Загадка булатного узора - Юрий Гуревич

В древние времена железо получали путем восстановления чистых по сере и фосфору руд древесным углем при температурах 800–1200 °C. При этих температурах кремний, марганец и многие другие элементы не восстанавливались, а их твердые оксиды растворялись в жидком шлаке. Железо в крице, очищенной от шлака, практически не содержало включений оксидов тугоплавких элементов. Таким образом, сыродутный и кричный процессы получения железа обеспечивали высокую чистоту металла не только по сере, фосфору и другим примесям, но и по неметаллическим включениям. Такое железо и приготовленные на его основе сталь и чугун могли обладать необыкновенной пластичностью и высокими механическими свойствами.

Есть еще одна возможная причина высокой пластичности и вязкости булатной стали. Недавно советским металлургом С. М. Барановым зарегистрировано открытие, связанное с «явлениями изменения структуры к свойств стали, обусловленных присутствием моноокиси кремния». Оказывается, наличие окиси кремния в сталях сильно снижает их пластичность и вязкость при низких температурах. Поэтому на заводе им. И. А. Лихачева, например, кузова автомобилей, предназначенных для северных районов, изготовляли из углеродистых сталей, отлитых методом бескремнистого раскисления. Эти стали обладают также повышенной коррозионной стойкостью в атмосферных условиях. С. М. Баранов считает, что при сыродутном способе получения железа и стали условий для образования моноокиси кремния не существовало, и поэтому булатные стали хорошо ковались при низких температурах, были прочными и пластичными.

Действительно, в большей части клинков из булата обнаружено очень мало кремния, а содержание фосфора высокое (0,8–0,25 %). Мы уже отмечали благоприятное действие фосфора на коррозионную стойкость стали в атмосферных условиях. С другой стороны, фосфор усиливает междендритную ликвацию углерода при кристаллизации стали и делает феррит более устойчивым. В связи с тем что растворимость фосфора в аустените — гораздо меньше, чем в феррите, при охлаждении стали ниже 1400 °C из пересыщенного фосфором аустенита выделяются не фосфиды, а возникают ферритные участки с более высоким содержанием этого элемента. Такие участки устойчивы при дальнейшем охлаждении стадии они становятся зародышами при образовании феррита при низких температурах. Последнее приводит к тому, что в микроструктуре стали появляется неоднородность в виде светлых полосок или пятен. Такая неоднородность была выявлена нами в прокатанной на лист низкоуглеродистой стали, содержащей 0,11 % фосфора. Таким образом, фосфор мог усиливать микронеоднородность булата.

Если тайны булатных узоров и природы структурной неоднородности булата больше не существует, то в технологии приготовления булатных изделий — их ковке, термообработке и отделке — есть еще много белых пятен.

Многие булаты по содержанию углерода ближе к чугуну, чем к стали, поэтому булат — сталь сверхуглеродистая. Длительное время считали, что ковать чугун и сверхуглеродистые стали нельзя, они хрупкие и рассыпаются под ударами молота. Между тем булат надо было не просто проковать, а проковать так, чтобы сталь приобрела мелкозернистую структуру.

Совершенно прав металлург А. Герчиков, который замечает, что острота и стойкость острия зависят от того, насколько мелки зерна основной твердой фазы стали. Современную сталь для режущего инструмента подвергают специальной ковке, чтобы измельчить зерно. У булата же зерно должно было быть чрезвычайно мелким. Правда, зерно булатной стали мелкое уже в слитке, поскольку твердые частицы включений обеспечивали объемную кристаллизацию жидкой стали и затрудняла рост дендритов. При ковке слитка зерно еще более измельчалось. Теперь мы знаем, что одна из причин мелкозернистости и высокой пластичности сплавов железа с высоким содержанием углерода — их особая чистота. А если ее нет?

В последнее время появились работы, показывающие, что при определенных температурах деформации сверхуглеродистая сталь, содержащая 1,2–2,0 % углерода, может обладать высокой пластичностью и по другим причинам. Главным условием высокой пластичности и даже сверхпластичности является не только дисперсность зерен, но и постоянство их размеров при температуре деформации. Последнее обеспечивается, если в стали образуются очень тонкие частицы цементита (карбидов железа).

Подготовка стали к сверхпластичному состоянию осуществляется сравнительно недавно вновь открытыми методами термомеханической обработки. Сталь нагревают немного выше температуры перлито-аустенитного превращения и выдерживают необходимое время для растворения всех карбидов в аустените. Затем ее непрерывно деформируют, одновременно охлаждая. Это приводит к сильному измельчению аустенита, образованию субзерен и созданию значительного количества рассеянных дислокации. Выпадающие из аустенита по мере его охлаждения тонкие частицы карбидов (цементита) оседают на дислокациях и субзернах.

При температуре 727 °C (см. рис. 2) аустенит начинает превращаться в феррито-цементитную смесь. Дальнейшая непрерывная деформация приводит к образованию сверхтонких зерен феррита с однородным распределением субмикронных частиц цементита. Именно такой материал и обладает сверхпластичностью при 600–650 °C. Так, например, сталь, содержащая 1,6 % углерода, при этих температурах удлиняется перед разрушением более чем на 1000 %. После охлаждения до комнатных температур эта сталь обладала примерно в 2 раза большей прочностью, чем малолегированные инструментальные стали, и не уступала им в пластичности!

Еще выше поднимаются свойства стали после закалки. Мартенсит сверхуглеродистой стали имеет твердость и прочность на излом при сжатии, соизмеримые с карбидом вольфрама — одного из самых прочных и твердых после алмаза материалов. Но карбид вольфрама имеет нулевую пластичность при сжатии, и поэтому разрушается хрупко, в то время как сталь до излома пластически деформируется почти на 10 % и разрушается вязко. Таким образом, высокоуглеродистые заэвтектоидные стали при должной термомеханической обработке могут обладать высокой твердостью, прочностью и достаточно большой вязкостью. Мы уже знаем, что эти качества позволяют затачивать лезвие клинка до необыкновенной остроты.

Высокодисперсные зерна феррита, полученные в результате термомеханической обработки высокоуглеродистых заэвтектоидных сталей, обладают необыкновенно высокой подвижностью атомов на своих границах. При 650–800 °C диффузия атомов железа на поверхность зерна проходит в миллион раз быстрее, чем в его основу. Такие свойства стали должны хорошо обеспечивать ее сварку в процессе ковки. О. Д. Щерби экспериментально показал возможность сравнительно быстрой диффузионной сварки высокоуглеродистой заэвтектоидной стали с мягким железом и низкоуглеродистыми сталями при 800 °C. Им получен слоистый материал, аналогичный сварочному булату (дамасская сталь).

Знаменательно, что не так давно советские ученые А. Бочвар, В. Давыдов и Л. Лушников показали: при определенных условиях обычный чугун также становится сверхпластичным. Оказывается, при определенной температуре и достаточно быстрой деформации опасные изломы и трещины в чугуне не образуются. Зарождавшиеся очаги разрушения быстро «затягиваются». Механизм «затягивания» микротрещин связывают с большой скоростью диффузии, которая достигается лишь тогда, когда зерна металла очень мелкие и имеют круглую форму. Эксперименты с мелкозернистым белым чугуном, содержащим углерода 3,5 %, свидетельствуют, что при 70 °C удлинение образцом достигало 150 %!

Использовали ли древние кузнецы термомеханическую обработку стали для получения ее высоких свойств? Установленные факты позволяют положительно ответить на этот вопрос. Известно, что дамасские оружейники построили между двумя высокими горами мастерскую и вывешивали на сильном ветре раскаленные докрасна после ковки клинки. Подобным образом закаливали сталь и в древней Грузии. Только что откованый горячий клинок кузнец передавал подручному, и тот, мчась верхом на разгоряченном коне, размахивал ям над головой. Эти способы закалки булата непосредственно после ковки в потоке ветра кажутся сегодня романтичными; между тем они как раз и являются своеобразными приемами термомеханической обработки стали.

Совмещение ковки, закалки и отпуска — закономерный прием в технологии производства изделий с мелкозернистой структурой, высокой твердостью и упругостью. Для получения высокой твердости стали ее отпуск после закалки должен быть как можно более низким — при температуре 150 °C. При таком отпуске нельзя получить высокой упругости. Отпуск же при 300 °C обеспечивает высокую упругость, но при этом резко снижается вязкость стали вследствие развития необратимой хрупкости. Более высокая температура отпуска стали повышает вязкость, но снижает упругость.