Металлографическое исследование

Шапель 13 века из Кодасоо, Эстония

Автор: Jaak Mäll

Перевод: КИР АБО, Бранд

Резюме

Самым старым сохранившимся до наших дней шлемом из Эстонии является шапель 13 века, найденная близ деревни Кодасоо на севере Эстонии. С разный частей шапели были взяты три пробы, которые подверглись металлографическому анализу. Сырьем шапели из Кодасоо послужило железо с большим количеством шлаков и неоднородным содержанием углерода. Этот дефект был исправлен фальцовкой и кузнечной сваркой, проведенной, по меньшей мере, три раза, вследствие чего железо приобрело слоистую структуру, в которой содержание углерода стало более равномерной.

Ключевые слова: шлем, средневековый, шапель, металлография, энергорассеивающая рентгеновская спектроскопия.

Введение

Археологические находки средневековых доспехов в Эстонии редки, и среди них всего несколько средневековых шлемов. В данной статье речь пойдет о шлеме, хранящимся в Эстонском Историческом Музее – шапели необычной конструкции. (Смотри изображение №1 Estonian History Museum AM 12628 R 850)

В 1869 году «старый шлем с полями» был передан Эстонскому Историческому Музею (в то время носившему название Музей Эстонского Образовательного Общества) местным землевладельцем Фердинандом Карлом Эрнстом фон Рехбиндером. В соответствии с данными музейного каталога, шлем был найден в поле близ деревни Кодасоо в районе Харджумаа в Северной Эстонии (von Hansen 1875, X-13, Taf. VIII-1). К сожалению, это все, что известно об обстоятельствах находки.

Изображение №1

Описание

Самой отличительной и отчасти необычной чертой шапели из Кодасоо является ее конструкция. Шапель состоит из четырех частей, соединенных между собой заклепками. Толщина пластин варьируется от 2,2 -1,8 мм на верхней пластине и полях до толщины 0,75 мм на боковых пластинах. Вес находки составляет 870 грамм, потери металла из-за коррозии и физических повреждений составляют не более 15%. Первоначально шлем весил примерно 1 кг.

Поля шапели приклепаны к куполу и согнуты под прямым углом у его основания. Купол имеет сферическую форму, слегка овальную в поперечном разрезе. Купол собран из широкой крестообразной пластины и двух овальных боковых пластин (одна из которых имеет сильные повреждения). Купол шапели увенчан маленькой декоративной выпуклостью. С одной стороны шлема снизу к полям приклепана скоба, к которой, кажется, крепился подбородочный ремень. Скоба с другой стороны шлема утеряна, но о ее наличии говорят две симметричные дырки, расположенные на полях с другой стороны шапели. Спереди и с сзади шлема у самого купола сделано по два отверстия диаметром 1 мм, которые, вероятно, служили для крепления подшлемника. Все 26 заклепок, соединяющие пластины, не имеют шляпок, за исключением одной в нижней части шлема, что указывает на более поздний ремонт шапели. Шапель достаточно маленькая и, если принять во внимание, наличие подшлемника, рассчитана на голову окружностью в 54-55 см.

Датировка

Шапели - простые сферические шлема с полями – широко использовали европейскими воинами, простолюдинами и рыцарями, с начала 13 века. В отличие от большого количества изобразительных источников, сохранившихся шапелей не так много, в особенности шлемов, конструктивно схожих с шапелью из Кодасоо. Четыре более менее сохранившихся шапелей и фрагменты еще одной найдены в Норвегии. Статья о норвежских средневековых шапелях была опубликована в 1942 году Гьютормом Гьессингом, и до сегодняшнего дня это иследование оставалось единственным по данной теме.

Шапели, найденные в Рингсакере, Скиптвете и Эйкере (Из.2), представляют тот же метод сборки, что и шапель из Кодасоо. Гьессинг датирует эти шапели предположительно 1300 годом, основываясь на изобразительных источниках.

Изображение №2

Датировка Гьессинга кажется устаревшей в свете иллюстраций из широко-известной сегодня так называемой Библии Мациевского. (Этот изобразительный источник не был известен Гьессингу). В Библии Мациевского, которая, как полагают, была закончена около 1250 года, изображено достаточно много сцен сражений с большим количеством, как конных, так и пеших воинов с клепанными шапелями. Там изображены как шапели с короткими, так и с широкими полями. (См. из.3). Таким образом, нельзя исключать более ранней датировки как шапелей из Норвегии, так и шапели из Кодасоо. До тех пор, пока не появится новой информации, самой предпочтительной остается датировка 13 век.

Изображение №3

Происхождение

Что касается вопроса о происхождении шапели из Кодасоо, то можно сразу же отбросить версию об эстонском происхождении шапели. Тот факт, что язычники-эстонцы зачастую не имели никакой защиты и шлемов, постоянно звучит в Ливонской Хронике. В 1219 году Северная Эстония была завоевана крестоносцами из Дании и оставалась под властью датского короля как герцогство Эстония вплоть до середины 14 века. Таким образом, шапель из Кодасоо должна принадлежать датскому воину, который либо принимал участие в крестовом походе, либо присоединился к оккупационному контингенту позднее. Связь с Норвегией, на которую указывают примеры из нашего исследования, также похожа на правду, так как металлографические исследования железных предметов материальной культуры Средневековья, найденных в Дании, показывают, что львиная доля железа, как в законченных предметах, так и сырье импортировалось из Норвегии.

Металлографическое исследование

Металлография становится необычайно важным полем для исследований средневекового защитного вооружения и оружия, предоставляя необычайно много информации совершенного нового вида: о качестве использованных материалов и о технологии производства. В Эстонии исследования в этой сфере находятся еще на первоначальной стадии – только один позднесредневековый доспех исследован таким способом финским ученым Лассе Маттилой.

Три образца для металлографического исследования были взяты с полей шапели, верхней крестообразной пластины и боковой пластины. (См. из.4)

Изображение №4

Образец I взят с полей шапели. Материал, из которого сделаны поля, оказался неоднородным, со слоистой структурой. И хотя сложно утверждать наверняка, но материал может содержать 8 или более слоев, если судить по диапазону излучаемых частот, незначительно разнящемуся содержанию углерода, степени зернистости и растянувшимся налетам шлака. Содержание углерода в образце оказалось низким (0 – 0,1% углерода), а сам материал был определен как слоистое железо с очень малым содержанием углерода (феррит). (См. из.5 сверху).

Образец II был взят с верхней крестообразной пластины. Материал оказался неоднородным со слоистой структурой и, кажется, также состоял из не менее, чем 8 слоев. Наблюдались растянувшиеся налеты шлака. Содержание углерода в слоях разнилось. Слои, расположенные внутри пластины, содержали 0,5-0,7% углерода, в середине — 0,3 – 0,5%, снаружи — 0,1%. Материал оказался слоистым и композитным, состоящим из слоев низко и среднеуглеродистой стали и железа. (См. из.5 Середина).

Образец III был взят с одной из боковых пластин купола. Как оказалось, материал, из которого была сделана боковая пластина, обладает так называемой ленточной структурой, которая довольно часто встречается в образцах, взятых со средневековых доспехов для металлографии. Вероятно из-за большей степени деформации в сравнении с другими деталями (толщина боковых пластин равна 0,75 мм к 2,1-2,2 мм крестообразной пластины и полей) не видно границ и вкраплений шлака между различными слоями при том же уровне увеличения. Были определены три зоны, чтобы проанализировать содержание углерода. Слой внутри шлема представляет собой феррит с содержанием углерода 0-0,1%. Слой в середине представляет собой смесь феррит-перлита с 0,2-0,5% углерода, а слой снаружи шлема представляет собой феррит с 0-0,1% углерода. Материал оказался слоистым или ленточным, при этом 1 слой с малым или средним содержанием углерода оказался между двумя слоями мягкого железа, где границы между слоями полностью смешались из-за высокого уровня деформации.

Общие результаты исследования микроструктур показали, что места с наивысшим содержанием углерода представляют собой перлит. Мартенсита найдено не было, это свидетельствует о том, что итоговая термическая обработка шапели была не закалка, а медленное охлаждение.

Результаты измерения твердости показали, что ферритовые области обладают твердостью 120-180 VHP, а перлита 180-240 VHP. Проведенные измерения образцов согласуются и с визуальным наблюдением, подтверждая, что материал был отпущен, а не закален.

Также во взятых образцах не было обнаружено свидетельств экстенсивной холодной обработки металла: холодной пайки, удлиненных зерен и трещин. Как в случае с более высоким уровнем деформации в образце III, формирование ленточной структуры в результате полной кузнечной пайки неоднородной слоистой структуры. По этой причине было решено, что работа на горячую над шапелью велась при температуре 730-900 С или выше и работа на холодную была либо незначительной, либо ее свел на нет постоянный отжиг.

Изображение № 5. Сверху вниз: образец I, образец II и образец III.

Вкрапления шлака

Исследование методом сканирования электронным микроскопом показали, что вкрапления шлака заключают в себе незначительное количество алюминия (Al), калия (К), кальция (Са) и марганца (Mn), последний особенно бросается в глаза. (См. из.6). Высокое содержания марганца может свидетельствовать о том, что родиной железа, из которого сделали шапель, была Скандинавия, и исключает Эстонию, так как в эстонская руда – бурый железняк с микроскопическими вкраплениями марганца.

Технологический процесс

Данные, полученные в ходе металлографического исследования образцов, позволяют выдвинуть гипотезу о том, какие технологии использовались для того, чтобы сделать шапель из Кодасоо.

Изображение №6. Исследование с помощью электронного микроскопа.

Сырье

Железо, использованное для создания шапели, вероятнее всего было получено методом прямого восстановления в каменном горне – обычный метод производства железа в Средневековье. Хотя датировка шапели и ее скандинавское происхождение позволяют допустить и вероятность того, что железо могло быть получено методом непрямого восстановления в первобытном горне, так как все свидетельствует о том, что доменная печь в Швеции появилась только к концу 12 века, и нужно еще открыть метод, как отличать железо, сделанное в первобытном горне, от железа из каменного горна.

Общеизвестно, что как в первобытном горне, так и в каменном горне почти невозможно выковать железо или сталь с однородным содержанием углерода. В связи с этим, железо, выплавленное в каменном горне или первобытном горне, подвергалось повторяющейся ковке, фальцовке и кузнечной пайке. Это делалось для того, чтобы придать железу однородную твердость путем механического «перемешивания железа» и разбивания крупиц шлака. Такая методика просуществовала до того времени, пока в середине 19 века Генри Бессемер не изобрел метод производства однородной стали и железа. В книге, написанной в начале 19 века для кузнецов, производящих ножи, эта методика разобрана очень хорошо:

«Все описанные методы производства стали не являются отличными и надежными. Очень редко получается получить упругую и однородную сталь. Поэтому прежде чем использовать такую сталь ее нужно довести до совершенства, пока она не приобретет однородную структуру. Сырье придается квадратный профиль 20-24 дюймов в длину, толщиной в 15-18 линий, доводится до красного цвета и опускается в холодную воду, а затем собираются в пачку. При собирании пачек нужно проявлять внимательность и чередовать твердые профили с мягкими. Опытный же кузнец может определить степень твердости, только лишь взглянув на торец профиля. Пачки следует нагреть до белого света, предварительно защитив слоем глины, а затем положить на наковальню. Глина защитит металл от атмосферных осадков, чтобы не позволить углероду выгореть. Затем пачки нужно отковать до толщины профилей в 18-20 линий, разрезать на куски, сковать снова и снова разбить. Эту операцию повторяют 2, 3, а иногда и 4 раза. Чем лучшего качества нужна сталь, тем больше раз нужно проделать данную операцию».

Таким образом, слоистые структуры, содержащие различное количество углерода (0,01-0,7% от мягкого металла до среднеуглеродистой стали), что наблюдалось в образцах, взятых для металлографии, может быть результатом представленного выше процесса – кусок железа несколько раз отковывали, складывали пополам и сковывали вновь. Так как, по меньшей мере, 8 слоев наблюдалось в образцах I и II, данный процесс повторялся, по меньшей мере, три раза. Подобная «ленточная структура» очень часто видна в образцах, взятых из средневековых источников.