← Статьи

Свойства дамасской стали. Часть 2.

 

Со свойствами сварочного варианта дамасской стали, с дамаском, вроде как примерно разобрались в первой части (посмотреть тут), а чего можно добиться в классическом тигельном варианте, в булате? Для начала обратим внимание на его структуру, которая состоит из слоёв-волокон как бы обычной стали с содержанием углерода 0.8%, и слоёв со сверхвысоким (3-3.5%) содержанием углерода, практически чугунного состава.

Поперечный срез булатного клинка, структура карбидных волокон, образование микропилы при резании.

"Историография булатных структур" Д. А. Суханов

 

Для того, чтобы начать разбираться в интересных свойствах булата, придётся начать со скучных вещей. Так сделали и авторы вышедшей в издательстве МИСиС в 1996 году книги-монографии "Булатная сталь" В.А. Щербаков и В.П. Борзунов, главный смысл которой я попробую изложить более кратко.

В узких кругах металлургов общеизвестно, что пластическая деформация при ковке происходит в результате перемещения дислокаций, искажений кристаллической структуры, которые грубо приблизительно можно представить как микроскопические трещины в кристаллической решётке металла.

Виды дислокаций. а) краевая б) винтовая.

 

В мягком металле такие псевдотрещины перемещаются довольно легко, не встречая препятствий. Но, дойдя до границы "слой-матрица", дислокация как бы втыкается в прочный слой, встречая здесь сразу массу препятствий в виде атомов легирующих элементов, нерастворённых карбидов - а также множества ранее застрявших у этого барьера других дислокаций. Высокоуглеродистый слой потому и прочной, что дислокации в нем перемещаются с трудом. Происходит торможение и накопление дислокаций в пограничном слое, который служит своеобразным аккумулятором искажений. Рентгеноструктурные исследования показали, что в "изуродованной" кристаллической решётке металла узорчатых клинков отсутствуют целые группы атомов, а дислокации сворачиваются в плотные клубки.

Крайне важным, едва ли не определяющим для формирования устойчивого погранслоя, является условие притока большого количества углерода из "чугунных" карбидных слоёв. Частичное растворение карбидов при нагреве под ковку высвобождает углерод, и он быстро диффундирует, проникает в пограничные области с сильно искажённой кристаллической решёткой. Образно говоря, атомы углерода как бы проваливаются в рыхлую, насыщенную дислокациями межслойную структуру и там осуществляется довольно хорошо изученный механизм стабилизации, торможения дислокаций атомами углерода (работают т.н. атмосферы Котрелла), отчего они и сохраняются при последующих нагревах.

Поэтому, собственно, и кузнецы русов 9-го века, и тифлисский мастер Кахрамон Элиаров 19-го века, при изготовлении требующих особой упругости клинков своих мечей и сабель целенаправленно применяли при сварке дамаска дроблённый чугун, который образовывал на стыке слоёв сверхуглеродистые прослойки. Эти тонкие чугунные прослойки и образовывали те самые обильные источники свободного углерода в клинках из такого "сварочного булата". По описаниям, "от русов вывозятся мечи, которые можно сгибать пополам (дугой) и когда руку отнять, они возвращаются в прежнее положение", и сабли Элиарова российский император Николай Первый тоже гнул, но не сломал. И приказал наградить мастера.

В итоге, после грамотно проведённой ковки (ключевое слово - термоциклирование), структура булата, тигельного или сварочного, состоит из мелких частиц цементита, упорядоченно сгруппированных в матрице (образуя узор), состоящей из ультрамелких равноосных зёрен. Причём прочные слои-волокна и матрица отделены друг от друга почти некристаллическими, полуаморфными участками пограничного слоя с очень высокой плотностью дислокаций, что делает такую структуру похожей на мокрый пластичный песок, в котором твёрдые округлые песчинки разделены тонким слоем воды.

При изгибе клинка зерна металла как бы скользят, поворачиваются как на шарнирах друг относительно друга в вязкой среде межзёренного материала, не искажая дополнительно его и без того искажённую кристаллическую решётку. Как говорится, мокрого не намочишь! Этим во многом и объясняется очень высокая эластичность высококачественных, "настоящих" булатных клинков, позволяющая сгибать их дугой. Павел Аносов писал, что "...как оказалось по моим опытам, правильно откованный и закалённый шпажный клинок из хорошего булата не может быть ни сломан, ни согнут до такой степени, чтобы потерял упругость. При обыкновенном гнутье он выскакивает и сохраняет прежний вид, а при усиленном, например, наступив на конец ногой и загибая его под прямым углом, он не сломается, а будучи выправлен, не потеряет прежней упругости. Это есть предел упругости, который в обычных сталях не встречается".

Читали про "саблю вокруг пояса"? Теперь посмотрите. На конце клинка дырочка, на рукояти пимпочка - именно для застёгивания на поясе.

 

Теперь о ещё одном важнейшем факторе, влияющем на свойства дамасской стали всех типов - об узоре. Длинновато получается, многие статью не дочитают, ибо "многобукаффниасилил"... но таким это не особо и нужно, дабы не получить вывих мозга.

Вопрос - почему в давние времена, когда булат был материалом для практичных изделий, наиболее ценились сорта булата со сложным узором? Аносов, вслед за восточными ценителями, разделил все сорта на высшие, средние и низшие, а именно коленчатые, волнистые и полосатые. И в сварочном дамаске были издавна разработаны методы образования сложных узоров хотя бы на поверхности. Красота? Не только.

Дело в том, что как уже было сказано, деформация при ковке происходит в результате движения дислокаций. В булатах и дамасках с полосатым узором они движутся в относительно мягких слоях вдоль них, как если бы текла (и стекала) вода по каналам, лишь слегка касаясь поверхности прочных слоёв, своего рода трение о берега. А вот при усложнении узора, при его изгибах, эти потоки дислокаций движутся под углом или вовсе поперёк слоёв Дислокации упираются в прочные слои, проходя через них как через речные пороги, завихряясь и тормозясь. И, накапливаясь в пограничном слое, искажают его кристаллическое строение.

Известно, что в обычной стали структура накапливает до 10% энергии деформации в виде увеличения площади поверхностей зерна и карбидов вследствие их измельчения, а также искажений кристаллической структуры межзерённого пространства. Очевидно, что в узорчатых сталях эта доля намного выше.

Ещё один значимый фактор в градации качества булатов - это величина, крупность узоров. Чем крупнее узор булата, тем выше он ценился. Отметим (это имеет значение), что под крупностью и величиной здесь подразумевается не величина фрагментов узора, размах его завитков, а толщина линий, образующих этот самый узор, простой или сложный. Как писал Аносов, в крупном толщина линий как у заглавных букв или нотных знаков, а в мелком как у обычного письма.

Мелкий и крупный узор булата. Ширина клинков и тип узора одинаковые, а ценность разная.

Для сравнения - узор штемпельного дамаска в 300 слоёв.

 

Переведя с аносовского русско-описательного на русский кузнечно-металлографический, можно сказать, что внешне крупный узор соответствует "как бы" количеству слоёв 100-150, а мелкий 300 и выше. Или, если уж совсем в цифрах, то сумма толщин двух соседних слоёв у крупного узора порядка 100 мкм, у мелкого около 50.

И причём тут толщина слоёв? Какая связь между свойствами булатного клинка и крупностью линий его узора? Дело в их прочности, в способности оказывать сопротивление пластической деформации при ковке. Если условно прочные карбидные слои тонкие, то при ковке и они, и межслойные участки деформируются одинаково, увлекаясь течением металла. А вот если карбидные слои толстые, сильные, то и сопротивление деформации их велико - в то время как соседние сравнительно малоуглеродистые участки текут легко и просто...попутно производя массу дислокаций, обильно насыщающих пограничный слой. Образно говоря, при ковке булата с крупным и сложным узором происходит как бы скручивание пучка мокрых лент ткани и жёстких сухих верёвок, окрашенных акварельными красками. Вода/дислокации выжимаются из ткани и скапливается на поверхности плотных волокон, смешиваясь с краской. Образуется загустевший "цветной" пограничный слой с аномальной структурой…

Вот и ответ, почему клинки со сложными крупными узорами ценились так высоко - в Константинополе/Стамбуле в 19-м веке они стоили до двухсот килограммов серебряных монет, а на тысячу лет ранее за мечи франков и русов на Востоке давали до 4 килограммов золота.

Высший сорт булата. Один из.

Низший сорт булата. Тоже "один из".

 

И эта связь качества клинка и сложности его узора действовала повсеместно, потому что законы физики не зависят от страны и эпохи. Именно поэтому кузнецы русов закручивали прутки сваренного чугуном дамаска для основы клинков своих мечей, именно поэтому Элиаров, также сварив с чугуном слоистый дамаск для сабель (с общим количеством слоёв около 350-400), потом насекал на их поверхности ромбически-кольчатый узор - это было необходимо для образования аномального, насыщенного энергией деформации, пограничного слоя.

И ещё об одном скажу. Длинно получается, но надо. Всё тот же настойчивый исследователь булата Павел Аносов к признакам булата высшего сорта отнёс его… звон. Да, действительно, хороший клинок звенит (даже поёт) дольше минуты, иногда и две и три, в то время как "просто хорошая сталь" типа рельса звенит секунд 15. А иногда и пять.

Аномально долгий звон объясняется именно наличием аномального погранслоя, в котором (внимание) вследствие аморфизации кристаллической структуры меняется даже модуль упругости (затрачиваемое усилие на единицу деформации) и внутреннее трение. Это, если опять образно, как бы сравнение резины и стали - у резины этот модуль в 10.000 раз меньше, поэтому резиновый шланг согнуть легко и просто, а стальную трубу такого же диаметра… нужен механизм. Кстати, ещё и поэтому булатные клинки истинно высшего качества сгибаются легко и упруго, почти без усилий. Я это отметил при давнем сравнении двух сабель - старинной и советской шашки. Размер их одинаков, а вот усилия при сгибании были весьма ощутимо разными.

Из-за пониженного модуля упругости при звуковой вибрации после удара энергия этого самого удара расходуется на звуковые волны, а не на внутреннее трение, поэтому и длительность звучания отличается в разы. Скажу ещё и то, что именно звон булата для меня лично послужил стимулом для погружения в тонкие нюансы технологий. На научной конференции в МИСиС в начале 90-х годов Щербаков и Борзунов показали пластину своего булата с красивым узором, которая после лёгкого удара обычным ключом из связки буквально запела. И пела, пока Борзунов кратко рассказывал об отличии булата от "просто стали" того же химсостава.

Впрочем, тема звона булата весьма глубока, и при попытке плотно её исследовать учёные металлурги и хмурились, и скептически морщились, но точные ответы на "почему да отчего" ещё впереди. Так, была исследована пластина легированной стали Х12МФ мастера С. Баранова из Златоуста, которая звенела более 2-х минут. Посмотрели в микроскоп и сделали вывод - звенит потому, что у неё почти идеально равномерная мелкозернистая структура, с равномерно распределёнными мелкими карбидами. Угу. Но вот в булате структура-то совсем неоднородная... И? Молчит наука. И предоставленные мной образцы отложила в дальний тёмный ящик.

Микроструктура образца поющей стали Х12МФ С. Баранова.

Узор булата с химсоставом стали Х12МФ.

 

В итоге, после всех рассуждений и примеров, можно и нужно сделать главный вывод - получение бруска булата с крупным и сложным узором не является самоцелью, такой брусок всего лишь исходный полуфабрикат. Качественный, но полуфабрикат. Аномально высокие свойства, именуемые легендарными, булат приобретает лишь при грамотной, направленной ковке бруска металла именно с такой крупной и сложной исходной структурой.

Что ж, по словам Платона, отличие ремесленника от мастера в том, что ремесленник знает как, а мастер понимает - зачем. Да, именно от понимания сути производимых мастером действий зависели и качество его изделий, и их стоимость. И слава мастера тоже… потому что большинство задействовало просто маймун-процесс, когда повторяют какие-то действия, но не понимают их сути. Также и учёные. Есть измерители-описатели, а есть открыватели… имена которых мы заучиваем в школе.

Итак, булат и узорчатые стали вообще - это один из путей достижения аномально высоких свойств клинка. Или, выражаясь иначе, путь приближения к идеальным свойствам.

Однако, и это ещё не все теоретически возможные пути к аномально высоким свойствам. Время от времени появляются сообщения, на свой лад поясняющие славу булата, а именно разной формой соединения в нём углерода с железом. Так, лауреат Нобелевской премии по химии 1996 года Роберт Кёрл считал, что узор булата образуется мельчайшими углеродными наночастицами, а несколько позже немецкий профессор Пауфлер заявил, что действительно обнаружил в древнем булате армирующие его углеродные нанотрубки, обладающие сверхвысокой прочностью. Другие исследователи утверждают, что иногда углерод в булате образует выделения не только карбидов, но и карбина - одной из форм чистого углерода, по твёрдости в несколько раз, превосходящей даже алмаз.

Но есть одна скучная особенность строго научного подхода к исследованиям… Российский химик Д.И. Менделеев по поводу всякого рода теорий сформулировал замечательный подход: - "Сказать, оно конечно, все можно, а ты пойди демонстрируй!" А с реальными и строгими доказательствами необычайных свойств булата дела обстоят неважно. На самом деле реально не доказано (настолько, чтобы это было официально признано) ни наличия квазиаморфного погранслоя, ни значимого количества нанотрубок, ни сверхтвёрдого карбина в высокоуглеродистом металле.

Действительно, многое из сказанного может быть истиной и реальностью, я и сам в это скорее верю, но всего лишь "может" и всего лишь "верю", потому что я пока не нашёл "чёрную кошку в темной комнате"... хотя порой все же слышу её мяуканье.