Загадка булатного узора - Юрий Гуревич

Вот как Д. К. Чернов характеризует эти замечательные точки: «Сталь, как бы тверда она ни была, будучи нагрета ниже точки «а», не принимает закалки, как бы быстро ее ни охлаждали, напротив того, она становится значительно мягче и легче обрабатывается пилою». Таким образом, критическая точка «а» характеризует минимальную температуру, от которой сталь начинает принимать закалку. И напротив, «сталь, будучи нагрета ниже точки «b», не изменяет своей структуры — медленно или быстро после того она охлаждается. Как только температура возвысится до точки «b», масса стали быстро переходит из зернистого (или, вообще говоря, кристаллического) в аморфное (воскообразное) состояние». «Аморфная» — это мелкозернистая структура стали, которая надежно обеспечивает ей высокие свойства.

Открытие критических точек превращения стали сделало возможным научно объяснить процессы, происходящие в стали при ее закалке и отпуске. Изучение под микроскопом микроструктуры отожженной и закаленной стали приводит Д. К. Чернова и Н. Т. Беляева к новой гипотезе, объясняющей природу булата. Теперь они представляют булатный узор как «видимый простым глазом перлит». Чтобы понять, что такое перлит и каким образом он может быть связан с булатным узором, необходимо более подробно ознакомиться с превращениями в железоуглеродистых сплавах при их нагревании и охлаждении.

Железо существует в двух полиморфных модификациях: а-железо, которое устойчиво при температурах ниже 910 °C и выше 1390 °C и Y-железо, устойчивое в интервале температур 910°–1390 °C. Кристаллическая решетка а-железа — объемно-центрированный куб, а Y — железа — гранецентрированный. Изменение кристаллической решетки при нагревании и охлаждении называется полиморфизмом. Открытие Д. К. Черновым в 1868 году критических точек превращения стали есть не что иное, как открытие полиморфизма железа.

Мы уже говорили о том, что железо с углеродом образует химическое соединение — цементит (карбид железа). В середине прошлого века английский ученый У. Робертс-Остен показал, что углерод способен также растворяться в твердом железе. В честь его твердый раствор углерода в Y — железе назвали аустенитом. Твердый раствор углерода в а-железе называется ферритом. И в аустените, и в феррите углерод растворим в ограниченных количествах.

С понижением температуры падает растворимость углерода в аустените и феррите, и избыточный углерод выделяется из раствора в виде цементита. В связи с этим Д. К. Чернов указывал, что критические точки превращения аустенита в феррит при охлаждении стали и феррита в аустенит при ее нагревании зависят от содержания в стали углерода. Этим самым он впервые дал представление о диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов. В дальнейшем благодаря работам А. П. Ле-Шателье (1850–1936), А. А. Байкова (1870–1946), Н. Т. Гудцова (1885–1957) и других ученых эта диаграмма была построена.

Что же такое диаграмма состояния? Диаграмма состояния — это графическое изображение областей устойчивости фаз в зависимости от температуры и состава сплава. На рис. 2 показан левый нижний угол диаграммы железо — углерод. По оси ординат отложена температура сплава, по оси абсцисс — содержание (концентрация) углерода в железе.

Рассмотрим подробнее представленную часть диаграммы. Линия GS ограничивает область существования аустенита. Точки этой линии показывают начало превращения аустенита в феррит при охлаждении сплава и окончание превращения феррита в аустенит при нагревании. С увеличением концентрации углерода в аусте-ните до 0,8 %, температура начала его превращения в феррит падает, и по достижении этой концентрации (точка S) она соответствует 727 °C. Поэтому при охлаждении сплавов с содержанием углерода более 0,02 % и менее 0,80 % в интервале температур 911–727° происходит превращение аустенита в феррит, а при нагревании — феррита в аустенит. Таким образом, в области между линиями GS и PS структура сплавов всегда двухфазная, состоящая из феррита и аустенита. Аустенит полностью превращается в феррит при охлаждении сплава ниже температуры 727 °C (линия PS). Эта же температура определяет начало превращения феррита в аустенит при нагревании сплава.

В правой части диаграммы линия SE также ограничивает область существования аустенита. Точки этой линии показывают, что с падением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается. С понижением температуры от 1147 до 727 °C предельная концентрация углерода в аустените изменяется от 2,11 до 0,8 %. Поэтому при охлаждении сплавов указанных составов до температур ниже 1147 °C из аустенита выпадает цементит. В области между линиями SE и SK структура сплавов двухфазная, состоящая из аустенита и цементита.

При температуре 727 °C концентрация углерода в еустените определяется точкой 5 на линии PSK и соответствует 0,8 %. Предельная концентрация углерода в феррите при этой же температуре определяется точкой Р на линии PSK, она соответствует всего 0,02 % углерода. Следовательно, аустенит, содержащий 0,8 % углерода, при охлаждении сплава до 727 °C превращается в феррит, содержащий 0,02 % углерода. Избыток углерода выделяется из аустенита в виде цементита. Таким образом, при температуре 727 °C аустенит распадается одновременно на две фазы: феррит и цементит. Эти фазы выделяются в виде механической смеси. Превращение аустенита в феррито-цементитную смесь при 727 °C характерно для всех сталей.

Распад аустенита при 727 °C на феррит и цементит называется эвтектоидным превращением, а получающаяся в результате распада феррито-цементитная структура — эвтектоидом. Невооруженным глазом увидеть феррито-цементитную смесь невозможно. Под микроскопом, при увеличениях в десятки и сотни раз, двухфазная структура эвтектоида напоминает перламутр, сложенный из светлых пластинок феррита, чередующихся с темными пластинками цементита. Поэтому двухфазная структура эвтектоида была названа перлитом.

Стали, содержащие углерода до 0,8 %, называются доэвтектоидными. После медленного охлаждения их структура состоит из феррита и перлита. Стали, содержащие углерода более 0,8 %, называются заэвтектоидными. Их структура после медленного охлаждения состоит из перлита и включений цементита. В стали, содержащей 0,8 % углерода, весь аустенит превращается в перлит, поэтому после медленного охлаждения структура такой стали будет представлять собой пластинчатый перлит. Такая сталь называется эвтектоидной.

Если сравнить пластинчатый перлит с узором клинка кинжала, сделанного из аносовского булата (см. фото 3), то мы увидим: внешнее сходство поразительное! Теперь совершенно понятно, почему Д. К. Чернов и Н. Т. Беляев пытались связать булатный узор с перлитной структурой стали. Н. Т. Беляев даже пробовал классифицировать перлит по признакам булатного узора…

Перлитом можно не только объяснить узор булата, но и обосновать его свойства. Дело в том, что феррит является пластичным и вязким материалом, а цементит — твердым и прочным. Так же как и булат, перлит как будто совмещает в себе прямопротивоположные качества: пластичность и твердость, вязкость и прочность!

Итак, Д. К. Чернов и Н. Т. Беляев выдвинули гипотезу: булатный узор — перлит, полученный каким-то неизвестным способом, обеспечивающим рост пластинок феррита и цементита до таких размеров, что они видны невооруженным глазом. Однако никакого экспериментального материала, связывающего перлит с булатным узором, получить не удалось. Металлурги ни разу не получали перлита, в котором бы величина пластинок феррита и цементита была бы соизмерима с булатным узором.

В связи с этим Н. Т. Беляев выдвигает новую гипотезу: булатный узор является результатом структурного равновесия между ферритом и цементитом. Поводом для этой гипотезы послужили опыты металлурга Г. Геренса, который обнаружил в перлите белых чугунов структурно-свободный цементит. Рассматривая условия, предложенные Аносовым для отжига «литых булатов», Н. Т. Беляев находит, что они в точности совпадают с опытами Геренса. Гипотезу Н. Т. Беляева поддерживает известный металлург начала XX века В. П. Ижевский.

Нагревом заэвтектоидной стали (1,4–1,8 % углерода) выше перлитного превращения (727 °C) и длительной выдержкой при температурах ниже перлитного превращения (720°–700 °C) удается получить резкую ликвацию углерода. В стали появляются участки структурно-свободного феррита и групповые скопления коагулированных (сгруппировавшихся) частиц цементита.

Казалось бы, металлурги наконец-то получили ключ к разгадке тайны булатных узоров. Но, увы, вскоре сами авторы гипотезы признают ее несостоятельность: хорошо известно, что булатные узоры сохраняются и после закалки стали в то время, как структура «феррито-цементитного узора» после закалки на мартенсит традиционными способами сохраниться не может. Чтобы это хорошо понять, необходимо сделать еще один экскурс в металловедение и познакомиться с основами теории закалки и отпуска стали.