Тайны исчезновения шлака из доспехов
В этот раз мы затронем тему, которая часто всплывала в комментариях к прошлому посту - это поведение металлов в зависимости от лежания в почве. Лысый Камрад тут дал весьма занятную характеристику влияния коррозии на металл, к ней мы вернемся чуть позднее, пока обсудим те вопросы, которые часто всплывали.
К моим статьям по доспехам было несколько комментариев, в которых задавался вопрос... Хотя какой там вопрос - делалось утверждение, что находки отражают наиболее качественную часть римских доспехов, в то время как менее качественная просто сгнила (ну очевидно, потому что "менее качественная").
Когда во Вторую мировую войну Абрахаму Вальду поручили определить какие места самолетов необходимо усилить, вряд ли он ожидал настолько удивительных результатов. А именно, что спустя восемьдесят лет в любой теме, где есть хоть малейшее подозрение на ограниченность выборки, будет всплывать аргумент про "ошибку выжившего" (это я про себя, если что).
В первую очередь нужно понять, что не существует материала, который обладал бы абсолютной коррозионной стойкостью. В начале XX века США проводили масштабные опыты по изучению подземной коррозии металлов, для чего на 10-12 лет закапывали различные образцы металлов [1]. Эксперимент шел полвека и его результатом стал вывод о том, что скорость коррозии не зависит от состава металла, а определяется физико-химическими свойствами грунтов. Причем влияние характеристик грунта очень схоже с изменением стоимости бензина в зависимости от цен на нефть. В том смысле, что он всегда дорожает. Примерно также различные свойства грунтов определяют, каким именно способом они сожрут очередной кусок железа, который в него попал. Прогнозирование скорости коррозии для разных грунтов в настоящее время представляет собой нехилую головную боль для сетевиков (по большей части тех, кто занимается трубопроводами). Современные опытные данные дают широкий разброс значений скоростей коррозии для разных типов почв (например [2-4]), но тут важно понимать, что речь о том, что пластина доспехов в 2 мм будет полностью корродирована за 1-30 лет в большинстве случаев. Если говорить про статистику находок римского периода, то 75 % находок, которые анализировал Дэвид Сим [5], проржавели насквозь и представляли собой оксиды железа, в результате в анализ попала только четверть.
Чем так отличились "выжившие" доспехи? Они обладали ровно одним качеством, которое позволило им дойти до наших дней, сохранив первозданную структуру - везение. Они попали не просто в грунт с относительно низкой коррозионной активностью, но еще и в конкретное удачное место. Дело в том, что помимо общих свойств грунтов на дистанции в сотни лет, становятся также крайне важными такие нюансы, как использование и тип удобрений в данном месте, растительность и еще масса факторов, для учета которых исследователи просто зарывают рядом тестовый образец и ждут десятки лет.
Чтобы понять, как артефакты могут сохраняться в течение длительного периода времени, нужно разобраться с механизмом коррозии. В момент "погребения" металл начинает корродировать и на его поверхности образуется оксидная пленка, которая покрывает артефакт и создает эффект консервации [6]. И вот тут как раз в дело вступают важные факторы свойств грунтов, к примеру, если они достаточно влажные, то вода, проходя через почву, будет смывать защитную пленку. Наша пластина будет заходить на следующий круг, постепенно истончаясь. Если грунты слишком кислые, то защитная пленка не сможет сдерживать коррозионную активность почвы. Причем, что иронично, в почве артефакту значительно комфортнее, как только его извлекают, он резко начинает ржаветь, и если его не стабилизировать, то до музея можно и не донести [7].
Поэтому отвечая на вопрос, в чем разница между сохранившимися и окислившимися доспехами - в везении.
Включаем голову или тайны химии с Лысым Камрадом
Итак, Камрад предложил креативное объяснение низкого уровня шлака в доспехах
Непонятно правда, почему именно кольчуг – процент шлака во всех римских доспехах колебался в одних пределах. Ну да ладно, сказал кольчуги – будем именно их и разбирать. Логика в принципе, понятна – римские доспехи старше средневековых на тысячу лет, стало быть, шлак за этот период усиленно «корродировал», явив нам в итоге чистый продукт. Или нет?
Начнем с того, что нет - не все они ржавели полторы тысячи лет. Несколько кольчуг относятся к находкам в торфяных болотах Нидама и Торсберга – это весьма специфичная среда. Коррозии материалы в ней подвергаются только первые несколько лет, пока артефакт погружается, затем он попадает в безкислую среду и спокойно ждет, пока его достанут. Другой вопрос, что разницы в процентном содержании шлака эти артефакты не имеют – одна кольчуга из Нидама имеет содержание шлака 4,1 %, что близко к максимальным показателям среди всех римских находок, другая – 1,2 %, что, наоборот, скорее отражает нижний диапазон. Кольчуга из Торсберга, среда которого более агрессивна в сравнении с Нидамом [9], «ложится» между этими значениями с процентом шлака в 2,1 %. Принципиальной разницы с находками в Ньюстеде, Карлайле Штутгарте или Халтончестере нет никакой.
Здесь нужно разобраться с тем, что происходит с железом в почве – в основном коррозия идет по электрохимическому пути, в результате образуются оксид (2FeO) и гидроксид (Fe(OH)3) железа. А что же происходит со шлаками? Состав шлаковых включений несколько гуляет в зависимости от региона происхождения руды, но если мы говорим про поверхность, подготовленную к металлографии (то есть зачищенную от ржавчины и протравленную ниталом), то первую скрипку в нем обычно играют стекловидные включения диоксида кремния - SiO2 и оксида алюминия (Al2O3) или глинозем. Как они реагируют на почву? Да никак. Тут, что называется, нарочно не придумаешь, SiO2 или кремнезем на редкость инертное соединение, которое практически нерастворимо в воде. Да чего там, даже если повторить опыт из рекламы девяностых, поместив кремнезем в серную кислоту, а железо в дистиллированную воду, то и это не поможет – диоксид кремния не берет ни одна кислота, кроме плавиковой.
Правда, если в римских почвах присутствовала плавиковая кислота, то их технологии шокируют нас куда сильнее
Глинозем столь же наплевательски относится к коррозии, кстати, высокая коррозионная стойкость алюминия обусловлена как раз образованием пленки оксида алюминия на поверхности.
Если проиллюстрировать это аналогией, то выглядеть это «поверхностное очищение от шлаков» должно так – вы оставляете шоколадку (железо) с орехами (шлаки) на солнце на несколько часов, а вернувшись, обнаруживаете только чистый шоколад. И если вы думаете, что это невозможно, то вот вам пример – автор этих строк лично наблюдал этот эффект, когда смотрел с женой сериальчик. Стоило мне отойти за чаем, как я обнаружил, что из открытого риттерспота исчез весь фундук.
Причина, я думаю, очевидна - археологи не выкапывали римские доспехи, они отобрали их в честном бою, у каких-то гномов (или я хз кто там под землей жил), которые две тысячи лет выковыривали из них шлаки и усиленно упрочняли.
Конечно, можно было вместо этой заметки просто сослаться на исследование Тайлкота [11], где тот сетует на то, что вместо железа приходится изучать шлаки, поскольку оно ржавеет в ноль в отличие от примесей, но это ведь было бы неинтересно)
Ну, и в качестве вишенки на торте – ржавчина является причиной колоссальных экономических потерь, и для защиты металла в современном бетоне нашли отличный способ - шлак из доменных печей [10].
- Великоцкий М. А. Коррозионная активность грунтов в различных природных зонах //Вестник Московского университета. Серия 5. География. – 2010. – №. 1. – С. 21-27.
- Мамедъярова И. Ф., Селимханова Д. Г. Коррозия стали в почве //Azerbaijan Chemical Journal. – 2014. – №. 2. – С. 82-87.
- Бырылов И. Ф. Прогнозирование скорости коррозии подземных трубопроводов //Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. – 2011. – №. 6. – С. 157-159.
- Бырылов И. Ф. Скорость коррозии трубопроводов в грунтах с различными удельными электрическими сопротивлениями //Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. – 2011. – №. 4. – С. 128-130.
- Fulford M., Sim D., Doig A. The production of Roman ferrous armour: a metallographic survey of material from Britain, Denmark and Germany, and its implications //Journal of Roman Archaeology. – 2004. – Т. 17. – С. 197-220.
- «Консервация железных археологических предметов» : К65 монография / И.Ю. Буравлев, О.Н. Цыбульская, А.АЮдаков, Ю.Г. Никитин, А.Ю. Чириков, Е.И. Гельман, С.Б. Ярусова. – Москва: ИНФРА-М, 2018. – 138 с.
- Цыбульская О. Н. и др. Коррозионные разрушения археологического железа и методы его стабилизации //Вестник Дальневосточного отделения Российской академии наук. – 2012. – №. 5 (165). – С. 23-31.
- Matthiesen, H. et al. Corrosion of archaeological iron artefacts compared to modern iron at the waterlogged site Nydam, Denmark / H. Matthiesen et al. // Eurocorr. – 2004. – P. 1–12.
- Song H. W., Saraswathy V. Studies on the corrosion resistance of reinforced steel in concrete with ground granulated blast-furnace slag—An overview //Journal of Hazardous materials. – 2006. – Т. 138. – №. 2. – С. 226-233.
- Tylecote R. F. The prehistory of metallurgy in the British Isles. – Routledge, 2017, The Roman Iron Age, The Composition of Slags and Residues
Подписывайся на телеграм-канал Cat_Cat, чтобы не пропустить интересные посты
НА КОРМ КОТИКАМ ---> 💰