Fizyka w grach okiem inżyniera #6. Miecze, stal i kowalstwo

W serii nie raz odlecieliśmy już w kosmos i zaliczyliśmy niejedną wycieczkę w przyszłość, ale co z bardziej przyziemnymi kwestiami? Na pewno część z Was wie, że wiedźmiński miecz na potwory nie jest wykuty ze srebra - stalowy rdzeń jest jedynie posrebrzany, by ostrze nabrało odpowiednich właściwości. Miecz na ludzi to również ciekawa kwestia, bo przecież został stworzony z rudy meteorytowej, a przynajmniej tak głosi legenda. Ile jest prawdy w mieczach wykuwanych przez kowali w grach i czy można odnieść to jakoś do inżynierii materiałowej, czy bardziej ogólnie, do materiałoznawstwa?Ze stalą w różnej postaci stykamy się praktycznie codziennie i na pierwszy rzut oka nie jest to skomplikowana kwestia - stop żelaza z węglem, poddany obróbce cieplnej i plastycznej, w którym zawartość tego drugiego składnika nie przekracza 2,11%. Jednak jeśli zagłębimy się we wspomniane wcześniej materiałoznawstwo, okaże się, że nie wszystko jest takie proste, jak wydawało się to na początku. Jedną z takich rzeczy jest liczba - 2,11% - czemu akurat ona? Wartość ta odpowiada granicznej rozpuszczalności węgla w żelazie, co pozwala odróżnić stal od żeliwa, w którym zawartość węgla przekracza tę wartość. Dobrze prezentuje to układ równowagi żelazo-cementyt, gdzie wyraźnie zaznaczona jest granica pomiędzy stalą, a dalszymi stopami żelaza z węglem.W wielu seriach gier action RPG pokroju Dark Souls, The Elder Scrolls, Risen czy Gothic (z naciskiem na trzecią odsłonę) postacie mają te same sekwencje ciosów niezależnie od rodzaju broni, jaką się posługują. Oczywiście stosowany jest podział na broń jedno - i dwuręczną, ale podczas rozgrywki można to odczuć jedynie w szybkości wyprowadzanych ciosów. Pewnym powiewem świeżości w tym temacie był For Honor, gdzie do dyspozycji mieliśmy trzy frakcje - The Chosen (japońscy samuraje), The Legions (europejscy rycerze) i The Warborn (wikingowie) - które oferowały odmienne uzbrojenie i różne style walki.To jak będziemy posługiwać się danym mieczem, zależy od materiału z jakiego został stworzony. Miecze europejskie są przystosowany do rąbania, czyli pracują udarowo. Co to oznacza? Udarność to cecha materiału określająca jego odporność na obciążenia dynamiczne, czyli takich, które spowodowane są uderzeniem próbki (w naszym przypadku, miecza) o jakąś powierzchnię. Wysoka udarność miecza była szczególnie pożądana w późnym średniowieczu, gdzie dominowały zbroje płytowe uznawane za te, które zapewniają najlepszą ochronę przed uderzeniami. Stal na takie ostrze musiała być również bardziej ciągliwa, czyli wykazywać się większą odpornością na uszkodzenia trwałe, nie naruszające spójności materiału.Zupełnie inaczej wygląda to w przypadku mieczy produkowanych przez kowali wschodu, takich jak bułaty czy sławne katany. Służyły one do zadawania szybkich i precyzyjnych cięć, ale nie przystosowywano ich do uderzeń o twarde zbroje - takie klingi były wyjątkowe ostre i wolno się tępiły, ale charakteryzowała je też łamliwość.W trzeciej części Gothica do dyspozycji Bezimiennego oddano wiele rodzajów mieczy z różnych części świata, ale on nie przejmuje się tym zbytnio, bo tak samo rąbie orków mieczem z Myrtany (europejskie klimaty), jak i ostrzem wytworzonym przez asasynów z Varantu (pustynia z Baśni Tysiąca i jednej nocy). Ten sam zarzut o braku zróżnicowania można odnieść do praktycznie każdej gry action RPG, ale warto pamiętać, że miecze nie są uniwersalne, a ich przeznaczenie zależy głównie od materiału z jakiego zostały wykonane.W grach często można się zetknąć z magicznymi materiałami, umożliwiającymi tworzenie mieczy, które są znacznie skuteczniejsze od tych wykutych ze stali. Gothiki można w zasadzie streścić słowami “awantura o magiczną rudę” - z tych niebieskich kawałków można wytapiać sztabki, które stanowią bazę dla magicznych mieczy. Dzięki nim ludzie chcą przechylić szalę zwycięstwa na swoją stronę w długiej i wyczerpującej wojnie z orkami. Seria The Elder Scrolls idzie o krok dalej, bo w jej piątej odsłonie można stworzyć szklany rynsztunek, który, wbrew pozorom, wcale nie jest taki kruchy.Stal na miecze powinna zawierać od 0,3% do 0,6% węgla; stopy z tego przedziału wykazują się największą twardością, przy zachowaniu odpowiedniej udarności i ciągliwości. Stop o takiej zawartości węgla nazywamy zazwyczaj stalą podeutektoidalną, która składa się głównie z ferrytu i perlitu. Pierwszy z tych składników to podstawowa struktura żelaza, którą można zaobserwować pod mikroskopem w postaci białych płytek. Zaś reszta to perlit, czyli struktura składająca się z naprzemiennie ułożonych płytek ferrytu i cementytu (węglik żelaza, jeden ze składników stali). Inną zaletą stali podeutektoidalnej jest możliwość dość łatwej obróbki plastycznej, co znacznie ułatwia proces kucia, jak i dalszą pracę nad ostrzem.Niebieskie gródki z serii Gothic nie wydają się zbyt prawdopodobne - głównie dlatego, że na Ziemi odkryto już większość naturalnie występujących pierwiastków i jak na razie żaden z nich nie przejawia “magicznych” właściwości. A może spojrzyjmy poza naszą planetę? Spokojnie, tym razem to nie my będziemy musieli lecieć w kosmos - znajdziemy go pod nogami, w formie małych kamyków.Ruda meteorytowa nie jest wymysłem książek autorstwa pana Sapkowskiego ani tym bardziej gier Redów - wykorzystywano ją naprawdę, jednak dopiero w późniejszym okresie, gdy człowiek opanował już podstawową obróbkę żelaza i nauczył się mieszać różne składniki stopowe. W odróżnieniu od rudy występującej na Ziemi, ta meteorytowa zawiera również nikiel w postaci taenitu (stop żelaza z niklem występujący w naturalnym środowisku). Struktura wewnętrzna również uległa modyfikacji, bo oprócz ferrytu znajduje się w niej również austenit (kolejny składnik fazowy stopu żelazo-węgiel). I właśnie przez ten ostatni element ruda meteorytowa nie nadaje się do standardowej obróbki i wytapiania z niej sztabek stali - znacznie zmniejsza granicę plastyczności całego materiału i uniemożliwia hartowanie standardowymi metodami obróbki cieplnej. Czemu zatem używano rudy meteorytowej? Ma ona znacznie mniej zanieczyszczeń, przez co zawiera więcej żelaza niż ta, z którą mamy do czynienia na Ziemi. Dlatego ruda meteorytowa świetnie nadaje się jako dodatek stopowy, który utwardza cały stop i czyni końcowy produkt odpornym na korozję i inne czynniki zewnętrzne. Mimo, że ruda meteorytowa była wykorzystywana, to stosowanie jej nie stanowiło reguły i jest raczej ciekawostką. Ze względu na niską dostępność rudy meteorytowej, miecze z jej dodatkiem były niezwykle rzadkie i niewielu było na nie stać (no chyba, że było się wiedźminem - wtedy dostawało się taki z przydziału).Innym ciekawym materiałem na miecz jest szkło; w serii Risen deweloperzy z Piranha Bytes zastąpili Gothikową magiczną rudę obsydianem. Wykonane z niego miecze są wytrzymalsze, zadają znacznie więcej obrażeń i ogólnie są lepsze od tych stalowych.Obsydian to po prostu naturalna forma szkła, powstająca w wyniku natychmiastowego stygnięcia magmy. Większe bloki tego materiału rozłupywano, uzyskując mniejsze kawałki o ostrych krawędziach. Fragmenty te osadzano w drewnianym rdzeniu, tworząc bardzo skuteczny brzeszczot. Taką broń wykorzystywali choćby Aztekowie. Wątek ten pojawia się zresztą w grze, gdzie Bezimienny wielokrotnie odwiedzał plemiona łudząco przypominające prekolumbijskie. Więc teoretycznie wszystko się zgadza, z tą różnicą, że miecz w grze był w całości wykonany z obsydianu, co w rzeczywistości nie jest możliwe. To znaczy jest, ale byłby on bardzo kruchy i przy zetknięciu z jakąś twardą powierzchnią (na przykład zbroją konkwistadora) rozbiłby się na drobne kawałki. Dlatego brzeszczot omówiony wcześniej ma znacznie więcej sensu.Jakiś czas temu firma Ceram Tec stworzyła perlucor, czyli szkło z dodatkiem azotku krzemu. Dzięki zastosowaniu tego składnika udało się uzyskać bardzo twardą, przezroczystą ceramikę, której wytrzymałość na zginanie i sztywność można porównać do stali. Podobnymi właściwościami wykazuje się sialon, do którego stworzenia użyto zarówno azotku krzemu, jak i tlenku glinu. Zatem mamy przezroczysty materiał, który możemy dowolnie formować, a jego właściwości możemy porównać do stali, czego chcieć więcej? Zarówno z sialonu, jak i perlucoru tworzy się wysokiej jakości ostrza do noży kuchennych - o ile świetnie sprawdzają się przy zetknięciu z tkanką miękką, tak w przypadku silnego uderzenia o twardą powierzchnię, klinga zacznie się kruszyć. Pisałem wcześniej o różnym przeznaczenie mieczy - te ze wzmocnionego szkła idealnie nadają się do cięcia, ale gdy chcemy ich użyć do fechtunku, to bardzo szybko się zużyją. Oczywiście nie będą pękać od razu, jak w przypadku obsydianu, ale stal dalej będzie bardziej wytrzymała. Tak więc Skyrimowy szklany miecz jest prawdopodobny, ale nie nadawałby się on do normalnej walki. Za to z ładnie przyozdobioną rękojeścią idealnie będzie pasował do pokoju jakiegoś nerda zapalonego fana fantastyki.Wróćmy do wiedźmińskiego miecza na potwory przytoczonego we wstępie. Wszyscy pamiętają zapewne jego książkowe i growe opisy - rdzeń wykonany ze stali pokryty jest drobinkami srebra, dzięki czemu miecz staje się zabójczy dla części potworów. Razem z eliksirami i znakami, srebrny miecz buduje wiedźmińską legendę i sprawia, że zabójcy potworów budzą jeszcze większy strach wśród prostych ludzi.O co chodzi z tym rdzeniem? Wcześniej pisałem o stali jako stopie żelaza z węglem, którego twardość można regulować poprzez dodawanie tego drugiego składnika. Nie wolno jednak przesadzić w jedną i drugą stronę, bo stop zawierający 2% węgla będzie kruchy i trudny w obróbce. Zaś stal o jego zbyt małej zawartości będzie po prostu zbyt miękka, przez co nie nada się na żaden miecz i odkształci się przy intensywnym użytkowaniu. Chodzi o uzyskanie równowagi, by stop był jednocześnie wystarczająco twardy i giętki, a przy okazji dało się go w łatwy sposób obrobić. Stąd narodził się pomysł, by łączyć ze sobą miększe i twardsze kawałki stali, co pozwala na uzyskanie broni ostrej i wytrzymałej, a zarazem elastycznej. Jedna z metod polega na spojeniu rdzenia (miękka część) z twardszymi krawędziami. Innym sposobem jest nawęglanie gotowego ostrza, które polega na obłożeniu głowni kawałkami węgla drzewnego i powolnym podgrzewaniu całości bez dostępu powietrza. Dzięki temu cząsteczki węgla przenikną do wnętrza klingi i połączą się z dominującą strukturą ferrytową, utwardzając tym samym cały stop.Zatem miecz o stalowym rdzeniu, który pokrywa się twardszymi kawałkami metalu lub wprost nawęgla ma sens, ale czy opłaca się go posrebrzać? Generalnie tak, ale jest to zabieg czysto kosmetyczny, gdy tworzy się miecz na zamówienie. Poza tym na klindze znacznie lepiej prezentuje się złoto i to właśnie ono jest częściej wykorzystywane do ozdabiania broni. A przynajmniej było w średniowieczu czy w późniejszym okresie (XVII i XVIII), gdy władcy i dowódcy wojskowi używali szabel i szpad paradnych do wyróżnienia się w tłumie wojaków. Czemu nie wykonuje się broni w całości ze szlachetnego metalu? Czy chodzi o problemy z ostrzeniem takich mieczy, jak sugerują to opisy w wiedźmińskich grach i książkach? Nie, takie klingi byłyby po prostu za miękkie i bardzo szybko by się odkształciły.Zatrzymajmy się na dłużej przy Wiedźminie; w pierwszej i drugiej części gry dało się przekuwać już istniejące miecze, by nadać im dodatkowe cechy lub ulepszyć te, które już posiadały. Zwiększenie szansy na obrażenia krytyczne, wzmocnienie działania znaków czy możliwość podpalenia oponenta to tylko kilka z przykładowych usprawnień. Był to znacznie ciekawszy system, gdyż pozwalał rozwijać jedną broń, a nie zarzucał gracza toną niepotrzebnego żelastwa, jak w klasycznych grach z gatunku hack-and-slash.Generalnie nie przekuwa się już gotowych kling, ponieważ ponowne rozgrzanie materiału spowoduje osłabienie jego wewnętrznej struktury, co negatywnie wpłynie na wytrzymałość. Jednak gdy robi się to w kontrolowanych warunkach i używa się do tego odpowiednich metali, to wyniki prac mogą przerosnąć wszelkie oczekiwania. W podobny sposób uzyskiwało się dziwer, zwany inaczej damastem skuwanym, który był europejskim odpowiednikiem stali damasceńskiej. Skuwano ze sobą kilka stalowych kawałków o różnym stopniu nawęglenia (przypominam, że im więcej węgla, tym stop staje się twardszy), co prowadziło do powstania sztaby, którą następnie składano kilkukrotnie. Uzyskany materiał był znacznie wytrzymalszy od zwykłej stali, która, jak wspomniałem wcześniej, była za miękka albo za twarda. Ta metoda jest rozwinięciem koncepcji z poprzedniego podpunktu, z tą różnicą, że klingi wykute z dziweru wyglądały znacznie lepiej i przypominały te wykonane ze stali damasceńskiej (stąd częste pomyłki). Te ciemniejsze pasma to cementyt, który wytrącił się wskutek zgrzewania, a później skręcania kawałków stali o różnej zawartości węgla w procesie kucia.W grze Risen 3: Władcy Tytanów jednym z lepszych mieczy jednoręcznych jest Wieczny Płomień, który można uzyskać poprzez przekucie Płomiennego Ostrza. Oprócz efektownego płomienia, który unosił się wokół ostrza, sama klinga była również pofalowana. Czy miało to jakieś praktyczne zastosowanie i czy ozdoby takie jak kolce i wypustki pełniły jakąś rolę?Spotykano płomieniste klingi, a ich główną zaletą (oprócz wyglądu, który budził przerażenie w szeregach wroga) był tzw. efekt piły. Przy ostrzu prostym, gdy uderzamy mieczem w tkankę miękką i pociągniemy go do siebie, to rana znacznie się pogłębi, zadając tym samym mniejszą lub większą krzywdę. Jednak gdy głownia jest falowana, to tych powierzchni tnących jest znacznie więcej, przez co każda taka “falka” pogłębia ranę powodując tym samym znacznie poważniejsze obrażenia. Oczywiście, wszystko zależało od opancerzenia oponenta, ale nawet, jeśli udało się zrobić niewielką szramę w jego naramienniku, to dzięki falowanemu ostrzu mogliśmy rozpruć ten konkretny kawałek zbroi i dobrać się do wrażliwszych części. Taki miecz był uznawany za lżejszy, ale to nieprawda - klinga posiadała ubytki, które wynikały z kształtu głowni, ale przez to musiała być znacznie grubsza, by efekt piły był jak najlepiej wykorzystany.W kwestii ozdób warto wyróżnić ich kilka rodzajów; haki, kolce i wypustki są w mieczach dość rzadko spotykane. I o ile klinga w kształcie płomieni była użyteczna w walce, tak na przykład ząbkowane lub częściowo ząbkowane ostrze w ogóle nie miało sensu, bo grzęzło w przeciwniku lub zaczepiało się o wypustki pancerza; kamienie szlachetne wtopione w głownię czy pozłacane klingi również występowały. W kwestii tych czysto estetycznych ozdobników warto wyróżnić szpady i rapiery, których jelce w formie dzwonów albo obłęków chroniły dłoń i przy okazji dobrze prezentowały się na wszelkiego rodzaju uroczystościach.Kowalstwo w grach fantasy bywa bardzo opłacalną specjalizacją i przed laty zagrywając się w nieśmiertelne Gothiki, często opierałem uzbrojenie swojej postaci właśnie o nią. Same miecze to również ciekawa kwestia i aż dziw, że tak dużo, na pierwszy rzut oka, growych głupotek jest bliskie temu, z czym mamy do czynienia w rzeczywistości. A przynajmniej rzeczywistości studenta, który na pierwszym semestrze układ żelazo-cementyt znał na pamięć… na wyrywki (a potem i tak się do niczego nie przydało, standard).