготовката се изковава за придаване на плоска форма, така че стремето да е стабилна опора и да изпълнява своите функции. Следващата позиция показва как от долната стана на широката част е направено профилиращо коване - то се прави или за намаляване на количеството използван материал или за придаване на по-изящен вид на стремето. Следващата операция представлява огъване на малка част от краищата, които по-нататък участват в съединението на ковашката заварка. Съществен технологичен момент е начина на огъване на изкованата заготовка който е направен върху наковалня която има съответен радиус на закръгление. Огъването се извършва първо от едната страна и след това от другата, докато двата края на заготовката се доближат и се застъпят един върху друг. На последната фигура е показано ковашкото заваряване на двата огънати края поставени един върху друг. Така съединението се осъществява и на мястото в което се извършва е пробит отвор през който минава ремъка държащ стремето към седлото на коня. В конструкцията се наблюдава голяма технологичност което улеснява изработката на голям брой детайли за кратко време.

Технологични схеми за изработка на стреме от вид “тежка кавалерия”

Фиг.7 3D-компютърен модел на стреме ” тежка кавалерия ”

510

Фиг.8 Технологични схеми за изработка на стреме от вид “тежка кавалерия”

а б

в г

д е

ж з

На фиг.7 е показан 3D-компютърен модел на стреме от “тежка кавалерия” който също е направен на базата на снимки използвани в доклада.Този вид стремена са направени от три отделни части които отново са свързани с ковашки заварки. Един от елементите е степенката, схемите на изработката и са показани на Фиг.8 /а,/б и /в. На снимка /а е показано самото изковаване на степенката която

511

Граница на ковашката заварка

Ивица образувана в следствие на коването

се поставя върху плоска повърхнина и се нанасят последователни удари до достигането на необходимата дебелина.Следващата схема показва огъване в краищата на степенката за която после се заваряват двете скоби. Пробиването на степенката се показва на фиг.8 /в, като за целта се използва приспособление което в единия си край е “пробой” със скосена част на върха, а на другия край се нанасят удари. Следващите операции са изработка на скобите, показани на фигурите като се вижда изковаването от заготовка до цилиндричен елемент който в последствие се заварява за планката.

Микроструктурен анализ на стремената. Интересни зони за микроструктурен анализ са зоните на ковашките заварки, както и основните материали на отделните детайли. От този анализ до голяма степен може да съдим за достоверността на вида и режимите използвани за тези съединения, както и температурите при които се е извършило изковаването им.

Микроструктурен анализ стреме от вид “стрелци”На Фиг.9 е показана макроструктура в зоната на ковашката заварка.

512

Несплавена зона в границата на ковашката заварка

Фиг.10 Микроструктура на ковашката заварка на стреме “стрелци” при увеличения /а,/б-х63; /в, /г-х125; /д,/е-х250; /ж,/з-х500; /и,/к-х1000;

а б

в г

513

160μm

80μm 80μm

Изтеглени неметални включванияИзтеглени неметални включвания

Зона и уедрена структура

160μm

д е

ж з

514

Неметални включвания

Феритно зърно

40μm 40μm

20μm 20μm

и k

Фиг.11 Твърдост HV10 на изследваните стремена

Интересни зони за микро структурен анализ са както зоните на ковашките заварки така и основните материали на отделните детайли. От този анализ до голяма степен може да съдим за достоверността на вида и режимите използвани за тези съединения, както и температурите при които се е извършило изковаването на отделните части. На фиг.9 схематично е показано положението на шлифа, който е направен за анализиране на съединението. На снимката за

515

10μm

Сулфидни включвания

10μm

Окиси

147 146 142 129 118 114

142 135 136 168 156 166

<52 66

макроструктурата се наблюдава вълнообразна ивица която вероятно е граница на ковашката заварка. Също така се виждат и зони които не са сплавени при извършване на заварката. Възможно е в тях да са попаднали неметални частици от огнището по време на нагряването преди обработка.

На Фиг.10 показана микроструктурата на ковашката заварка стреме “стрелци“ при малки увеличения в различни зони. Забелязва се, че сулфидите имат ”изтеглен” вид. В ковашката заварка окисните зони са по-окръглени и хомогенни. Добре се проследява линията на термично – деформационно заваряване. Структурите на метала от различни зони на стремената са много интересни и най-разнообразни и могат да илюстрират всеки добър учебник по металознание. Наблюдават се както феритни (обезвъглеродени) зони, така и феритно-карбидни, перлитни и навъглеродени зони. В перлитните участъци се наблюдават процеси на окисляване и обизвъглеродяване, дължащи се на многократното поставяне и нагряване в огнището за прековаване. Следствие на обезвъглеродяването на места изобщо няма перлит. Металографските изследвания и в надлъжно, и в напречно направление на шлифовете, установи много дефекти във феритните (бедни на въглерод) зони. И в надлъжно, и в напречно направление на границите между слоевете има нееднородности , получени при приковаването на слоевете. Във феритната структура, в зоните на ковашките заварки, се наблюдават дислокации и субграници. Замерената твърдост заедно с направения структурен анализ ни позволява условно да оприличим използвания за изработката на стремената материал за съвременната стомана 20.

Проведените изследвания доказват високото качество на изработените от средновековните майстори по българските земи железни предмети и са показателни за постигнатата от българите висока техническа култура.

ЛИТЕРАТУРА[1] Данова В. – Древният свят-София, 1993.[2] Bjorkman J.K. – Meteors and meteorites in the aneient Near East.Meteoritics 8,1973[3] Buchwald V.F.-Meteoritic iron in Greenland-Man an Society, №9,Kopenhagen,1985.[4] Pernicka E. – Gewinnung und Verbreitung der Metalle in prahistorischer Zeit- Jarb.Rom.Germ. Zentralmus. 37,1990.[5] Фол А.- Кратка история на България.-София, 1981.[6] Камбуров К., Русева Е., Тодоров Б., Русев.Р- Материалознание -Варна2001.[7] http :// bg . wikipedia . org / wiki

516

40μm