Небесният диск от Небра се счита за най-древното от известните изображения на космоса. Той представлява кръгла бронзова плоча с диаметър около 30 сантиметра, върху която са изобразен Слънцето, Луната, звездите и дъги от златно фолио. Артефактът е открит през 1999 г. на територията на провинция Саксония-Анхалт в Германия и се датира приблизително към 1600 г. пр.н.е. Това е периодът на ранния бронзов век, свързан с археологическата култура Унетиц.
Освен това дискът представлява сложен обект от гледна точка на металообработката. Дебелината на плочата е неравномерна: в централната част тя е 4,6 милиметра, а към краищата намалява до 1,5–1,8 милиметра.
Небесният диск от Небра, свободна интерпретация
Дълго време в научната общност се водеха дискусии относно това как точно майсторите от бронзовата епоха са успели да изработят толкова тънък и голям по площ метален предмет. Група германски изследователи от Университета „Отто фон Герике“ и Музея по праистория в Халле проведе подробен метално-технически анализ на оригиналния фрагмент от диска и извърши серия експерименти за неговото възстановяване. Резултатите от тази работа позволяват точно да се възстанови технологичния процес, използван преди повече от три хиляди и половина години.
Физически ограничения при отливката на дискаПървият въпрос, на който изследователите трябваше да отговорят, беше: възможно ли е било да се получи такава пластина непосредствено чрез изливане на течен метал във форма?
Химичният анализ показва, че дискът е изработен от ранен бронз. Той се състои от мед с добавка от 2,56% калай, както и незначително количество примеси: 0,22% никел, 0,15% цинк, 0,21% арсен и 0,16% желязо.
Медно-калаените сплави с ниско съдържание на калай в разтопено състояние притежават ниска текучест и високо повърхностно напрежение. Когато течният метал се излива в плоска леярска форма, той бързо отдава топлината си на стените на формата. Поради ниската текучест и малката дебелина на междинното пространство разтопеният метал се втвърдява, преди да успее напълно да запълни ръба на формата.
Следователно по този начин е невъзможно да се получи тънък диск с диаметър 30 сантиметра чрез метода на директното леене. Единственият начин за изработване на такъв предмет е леенето на по-дебела заготовка с малък диаметър, последвано от механична деформация с помощта на чук (коване).
Небесният диск от Небра
Как коването и нагряването променят вътрешната структура на метала
Всеки метал се състои от множество взаимосвързани кристали, които в металознанието се наричат зърна. Формата, размерът и вътрешното устройство на тези зърна зависят от това на какви механични или термични въздействия е бил подложен металът.
При удар с чук върху студения бронз се наблюдава промяна във формата на кристалите. Вътрешните атомни слоеве се изместват един спрямо друг. При това вътре в кристалите се натрупват структурни дефекти, които пречат на по-нататъшното изместване. Този процес се нарича деформационно укрепване или изковаване.
С всеки нов удар металът става все по-твърд, но едновременно с това губи пластичността си. Ако продължим да ковем метала, намиращ се в състояние на прековаване, натрупаните вътрешни напрежения ще доведат до образуване на пукнатини и разрушаване на предмета.
За да се възстанови пластичността на бронза, той трябва да се нагрее. За тази сплав температурата на нагряване трябва да бъде около 700 градуса по Целзий. При тази температура атомите на медта и калая получават достатъчно енергия за преструктуриране. Вътре в деформираните зърна започват да растат нови, правилни кристали, които не съдържат вътрешни напрежения. Този процес се нарича рекристализация.
След нагряване и последващо охлаждане металът отново става мек и пластичен и може да се кове още. Изработването на тънък диск от дебела заготовка изисква многократно повтаряне на цикъла „нагряване — коване — нагряване“.
Небесният диск от Небра. С червен маркер е отбелязана зоната, от която е взета пробата за металографско изследване.
Резултати от микроскопския анализ на оригиналния диск
За да установят каква точно обработка е претърпял Небесният диск от Небра, изследователите проучиха метален фрагмент с размери около 5 милиметра, който беше взет от самия край на диска. Краят на предмета е зоната, която при коването претърпява максимална степен на разтягане и сплескване, поради което именно тук промените в структурата са най-ясно изразени.
За изследване на микроструктурата бяха използвани следните методи:
Оптична микроскопия с химическо разяждане: позволява да се видят границите между кристалите и нехомогенността на химичния състав. Електронна микроскопия и дифракция на отразени електрони: позволява точно измерване размера на кристалите и определяне на посоката на техните оси. Рентгенов микроанализ: показва разпределението на химичните елементи по повърхността на пробата. Измерване на микротвърдостта по метода на Викерс: определя механичната якост на материала на микрониво. Изследването на оригиналната проба показа следните параметри: Размер на кристалите: средният диаметър на зърната е 65 микрометра. Кристалите имат равноосна форма (приблизително еднаква дължина във всички посоки). Двойници от отгряване: във вътрешността на повечето кристали са открити успоредни линии — така наречените двойници от отгряването. Те се образуват само когато деформираният чрез коване метал се нагрее до температура на рекристализация. Структура на примесите: примесите от сяра (сулфиди), които в отлятия метал имат формата на заоблени капки, в пробата са изтеглени в дълги успоредни линии. Това е пряко следствие от изтъняването на метала с чук. Състояние на порите: Леярските пори и кухини са пресовани и изтеглени по повърхността на диска. Твърдост: твърдостта на материала е 79 единици по скалата на Викерс (HV0,1). Това е висока стойност за бронза с ниско съдържание на калай. Ориентация на кристалите: кристалите са ориентирани хаотично, без ясно изразена посока. Това доказва, че последната операция преди нанасянето на рисунката е било нагряване, а не коване.
Микроструктурата на Небесния диск от Небра: (a) границите на зърната (оптична микроскопия); (b) цветното оцветяване на структурата; (c) картата на разпределението на калая (EDS); (d) ориентация на кристалите (EBSD-IPF)
Практическият експеримент: възпроизвеждане на процеса на коване
За да потвърдят заключенията, направени при анализа на оригинала, учените проведоха физически експеримент. Медният ковач Херберт Бауер подготви сплав, която точно възпроизвежда химичния състав на диска от Небра. От нея беше отлята заготовка във формата на леща с диаметър 130 милиметра и дебелина 30 милиметра.
Процесът на деформация се извършваше ръчно. Ковачът е нагрявал заготовката в пещ с дървесен въглен до температура от около 700 градуса по Целзий, ориентирайки се по цвета на сиянието на разгорещения метал, след което я е изваждал и я ковал на наковалнята. Ударите са се нанасяли по спирала — от центъра на заготовката към краищата ѝ. Това е единствената техника, която позволява равномерно изместване на метала от удебелената централна част към периферията.
След като заготовката се сплесква , тя става по-тънка и по-широка, а ковачът сменя инструментите:
На началния етап се е използвал тежък чук с тегло 5 килограма. На междинните етапи теглото на чуковете е било 2 кг, 1,5 кг и 1,1 кг. За оформяне на тънкия край се е използвал лек чук с тегло 0,63 килограма със заоблен ударник. Изследователите са вземали проби от метала на четири ключови етапа от експеримента и са сравнявали техните параметри: Етап 0 (Изходна отливка): металът има кристална структура с дървовидни разклонения (дендрити). Оловото е разпределено неравномерно: концентрацията му е по-висока в пространствата между дендритите. Твърдостта е 64 HV0.1. Етап 1 (1 цикъл „нагряване – коване“): дебелината на заготовката е намаляла само незначително. Дендритната структура се запазва, но е леко сгъстена. Твърдостта е 66 HV0,1. Етап 2 (10 цикъла „нагряване – коване“): дебелината на заготовката значително е намаляла, а диаметърът се е увеличил. Дървовидната структура е напълно разрушена. Образували са се нови дребни кристали със среден размер 70 микрометра. Твърдостта се е повишила до 76 HV0,1 благодарение на намаляването на размера на зърната. Етап 3 (55 цикъла + окончателно нагряване при 750 °C в продължение на 10 минути): репликата напълно е достигнала размерите на оригиналния „Небесен диск“. Въпреки това, поради прекалено големия брой нагрявания, металните кристали значително са нараснали — средният им размер е 233 микрометра. Твърдостта е спаднала до 52 HV0.1, а разпределението на калая е станало напълно хомогенно.
Етапите на изработването на репликата на диска: (a) първоначално отливане, (b) етап 1, (c) етап 2, (d) етап 3 (готовата форма на диска)
Анализ на несъответствията и основното заключение от изследването
Сравнението на резултатите показа неочакван факт: металът на оригиналния „Небесен диск“ от Небра по всички основни характеристики (размер на кристалите, показател за твърдост и степен на разпределение на калая) съвпадна не с крайната реплика (Етап 3), а с междинния образец (Етап 2).
При окончателната експериментална реплика кристалите се оказаха почти четири пъти по-големи, а твърдостта — значително по-ниска, отколкото при древния оригинал.
Причината за това несъответствие се крие в параметрите на първоначалната отливка. В съвременния експеримент учените са отлели прекалено дебела заготовка (30 милиметра), поради което на ковача са били необходими 55 цикъла на коване и нагряване, за да я изкове до дебелина 1,5 милиметра. Продължителното температурно въздействие е довело до прекомерно нарастване на кристалите.
Древният майстор от бронзовата епоха е действал по-рационално. Той отначало е отделил от разтопения метал значително по-плоска заготовка — вероятно с дебелина около 10–15 милиметра. За да се доведе такава заготовка до параметрите на готовия диск, са били необходими само от 10 до 15 цикъла на коване с междинно нагряване.
При такова количество операции металът е успявал напълно да промени структурата си от сложна леярска към финокристална, но кристалите не са успявали да достигнат големи размери. Това е позволило да се запази високата твърдост на материала (79 HV0,1) при добра пластичност.
Карти на ориентацията на кристалите (EBSD-IPF) при етапите на коване на репликата и оригинала на диска от Небра
Разлика в технологиите: работните инструменти и сакралните предмети
Данните от изследването показват разликата в подходите на майсторите от бронзовата епоха към изработването на предмети с различно предназначение.
При производството на бронзови брадви и остриета основната задача е била създаването на твърд режещ ръб. За тази цел ръбът на брадвата след окончателното нагряване се подлагал на допълнително коване в студено състояние. Това създавало напластяване, което увеличавало твърдостта на острието, а възникващите при това вътрешни напрежения не пречели на експлоатацията на брадвата.
При изработването на „Небесния диск“ от Небра се е изисквал различен подход: Дискът е трябвало да има плоска форма и да не се деформира с времето поради вътрешните напрежения. Повърхността на диска е била предназначена за нанасяне на златен орнамент чрез техниката на релефно гравиране. За тази цел в бронза са се изрязали канали с ковашки инструмент, в които след това е било вбито златното фолио.Ако дискът беше оставен в закалено (напрегнато) състояние след коването, опитът да се изрежат канали по повърхността му би довел до напукване на плочата.
Древният ковач съзнателно е завършил работата с термична операция — окончателното нагряване. Нагряването е премахнало вътрешните механични напрежения, изравнило е структурата на кристалите и е направило бронза достатъчно пластичен за работата на бижутера, запазвайки здравината на цялата конструкция.
Резултатите от изследването показват, че майсторите от Унетицката култура през ранния бронзов век са притежавали изчерпателни практически познания за процесите на гореща деформация и нагряване на металите. Те са умеели точно да дозират степента на механично въздействие и температурата на нагряване, създавайки предмети с висока степен на сложност много преди появата на теоретичните основи на металознанието.