В.П.Борзунов (ИМ им.В.И.Ленина), В.А.Щербаков (МИСиС)
ИНДИЙСКИЙ ВУТЦ, ДАМАССКАЯ СТАЛЬ, РУССКИЙ БУЛАТ - ЛЕГЕНДАРНЫЕ КОМПОЗИТЫ
ПРОШЛОГО. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ФОРМИРОВАНИЯ УНИКАЛЬНОЙ ГАРМОНИИ
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ И ПУТИ ИХ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ

Введение

 

"Три пути ведут к знанию:
путь размышления - это путь самый благородный,
путь подражания - это путь самый легкий,
а путь опыта - это путь самый горький"
Конфуций

В настоящее время в промышленно развитых странах металлы и сплавы
уступают свое господство в машиностроении, других промышленных отраслях
принципиально новым конструкционным материалам - композитам, В этом
процессе совершенствования конструкционных материалов не заняли
достойное место композиты типа индийского вутца, дамасской стали,
русского булата, состоящие из высокоуглеродистых железных волокон в
низкоуглеродистой железной матрице эвтектоидного или близкого к нему
состава. Как ни парадоксально, человек не смог до конца понять сущности
булатной стали, природы уникальных свойств и особенностей технологии ее
получения несмотря на то, что долгое время использовал изделия из булата
(ниже этот термин будет применен в качестве обобщающего обозначения
данного класса композитов), совершенствовал его, терял секрет
изготовления и вновь открывал тайны булата, подобно тому, как это сделал
в середине 112 века русский металлург П.П.Аносов. Вопрос о том,
разгадана ли тайна булата, неоднократно поднимался в отечественной /1-5/
и зарубежной литературе /6, 7/. В Большой Советской Энциклопедии
сообщается, что секрет булатной стали впервые в Европе раскрыл русский
металлург П.П.Аносов. Однако Н.И.Беляев в своей работе "О булатах",
опубликованной в журнале Русского металлургического общества, в 1911 г.,
т.е. спустя полвека после раскрытая секретов технологии П.П.Аносовым так
констатировал состояние исследований булатной стали: "Грустно сознавать,
что современная наука не вооружена настолько, чтобы ясно и определенно
ответить на вопросы: что такое булат с его непременным спутником узором
и чем, собственно, объясняются те высокие механические свойства, какими
обладает изделия, изготовленные из булата..." /4/. А "от высказывания
нашего современника, академика Л. Ф. Верещагина: "То, что случайно
найдено путем эксперимента и еще не осмыслено, не понято людьми,
принадлежит им только наполовину... Примерно то же случилось и с
дамасской сталью. Случай дал ее в руки человеку, случай и отнял" /I/. ..
Попытки разгадать технологию производства булатной стали и осмыслить
природу ее уникальных свойств были, и работы в этой области
продолжаются. Однако существуют оценки, ставящие под сомнение
современную ценность булата, логика которых сводится к следующему: "...
холодное оружие давно потеряло ценность, а с ним ушли в прошлое и
булаты, ... а сравнении с высокопрочными и вязкими легированными сталями
булат не представляет собой ничего выдающегося". Так ли это? Позволило
ли легирование стали реализовать весь комплекс уникальных свойств
композита, обусловленных наличием волокон в соответствующей матрице?
Даже если не принимать во внимание экономический аспект, обусловленный
использованием дорогостоящих легирующих добавок, отказ от композита типа
булатной стали является преждевременным. Сущность секретов булатной
стали так долго не раскрывалась человеку, что появление легированных
сталей, а затем и порошковых сплавов с высокими и принципиально новыми
свойствами материала, привело, на наш взгляд, к незаслуженному, хотя и
понятному охлаждению научного интереса к булатной стали и композитам
этого типа. Лишь сегодня, когда начали возникать проблемы с легирующими
добавками, а изученность возможностей легирования сталей достигла очень
высокого уровня, когда большее внимание уделяется экономическим аспектам
и происходит интенсивное успешное развитие композитов в целом,
возвращается научный интерес к забытой, не оцененной до конца технологии
производства булата. По мнению профессора Ю.Г.Гуревича, в композиционном
материале трещина, возникшая при разрушении прочного волокна, гасится
мягкой матрицей. Поэтому наряду о высокой прочностью такие материалы
обладают и высокой вязкостью. Во всяком же компактном материале,
например в легированных сталях а сплавах, нагрузку воспринимает материал
в целом, поэтому возникшая трещина быстро распространяется и приводит к
хрупкому разрушению металла. Применение легирования сталей, по всей
видимости, вовсе не исчерпало преимуществ композитов типа булатной
стали, больше того, композиты данного типа с определенной степенью
легирования волокон и матрицы, т.е. на базе повышенных свойств
составляющих композитов, могли бы обеспечить достижение более высокого
уровня эксплуатационных свойств изделий. Бурное развитие порошковой
металлургии с использованием легированных стальных порошков обеспечивает
высокое качество как спеченных, так и горячештампованных изделий.
Несомненно, применение режущего инструмента, например из спеченных
твердых сплавов не основе карбида вольфрама, имеет большое значение для
промышленности". С помощью данных сплавов удалось значительно увеличить
скорость резания металлов даже а сравнении с высоколегированной
быстрорежущей сталью. Однако данные композиты имеют высокую хрупкость и
могут быть успешно использованы только для изготовления обработки
изделий с малыми размерами при определенных условиях их эксплуатации,
т.е. они не являются полноценными наследниками булатной стали.
Производство прессованных и спеченных изделий с неравновесной структурой
(микробулат) позволяет достигнуть удивительных результатов. Так, в
Институте проблем материаловедения АН УССР разработана технология
получения изделий из высокохромистой порошковой стали. Смеси порошков
железа, белого чугуна и хромистой стали, содержащей 30 % Сг, формуются
двукратным прессованием и спекаются в печи с защитной атмосферой.
Сравнительно невысокая температура и кратковременность спекания
исключают выравнивание концентрации углерода и хрома по всему объему
металла, формируя тем самым неравновесную структуру. Однако требования
сравнительно невысокой температуры и кратковременности спекания,
необходимых для сохранения неравновесной структуры, могут создать
определенные трудности в достижении положительных результатов при
существенном увеличении массы изделий. Сегодня ведущие фирмы мира,
производящие режущие инструменты из легированной стали, выполняют
режущую кромку изделий с периодическим профилем, шаг которого составляет
3,5-10,0 мм, или в виде хаотических выступов (австрийская фирма "Бёлер".
Фирма ("Ричардсон") в Шеффилде, Великобритания, производит ножи, режущая
кромка которых имеет волнистый профиль с шагом около 5 мм с
дополнительно выполненными рифами с шагом 0,5 мм. Необычна и реклама на
это изделие - "Нож будущего - сегодня", "Нож не требует заточки,
гарантия 25 лет". Периодический профиль, несомненно, существенно
увеличивает режущую способность ножа, что неосознанно использовалось еще
в глубокой древности в изделиях из булатной стали. Рекламируя
достигнутую конфигурацию режущей кромки лезвия, фирма "Ричардсон"
несомненно права в том, что достигнутое измельчение рифов режущей кромки
на более крупном рельефе действительно признак высококлассного
инструмента. Однако для расширения области его применения необходимо
обеспечивать еще высокую прочность рифов и самозаточку лезвия, что
возможно с использованием в качестве материала инструмента композита
типа булатной стали, в которой рифы на режущей кромке образуются как
включениями цементита, так и самой волокнистостью материала, реализующей
самозаточку режущей кромки лезвия. В предисловии к книге "Загадка
булатного узора" академик АН СССР В.И.Трефилов отмечает: "Через сто
лет... Златоустовские металлурги вновь пытались воскресить технологию
производства булата, ... хотя полностью аносовский булат повторить не
удалось, легендарная упругость клинков достигнута не была, но режущие
свойства лезвия оказались весьма высокими для рядовой углеродистой
стали""которую представляют собой булат... Многие "тайны" ковки,
термообработки и отделки булата сегодня известны, другие ждут еще своей
расшифровки". Несмотря на объективность вышеизложенной оценки состояния
исследований булатной стали, хотелось бы отметить следующее. Если булат
- рядовая углеродистая сталь, то расшифровки каких "тайн" термообработки
и отделки булата мы ждем? Если же индийский вутц содержит углерод
1,7-2,0 % и выше, можно ли называть его рядовой углеродистой сталью ?.
Дело в том, что если мы ставим перед собой задачу раскрытия тайны
повышенных свойств булата: твердости, упругости, вязкости, прочности,
режущей способности и т.д., то понятие "рядовой углеродистой стали" для
булата, "не представляющего ничего выдающегося в сравнении с
высокопрочными и вязкими легированными сталями", свидетельствует лишь о
нашей беспомощности понять секреты булата. В 1980 г. в Стенфордском
университете О.Шерби и Дж.Уодсворт при осуществлении своей программы
исследований сверхпластичности металлов создали сплав на основе системы
железо-углерод, очень похожий, по имеющимся отзывам, на дамасскую сталь
и сулящий огромные перспективы в снижении стоимости производства
всевозможных изделий - от вертолетов до шестерен . Ими установлено, что
следует уделить пристальное внимание сверхвысокоуглеродистым сталям,
содержащим более I % С: при содержании около 1,5 % С в металле имеется
достаточно углерода для образования разветвленной цементитной сетки. В
результате реализации разработанного способа непрерывной прокатки
металла и его охлаждения от 1120 до 650 °С, а также последующей выдержки
его при этой температуре в процессе обработки, цементитная "сетка" не
формируется в виде обычной хрупкой сетки вокруг зерен, а превращается в
результате непрерывной прокатки во множество очень мелких частиц,
располагающихся по границам металлических зерен, размер которых в 200
раз меньше обычных. Полученный таким образом металл не только становится
сверхпластичным при умеренном нагреве, но и вязким при комнатной
температуре. Благодаря значительно более тонкому распределению цементита
в металле стенфордская сталь отличается от дамасской, имевшей грубое
распределение цементита на поверхности. Как говорят Шерби и Уодсвсрт,
"мы и понятия не имели о том, что наши сверхпластичные стали имеют
какое-то отношение к оружейникам средневековья. Только после того, как
мы рассказали о структуре этого материала на научной конференции, нам
сообщили о сходстве между структурами того, что нами получено, и
дамасской стали". По нашему мнению, разработанный в Стенфордском
университете сплав не является дамасской сталью, хотя бы из-за
отсутствия макронеоднородности, выражающейся в визуально наблюдаемом в
дамасской стали узоре.. Однако сам факт, что при раскрытии одной из тайн
булата достигаются удивительные свойства сплавов системы железо-углерод,
свидетельствует о том, что проблемы разгадки технологии получения булата
остаются актуальными и сегодня. Разгадана ля тайна индийского вутца в
работах П.П.Аносова я продолжателей его дела? "Безусловно, русские
кавалеристы за счет своей отваги и богатырской силы успешно противостоят
восточным конникам, но крепость и острота ятаганов и шашек, сделанных из
дамасской стали, значительно превосходит крепость сабель наших солдат.
Для того, чтобы успешно владеть настоящим булатным клинком, не нужна
особая физическая сила, он страшен даже в руках ребёнка" Историк XIX
века кавказских походов, русский генерал В.Патто Производство древнего
оружия из дамасской стали, как уже хорошо известно, осуществлялось из
индийского вутца, поставляемого на рынки Персии и Сирии в виде
разрубленной пополам лепешки литой стали /4/. Содержание углерода в
вутце было очень высоким. Так химанализ вутца, проведенный по
распоряжению П.П.Аносова, показал содержание углерода, разное 1,7-2,0 %
и более. Заготовка индийского вутца имела диаметр примерно 12,5 см,
толщину около I см и массу около I кг. Кроме того, заготовка имела
естественный рисунок, при этом, по имеющимся воспоминаниям
путешественников по Индии, слитки имели своеобразные узоры, не похожие
на рисунок на готовых клинках. К сожалению, в Древней Индии так
тщательно прятали секреты выплавки вутца, что в конце концов потеряли их
совсем. Уже в ХП веке табан, например, не могли делать ни в Индии, ни в
Сирии, ни- в Персии. В своей книге "О булатах", опубликованной в 1841
г., П.П.Аносов, излагает четыре способа производства слитка русского
булата.
Первый способ имеет в своей основе "сплавление железных руд с графитом,
или восстановление и соединение железа с углеродом". П.П.Аносов считал,
что этот способ применялся в древние времена для получения стали.
Второй способ- "сплавление железа при доступе углей, или соединение его
предварительно с углеродом и восстановление его посредством закиси
железа". Сущность этого способа заключается в переплавке
высокоуглеродистого сплава с оксидами железа. Взятое первоначально
железо насыщается углеродом при плавке до состава чугуна, а затем
присадкой оксидов железа проводится понижение содержания углерода в
металле до состава стали. Третий способ заключается в получении
высокоуглеродистой литой стали при "продолжительном отжигании без
доступа воздуха". Таким способом получался булат невысокого качества, но
он был дешевым и пригодным для массового производства.
Четвертый способ представляет собой "сплавление железа непосредственно с
графитом или соединение его прямо с углеродом". В тигель загружали
железные обрезки, графит, флюс и железную окалину. Наиболее успешно шел
процесс "при употребления в качестве флюса доломита. Плавка длилась до
5,5 7, металл остывал в тигле с печью, получался сплавок в виде хлебца.
Этим способом были приготовлены П.П.Аносовым высшие сорта булатов. Итак,
с применением первого способа П.П.Аносов получил булат с узором типа
сирийского шама, который относится к наиболее низким сортам булата с
простым узором в виде прямых параллельных волокон. Сам же П.П.Аносов
лишь предполагает, что "древний и потерянный более 600 лет способ
приготовления булата, известного под названием табан, едва ли не состоял
в сплавлении графита с железной рудою". Булаты, полученные по второму
способу, "оказались весьма твердыми, трудно поддающимися ковке". Передел
чугуна и железа в сталь с введением оксидов железа в виде скрап-рудного
процесса занимает в современной металлургии стали важнейшее место.
Однако высшие сорта булата этим способом получены не были. Длительным
отжигом высокоуглеродистой стали в третьем способе П.П.Аносов вызывал
изменения строения стали и повышение ковкости, однако лучшие сорта
булата этим способом также получены не были. Итак, лишь реализация
четвертого способа позволила П.П.Аносову получить высшие сорта булата
типа Хорасан и кара-табан. Один из лучших образцов аносовского булата
был подвергнут химическому анализу в лаборатории Горного института. При
этом был установлен следующий химический состав, %: 98,0 Ре; 1,31 С;
0,50 51; 0,055 А1; 0,30 Си; 0,014 5 ; Аи - следы. Можно отметить более
низкое содержание углерода в сравнении с содержанием его в индийском
вутце, химический анализ которого был предоставлен в свое время
П.П.Аносову. Следует обратить внимание на то, что в своих работах
П.П.Аносов неоднократно отмечает высокие качества полученного им булата,
не уступающего лучшим азиатским булатам. Однако он нигде не говорит о
том, что раскрыл тайну индийского вутца, больше того, он отказывается от
устоявшегося в то время понятия "дамасская сталь" и выдвигает новое -
"русский булат". Случайно ли это? Оценивая достижения металлургов на
Златоустовском металлургическом заводе И. Илимов отмечал: "Открытие (!)
способа приготовления булата, не уступающего качествами лучшим булатам
азиатским, принадлежит бесспорно, к числу важнейших открытий, которыми
обогатилась наша промышленность в последние годы, и мы этим обязаны
трудам корпуса горных инженеров генерал-майора П.П.Аносова" .
Представляется, что П.П.Аносов отдавал себе отчет в том, что лепешка
индийского вутца с ее ограниченной массой и специфическими размерами не
может быть получена реализацией четвертого способа, который позволил
добиться ему столь высоких результатов. Во-первых, - П.П.Аносов
констатирует, что булат - это не полностью сваренная (недоваренная)
сталь. Однако возможно ли осуществить, а тем более проконтролировать
данный процесс при массе металла I кг в ванне глубиной 1 см? Во-вторых,
способ получения булатного сплавка на основе тигельной плавки с
использованием большого количества шлака и медленной кристаллизацией
расплава в том же тигле при производстве тонкой лепешки индийского вутца
повлек бы за собой засорение вутца шлаковыми включениями. В-третьих,
наличие на боковой поверхности сплавка П.П.Аносова достаточно развитого
рельефа, по всей видимости, не было присуще тонкой лепешке индийского
вутца. В-четвертых, если предположить, что индийский вутц - отлитое
изделие (лепешка) после реализации определенной технологии производства
недоваренной стали, то возникает вопрос, чем обусловлена столь
неоптимальная для ковки форма вутца? Кроме того, данное предложение
вступает в противоречив с мнением П.П.Аносова, который на основании
своих опытов указывал, что "переливание из тигля в изложницу портит
сталь", а необходимым условием получения булатов является "медленное
охлаждение сплавки". С самого начала поиска секретов получения булата
авторов настоящей работы не оставляло ощущение чрезмерной сложности
предложенной П.П.Аносовым технологии "недоваренной" стали, которая
как-то не вязалась с уровнем производства и контроля технологии 7П-Х1
веков, а так же с донесшими до нас понятиями "поставки вутца
караванами", "рынки Персии" и т.д. Действительно, потеря секретов
производства индийского вутца при наличии широкого рынка продажи его
заготовок указывала не только на ограниченное число мастеров, владеющих
технологией производства вутца, но и на достаточно высокие
производительность, выход годного и воспроизводимость по тем временам
технологии производства вутца. Смущала довольно низкая
производительность и сложность контроля за аносовской плавкой даже при
знании сущности ее протекания, что, в частности, подтверждалось
сложностью ее воспроизведения учениками П.П.Аносова и другими учеными
даже в современных условиях. Имеющийся у авторов настоящей работы
экспериментальна опыт получения разновидностей булатной стали по
принципиально иной технологии позволяет сделать очень важный технический
и исторический вывод о тем, что П.П.Аносов в своих исследованиях на
Златоустовском металлургическом заводе разработал новые способы
получения булатного слитка, именно новые, но не раскрыл секретов
производства вутца в Дневной Индии, тайна которых сохраняется уже много
зеков. Известно, что П.П.Аносовым изготовлено более двух десятков
клинков и много ножей из русского булата с отличными узорами типа
хорасан и кара-табан. Если же учесть, что, например за период 1830-1835
гг. П.П.Аносовым на Златоустовском заводе было выплавлено 4595 пудов
литой стали /5/, то доля высококондиционного русского булата, по всей
видимости, на была большей даже после 1840 г. Проблемой получения булата
занимался выдающийся русский ученый-металлург Д.К.Чернов. По указанию
Д.К.Чернова, его сотрудники не раз пробовали плавить булат. Они брали
железо, чистое по фосфору и сере, "сплавляли его с серебристым графитом
в присутствии окалины и флюса, сильно нагревали и медленно охлаждали в
огнеупорных тиглях. Слитки имели ярко выраженные древовидные узоры -
результат ликвации углерода. Для того чтобы сохранить узоры, необходимо
ковать сталь при достаточно низкой температуре, считал Д.К.Чернов.
Однако найти температуру ковки, при которой бы сохранились узоры, не
удавалось. Позднее Д.К.Чернов объяснял свойства булата не только
"сплетением" кристаллов, но и ликвацией углерода. Когда булатный слиток
остывает, то первой начинает кристаллизоваться более тугоплавкая
низкоуглеродистая сталь. Между дендритами этой стали располагаются
возникающие позже кристаллики менее тугоплавкой высокоуглеродистой
стали. В результате получается сложное переплетение твердых и пластичных
кристаллов. Описанное явление сегодня широко известно как дендритная,
или внутрикристаллическая, ликвация углерода. Булатом занимались и
ученики Д.К.Чернова - Н.Т.Беляев и Н.И.Беляев. По результатам своей
работы последний констатировал: "Будучи далек от мысли воспроизвести
лучший коленчатый узор индийских мастеров, я тем не менее даго образцы
того, как, видоизменяя ковку, можно видоизменять узор, делая его более
красивым и более совершенным в механическом смысле". Итак, настоящих
булатных узоров и. Н.И.Беляеву воспроизвести не удалось. По мнению
профессора Ю.Г.Гуревича, П.П.Аносов, возможно, скрывал способы ковки
своих клинков. В работах Бреана и Мериме, опубликованных в первой
четверти XIX века, своеобразие булатных узоров объяснялось только
приемами ковки. Г.А.Кащенко в 30-х годах нашего столетия, в частности,
отмечал, что "коленчатую или булатную структуру..., по-видимому,
получали путем энергичной и многосторонней ковки, проводимой в особых
условиях, при этом металл претерпевал глубокое обжатие в разных
направлениях, в силу чего в металле уничтожается слабость, но попытки
воспроизвести булатную сталь, делавшиеся еще 100 лет назад и в более
позднее время, приводили к успеху, хотя и неполному, так что процесс
ковки булата является до сих пор не вполне выясненным...". На
нерешенность вопроса КОВКИ булата в 1978 г. указывал М .Захсе. Советский
металлург Р.А.Левждвою, применив "косую ковку", сущность которой
заключалась в протяжке металла вначале под прямым углом, а затем под
острым углом к фронту бойков или с произвольным изменением угла подачи
заготовки в пределах 45-90°, получил волнистый узор булата /4/. Подобный
способ ковки применил В.И.Басов, выплавив тигельным способом
высокоуглеродистую сталь с содержанием углерода 1,3-1,9 %, сущность
которой состояла в нанесении крестообразных ударов под углом 45° к оси
проковываемой заготовки, в результате чего был получен клинок с узором,
очень похожим на сетчатый булат, правда, из-за отсутствия резкой
физической неоднородности стали узор на клинке проявился не совсем
четко. Проблемами булатной стали занимались также профессор Ю.Г.Гуревич
на Златоустовском металлургическом заводе и академик Грузинской АН ГССР
Н. Ф. Тавадзе с сотрудниками. О полученных результатах исследований этих
ученых будет сказано ниже. В настоящее время сотрудниками Харьковского
политехнического института им. В.И.Ленина (ХПИ) и Московского института
стали и сплавов (МИСиС) по совместной программе "ЛАВАНДА" проводятся
исследования по отработке принципиально новой технологии получения
булатного слитка, режимов его термомеханической и термической обработки.
Какова же наша версия производства индийского вутца? В связи с тем, что
работа еще не закончена, можно лишь констатировать следующее: технология
производства слитка индийского вутца была достаточно проста" (как оно,
наверное, и должно было .быть, иначе стоило ли ее так тщательно
скрывать), производительность ее в несколько раз выше, чем технология
получения "недоваренной" стали, а форма индийского вутца (лепешка) была,
пожалуй, в то времена единственно правильной формой представления
готового полупродукта. На рис.1 представлена макроструктура одного яз
первых образцов композита, полученного по одному из вариантов
разработанной нами технологии. Что касается стенфордской стали, то
необходимо отметить следующее. Отсутствие в полученном сплаве
макронеоднородности по углероду, согласно нижеизложенным теоретическим
концепциям, может существенным образом сказаться на достижении других
сверхсвойств булата, например повышенной упругости, для формирования
которой наличие макроволокон просто необходимо. Поэтому относительно
стенфордской стали правильнее будет констатировать, что эта сталь -еще
не булат.
Природа повышенной режущей способности композита типа булатной стали

"Природа не знает, что мы разделили ее на клеточки наук"
А.Эйнштейн

Известно, что самые лучшие клинки ковали в VII-ХII веках. Лезвие
индийского клинка после заточки приобретало необыкновенно,
неправдоподобно высокую режущую способность. Хороший клинок легко
перерезал в воздухе газовый платок, в то время как даже современные
клинки из самой лучшей стали могут перерезать только плотные виды
шелковых тканей. Правда, и обычный стальной клинок можно закалить до
твердости вутца, но он будет хрупким, как стекло, и разлетится на куски
при первом же ударе. Основными свойствами современных инструментальных
сталей являются твердость, вязкость, износостойкость, теплостойкость
(красностойкость), прокаливаемость, теплопроводность, разгаростойкость,
окалиностойкость, устойчивость против схватывания (адгезии), налипания и
др. Несмотря на важность указанных свойств, следует обратить внимание на
то, что в древности при определении достоинств того или иного булатного
клинка оценивали крупность_(ширину волокон) булатного узора, характер
рельефа, переплетения и число волокон, цвет травленого фона клинка и его
отливы, высоту и длительность звучания клинка, при ударе по нему,
упругость и т. д. Представляется очевидным, что древние критерии
контроля качества булатных клинков не были результатом примитивности
субъективных оценок, а имели более глубокий смысл, дающий информацию, в
частности, о режущих свойствах клинка. Ширина высокоуглеродистых волокон
характеризовала не только способ получения слитка булатной стали, но и
режущие свойства клинка, его упругость и способность к самозатачиванию.
Действительно, если именно светлые после травления слабой кислотой
высокоуглеродистые волокна, насыщенные колониями включений цементита,
обладали максимальной износостойкостью в сравнении с темной матрицей
булата, то доля волокон на фоне матрицы позволяла оценить режущую
способность лезвия клинка. Отметим, что использование авторами терминов
"высокоуглеродистое волокно" и "прослойка низкоуглеродистой матрицы"
условно, так как известно, что светлые после травления полосы на
поверхности булата образованы колониями включений вторичного цементита
на фоне матрицы примерно эвтектоидного или квазиэвтектоидного состав.
Данные термины применены по традиции с древними оценками и с учетом
того, что булат является первым созданным человеком композитом,
определение которого, как известно, строится с привлечением понятий
"волокно" и "матрица". Известно, что наличие высокоуглеродистых волокон
с повышенной твердостью и износостойкостью в менее износостойкой матрице
позволяет в процессе эксплуатации режущего инструмента обеспечивать
самозаточку лезвия так как ускоренный износ прослоек матрицы
обусловливает выход на. режущую кромку волокон обогащенных включениями
вторичного цементита, повышающих режущую способность лезвия.
Следовательно, ширина волокон и прослоек матрицы характеризовала и
способность клинка к самозаточке, т.е. самовоспроизведению в процессе
эксплуатации режущего инструмента рельефообразного профиля режущей
кромки, что особенно важно в условиях почти локального контакта
разрезаемого абразивного материала, например, ленты, пленки и т.д. с
неподвижным лезвием, так как локальный характер контакта лезвия и
материала влечет, как ухе отмечалось, более интенсивный износ режущей
кромки. Очевидно, что после заточки и полировки булатного клинка его
режущая кромка уже имеет зубчатообразный рельеф, обусловленный
изменяющейся по длине кромки твердостью и износостойкостью составляющих
композита, а также наличием вторичных цементитных включений. Если
учесть, что каждое высокоуглеродистое волокно в композите при выходе на
режущую кромку имеет профиль определенной кривизны - фактор, существенно
повышающий режущую способность клинка, то древние мастера были просто
обязаны оценивать и ориентировку волокон относительно режущей кромки
клинка и рукоятки последнего. Оценивая полутона булатного узора и его
четкость, древние мастера невольно легко определяли степень
неравновесности структуры булата по углероду и ее изменение по режущей
кромке, что также позволяло прогнозировать режущие свойства клинка. В
современных легированных инструментальных сталях, например в
рекламируемой фирмой Бёлер стали, содержащей до 2,0 % С и 12 % Сг.
карбидная неоднородность и соответствующая текстура также имеют место,
однако эти характеристики проявляются в микрообъемах и не могут
адекватно воспроизвести рельеф волокон булатной стали. Макро- и
микрорельефностъ режущей кромки булатных клинков имеет огромное
значение. Во-первых, переменный наклон режущих языков рельефа
обеспечивает самореализацию оптимального угла встречи локального участка
этого языка с препятствием, при этом при переменных свойствах
препятствия эффективность работы того или иного участка режущих языков
изменяется в процессе реза. Во-вторых, наличие рельефа режущей кромки
позволяет реализовать "вспарывающий" механизм реза, при котором
препятствие перед режущим языком испытывает значительно большие
растягивающие напряжения, чем при вминании вовнутрь при работе гладкой
режущей кромки, т.е. характер разделения препятствия пилообразным
профилем режущей кромки булата обеспечивает наименьшее сопротивление
разделяемого материала. Высота и длительность звучания булатного клинка
при ударе по нему - наиболее загадочные параметры и приемы оценки его
качества. Конечно, с помощью этих характеристик древние мастера
оценивали наличие микротрещин в клинке, которые могли существенно
снизить его эксплуатационные свойства. Однако возникает и другой вопрос:
не характеризовали ли высота и длительность звучания клинка и его
режущую способность? Не сочетание ли высокой твердости и упругости
булатных клинков проявляется в виде удивительной, неправдоподобной
остроты булатных клинков? Действительно, известно, что чем выше
упругость образца, тем явное проявляются возникающие в нем колебания при
встрече с препятствием, при этом частота и амплитуда колебаний зависит
от размеров режущего инструмента, жесткости контакта с препятствием и
т.д. Проникающая способность лезвия, как и стрелы, при наличии вибрации
может существенно увеличиваться, при этом процесс проникновения
булатного клинка в препятствие происходит в основном не по механизму
"рубки", а именно, резания. В этом случае в процессе разделения
препятствия из-за уменьшения свободного плеча клинка частота и амплитуда
его колебаний уменьшаются, что также могло повышать режущую способность
клинка особенно по механизму вспарывания препятствия, при котором каждый
риф как бы раздвигает и "ищет" более слабую зону препятствия. Возможно,
существующее многообразие форм древних сабель, клинков, ятаганов и т.д.,
которое можно наблюдать в сохранившихся коллекциях - есть следы
человеческого поиска оптимального проявления вышеописанного эффекта.
Таким образом, повышенная режущая способность булатных клинков
обусловлена следующим:
повышенной твердостью и износостойкостью высокоуглеродистых волокон на
фоне менее износостойкой матрицы, что позволяло достигать высокую
остроту режущей кромки;
рельефом режущей кромки, что способствовало реализации вспарывающего
механизма резания в условиях самонастройки оптимального угла встречи
режущей кромки и препятствия;
повышенной упругостью булатной стали, что способствовало возникновению
вибрации режущей кромки и повышало эффективность вспарывающего механизма
резания препятствия;
степенью сплошности расположения и размерами включений вторичного
цементита.
Последний фактор может оказаться решающим для обеспечения сверхрежущей
способности булата. В связи с этим программой "ЛАВАНДА" предусмотрен
специальный раздел исследований, направленный на разработку управляющих
воздействий, обеспечивающих оптимальную плотность, степень коагуляции и
коалесценции включений цементита для достижения твердости, превосходящей
твердость традиционных структур сплава системы железо-углерод. Таким
образом, из вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
чрезмерно мягкая матрица булата, например, из низкоуглеродистой стали,
не позволит достигнуть высокой режущей способности изделий из булата,
так как в этом случае часть режущей кромки работать на разделение
материале практически не будет;
самозатачиваемость булата должна реализовываться не посредством мягкости
матрицы булата, а с помощью пониженной ее износостойкости при сохранении
повышенной ее твердости, а значит, и режущей способности;
демонстрация потенциальной режущей способности булата, по всей
видимости, возможна только после воспроизведения его повышенной
упругости;
степень сплошности расположения и морфология включений вторичного
цементита могут существенно влиять на твердость я износостойкость
сверхуглеродистых волокон булата и композита в целом.
Сегодня утвердилось мнение о том, что "твердость в вязкость -
противоположные свойства инструментальных сталей" /II/, я только легенды
о древнем булатном клинке, который "гнулся в дугу и распрямлялся после
этого в струнку, рубил гвозди и перерезал тонкие сорта ткани", не
позволяют согласиться с эти окончательно.
Природа повышенной упругости композита типа булатной стали

"Если то, во что ты веруешь,
окажется действительно правильным,
то это со временем поймут..."
А.Н.Фрумкин

П.П.Аносов в своей работе "О булатах" сообщает: "Шпажный клинок, из
хорошего булата приготовленный, правильно выточенный и соответственно
закаленный, как оказалось по моим опытам, не может быть при гнутье ни
сломан, ни согнут до такой степени, чтоб потерял упругость: при
обыкновенном гнутье он соскакивает и сохраняет прежний вид. А при
усиленном, например, наступив на конец ногою и загибая его под прямым
углом, он не сломается, а будучи заправлен, не потеряет прежней
упругости; при этой связи в частях булатный клинок может быть тверже
всякого клинка, приготовленного из стали". В чем же причина
исключительной упругости булата? Известно, что упругая деформация -
изменение расстояния между атомами под воздействием внешних сил. Может
ли углерод в сплаве системы железо-углерод существенно повысить
упругость (снизить жесткость материала) и вязкость стали? Из
повседневного опыта мы знаем, что с увеличением содержания углерода в
стали упругость и вязкость (стали уменьшаются при увеличении прочности и
твердости стали. Однако, по имеющимся сообщениям, в проблемной
лаборатории Донецкого политехнического института получен сплав железа с
углеродом, концентрация которого достигала 3,5 %, но несмотря на это
сплав отлично ковался и прокатывался, обладал высокой твердостью и
вязкостью. Электронно-микроскопический и масс-спектрографический анализы
показали, что углерод в сплаве находится в необычном аморфном состоянии,
при котором он, увеличивая прочность и твердость металла, не делает его
хрупким . Хотя авторы разработанного сплава склонны считать его одной из
разновидностей булата, следует заметить, что булатная сталь
характеризуется высокой макронеоднородностью, проявляющейся в Булатном
узоре, и высокой упругостью, которые не наблюдались в образцах,
изготовленных из полученного сплава. Составляющие булатной стали -
высокоуглеродистые волокна железа и низко-углеродистая железная матрица,
содержащие соответственно 1,5-2,0 % (и более) а 0,7-1,1 % С, не обладают
в отдельности очень высокой упругость". Заметим, что значения модулей
упругости определяются силами межатомного взаимодействия и являются
константами сплава с почти равновесной структурой, но в композите типа
булатной стали этот закон, по всей видимости, существенно нарушен, в
противном случае легендарная упругость древних булатных клинков
представляла бы собой просто миф. Для сравнения, модуль нормальной
упругости Е для железа равен 2.10 Кг Н/мм2, а для резины 0,00007.105
Н/мм2. Известно также, что булатный клинок можно было выгибать в
"колесо" (точнее клинок клали на голову, притягивая оба его конца к
ушам) и после снятия нагрузки клинок восстанавливал первоначальную форму
без остаточной деформации. Вряд ли это уникальное свойство булата
полностью объяснимо особой частотой, сплава или идеальной гладкостью
поверхности булатного клинка, которую якобы в древности получали
полировкой пальцем "день за днем, с утра до ночи, месяц за месяцем, год
за годом, поколение за поколением". И. Илимов, исследовавший химический
состав аносовского булата отмечал: "а потому насчет присутствия в стали
и булате посторонних тел можно, кажется, допустить, что незначительное
количество их, не превышающее процента, не имеют приметного влияния на
булат". Необходимо принять во внимание, что в обеспечении повышенной
упругости булатной стали высокоуглеродистые волокна я прослойка
низкоуглеродистой матрицы, возможно, выполняют различные функции, но в
совокупности обеспечивают развитие феноменальных явлений,
обусловливающих сверхупругость булата. Особенностью технологии получения
исходного слитка булатной стали является достижение на момент его
затвердевания и охлаждения неравновесной структуры. После разлома слитка
величина зерна в изломе, а, возможно, и характер, величина и число
волокон служили критериями оценки качества булатного слитка и,
естественно, его ценности. Известно, что точечные и линейные дефекты
кристаллической решетки возникают при образовании кристалла из расплава.
В связи с этим вызывают интерес различия в зарождении и умножении
дефектов кристаллической решетки в высокоуглеродистых волокнах и
низкоуглеродистых прослойках матрицы слитка булатной стали. Учитывая
существенное увеличение равновесной концентрации дефектов в
кристаллической решетке сразу после ее образования, процессы упругой и
пластической деформация, происходящие в результате неодинаковой усадки
высокоуглеродистых волокон и прослоек матрицы слитка, а также различия
усадки по толщине сформированной твердой оболочки, обусловленные
наличием переменного температурного поля, можно констатировать, что
интенсивное умножение дефектов кристаллической решетки, например,
дислокаций, еще на стадии остывания твердой оболочки слитка - вполне
реальный процесс. Известно несколько причин торможения движения
дислокаций. Для рассматриваемых условий из них следует выделить наличие
в кристаллической решетке железа атомов углерода, "инородных" включений,
соизмеримых с кристаллическими ячейками, карбидов железа, появляющихся
при определенной температуре остывающего слитка. Известно также, что
основным механизмом размножения дислокаций при пластической деформации
являются так называемые источники Франка-Рида. Сущность процесса
умножения заключается в том, что по мере увеличения внешнего напряжения
застрявшая на двух стопорах дислокация выгибается все более и более
наконец рождает вокруг себя кольцевую дислокацию, волной расходящуюся от
места своего зарождения. Затем зарождается следующая кольцевал
дислокации и т.д., т.е. возникает волновой источник деформация. Итак,
если в твердой оболочке слитка возникла дефекты кристаллической решетки,
например дислокации, то в условиях пластической деформации под действием
усадочных процессов дислокации могут перемещаться, скапливаться и
умножаться. На момент окончания остывания слитка булатной стали можно
допустить достаточно большую концентрацию дефектов кристаллической
решетки железа как в высокоуглеродистых волокнах, так и в матрице, при
этом вероятность заторможенности дефектов в волокнах должна быть выше,
чем в прослойках матрицы. В виду недостаточно большой величины
деформации отлитого слитка при его охлаждении наличие поверхностных
границ "волокно-матрица", по-видимому, не оказывает значительного
влияния ни на процесс умножения дефектов кристаллической решетки, ни на
упругие свойства булатной стали, полученной на данной стадии
технологического процесса. Процесс пластической деформации слитка
булатной стали, как я любой другой стали, в общем случае сопровождается
умножением и "закреплением" дефектов кристаллической решетки, например
дислокаций. Из практики известно, что сама по себе определенная
пластическая деформация однородной высокоуглеродистой инструментальной
стали не влечет за собой резкое увеличение упругости ее образцов.
Поэтому для объяснения данного свойства булатной стали требуются новые
теоретические подходы, учитывающие композиционность рассматриваемого
объекта. Представляется возможным обоснование повышенной упругости
булатных клинков построить на ряде гипотез, одна из которых, назовем ее
"гипотеза выметания концентраторов" с поверхности высокоуглеродистых
волокон, состоит в следующем. Известно, что более высокую упругость
можно обеспечить тщательной шлифовкой и тонкой полировкой изделий. Так,
Д.К.Чернов показал, что если хорошо отполировать кристалл поваренной
соли, то даже он приобретает упругость /4/. Другими словами,
приобретение повышенной упругости можно связывать с устранением
концентраторов напряжений на поверхности упругодеформируемого образца.
Учитывая это, можно допустить, что в процессе пластической деформации
слитка булатной стали, наряду с процессом деформации высокоуглеродистых
волокон и прослоек низкоуглеродистой матрицы, происходит интенсивное
развитие имеющихся в волокнах концентраторов напряжений, вплоть до
отделения участков волокон, при этом часть концентраторов заваривается
(залечивается) с проникновением в них пластической матрицы, а возможные
выступы и впадины на поверхности волокон сглаживаются, в том числе я
прослойками с усредненным по углероду химическим составом. В связи с
этим становятся более понятными древние критерии оценки достоинства
булатных клинков по черному (темному) фону матрицы булата после
травления и чистому долгому звуку, издаваемому клинком после удара по
нему. Серый фон булата мог означать либо очень мягкую матрицу из-за
чрезмерного количества феррита, которая в процессе пластической
деформации не могла полностью проявить и отделить слабые участки
волокон, либо недостаточно пластичную, содержащую в сравнении с
эвтектоидным составом повышенное количество углерода, которая в процессе
пластической деформации булата не могла полностью заварить
раскрывающиеся при ковке микродефекты в высокоуглеродистых волокнах,
что, в частности, перепроверялось анализом звучания клинка. На практике
в процессе ковки образцов булатной стали происходит проявление
ослабленных дефектами объемов высокоуглеродистых волокон, их устранения
или залечивание более пластичной матрицей. Этот вывод подтверждается при
анализе состояния волокон булата после его пластической деформации.
Очевидно, что воспроизвести этот механизм на обычных однородных
высокоуглеродистых инструментальных сталях невозможно. Особенностью
композита типа булатной стали является наличие поверхностных границ
"волокно-матрица", которые не могут не оказывать влияния на процесс
перемещения дефектов кристаллической решетки при пластической деформации
образца булатной стали и должны играть активную роль в формировании
повышенной упругости образцов булатной стали. Если учесть, что на
границе прослойки матрицы наблюдается резкое увеличение числа стопоров
движению дислокаций в виде атомов углерода, включений цементита и
двойников, то можно предположить, что в процессе ковки из матрицы булата
происходит доставка дислокаций к границе высокоуглеродистого волокна и в
конечном итоге, накопление их в промежуточном слое. Однако, наряду с
этим явлением, происходит еще один важный процесс, умножающий количество
дислокаций в промежуточном слое на границе "волокно-матрица". Как
известно, в начале пластической деформации булата пластичность
низкоуглеродистых прослоек намного превышает пластичность
высокоуглеродистых волокон. В процессе пластической деформации образца
поперек поверхностей волокон прилегающие к ним объемы прослоек матрицы в
условиях течения металла испытывают растягивающие напряжения,
обусловленные неравенством пластичности волокон и матрицы, что
сопровождается возникновением новых дефектов кристаллической решетки
железа в промежуточном слое и их взаимное закрепление. На степень
развития этого важного процесса оказывают влияние следующие факторы:
во-первых, различия в химических составах волокон и прослоек матрицы,
например, в содержании углерода, обусловливающие разную их пластичность;

во-вторых, протяженность волокон, обусловливающая их способность
противостоять пластическому течению объемов металла в матрице. Например,
чрезмерно малые волокна будут увлекаться деформируемой матрицей без
достаточно интенсивного умножения дефектов в промежуточном слое;
в-третьих, толщина волокон, обусловливающая из противостояние разрыву
текущей с большой скоростью матрицы при ударе молота.
Важно отметить, что, если данный процесс доминирует в умножении дефектов
решетки в промежуточном слое, а само умножение дефектов в промежуточном
слое на границе "волокно-матрица" определяет в конечном итоге повышенную
упругость булата, то соблюдение сформулированных трех факторов
становится решающим. Учитывая вышеизложенное, допустима следующая
гипотеза "квазишарнирной сверхупругости булата". При изгибе образца
наружные от условного центра кривизны объемы образца должки претерпевать
растяжение, а внутренние - сжатие. Учитывая реальную, довольно сложную
конфигурацию высокоуглеродистых волокон в булатах типа кара-Хорасан,
кара-табан, с несовпадающими координатами их начала и конца, можно
допустить, что наличие своеобразных "ловушек" дефектов решетки в виде
промежуточных слоев на границах "волокно-матрица" по обе стороны от
прослойки матрицы, обусловливающих повышенное скопление дефектов
решетки, их переплетение и заторможенность, в том числе и взаимную;
существенно снижать модуль упругости металла в промежуточном слое и
обусловливает после термообработки повышенную способность данных объемов
металла к упругому перемещению атомов относительно друг друга во время
приложения изгибающей нагрузки. И даже если в промежуточном слое в
период изгиба образца будет происходить определенная пластическая
деформация путем перемещения дислокаций, упругодеформируемые
высокоуглеродистые волокна могут "вернуть" систему в "исходное"
состояние после снятия нагрузки, осуществив работу по обратному движению
дислокаций в промежуточном слое на границе "волокно-матрица", подобно
тому как это происходит при принудительном разгибании образца с помощью
внешних усилий. Если изложенная гипотеза верна, то изгиб булата
сопровождается дифференцированным искажением кристаллической решетки по
сечению образца, при этом промежуточные прослойки на границе
волокно-матрица"испытывают максимальную упругую деформацию подобно
"шарнирному" соединению менее деформируемых волокна и прослойки матрицы.
Следует обратить внимание на то, что именно коленчатый узор,
свойственный высшим сортам булата, обеспечивает максимальное проявление
описанного механизма. Поэтому, оценивая рисунок булата, древние мастера
могли с достаточной степенью достоверности судить об упругих свойствах
клинка. Действительно, чрезмерно длинные волокна, не обладающие
повышенной упругостью, резко снижали бы упругость булатного изделия в
целом. Возможно, при определенном насыщении заторможенными дислокациями
волокна композита также приобретают более высокую упругость. Если
вышеизложенный подход верен, то можно сделать следующие выводы:
-Явление формирования сверхупругости композита типа булат стали,
заключающееся в том, что в процессе пластической деформация композита,
состоящего в исходном состоянии из сверхуглеродистых жестких волокон в
матрице, например эвтектоидного состава, на поверхности волокон
происходит устранение концентраторов напряжений, при этом в
промежуточных слоях на границах "волокно-матрица", накапливаются
заторможенные дислокация, снижавшие жесткость и повышающие предел
упругости этих слоев и композита в целом (после осуществления
соответствующей термообработки).
-Чрезмерно длинные (индийский шам) или чрезмерно слабые (ликвационный
булат) высокоуглеродистые волокна, характерные для низших сортов булата,
не могут обеспечить в первом случае функционирование промежуточных
слоев, о во втором - формирование самого промежуточного слоя.
-Чрезмерно мягкая матрица, например низкоуглеродистая сталь, не
позволяет достигнуть необходимого сглаживания волокон
(сверхуглеродистых!).
Природа повышенной вязкости композита типа булатной стали

"Настанет время, когда потомки наши будут удивляться,
что мы не знали таких очевидных вещей"
Сенека

Известно, что растворенные элементы, снижающие энергию Гиббса
межкристаллитной границы и обогащающие приграничную зону, называются
горофильными. Самопроизвольное обогащение границ зерен растворенным
элементом называют равновесной сегрегацией, которая усиливается с
увеличением длительности изотермической выдержки. Одной из причин
равновесной сегрегации является упругое взаимодействие атомов
растворенного элемента с межзеренной границей. На межзеренной границе
атомы расположены неправильно и имеют участки разрежения я сгущения.
Атомы растворенного элемента с диаметром, большим, чем у основного
металла, будут стремиться попасть в разреженные участки на границе
зерен, а атомы растворенного элемента с меньшим диаметром, чем у
растворителя, - в участки сгущения на межзеренной границе. Известно, что
у большинства металлов уже при небольших степенях деформации (5-10 %)
начинает формироваться ячеистая структура: дислокации так
перераспределяются в объеме зерна, что их сплетения образуют стенки
(границы ячеек), окружающие области, внутри которых плотность дислокаций
заметно меньше, чем в стенках. Средний размер таких ячеек составляет
примерно 0,5 -2,0 мм, а толщина их стенок на порядок меньше. С
увеличением степени деформации в области средних и больших деформаций
размер ячеек мало меняется, а плотность дислокаций в их размытых
границах возрастает. Корреляции между ячеистой структурой в объеме зерна
и линиями скольжения - следами выхода дислокаций на предварительно
отполированную поверхность металла, нет. Если исходить из того, что
дислокационные стенки являются зонами сегрегации примесей и
обусловливают пониженную прочность металла, то ответ на вопрос о
преимущественном разрушении металла по границам зерен или внутри зерна
по границам ячеек дислокационной субструктуры в определенных случаях
может быть получен при анализе степени развитости дислокационных стенок,
о самое главное, времени их существования в тех или иных температурных
условиях. Диаметр атома углерода (в свободном состояния равен 0,154 мл)
меньше диаметра атома железа (0,25 нм). В связи с этим разреженные
скоплениями дислокаций границы зерен казалось бы не будут являться
зонами, к которым были бы устремлены атомы углерода. Однако в растворах
внедрения атомы растворенного элемента создают искажения в объеме
кристалла из-за того, что их диаметр больше размера пустот решетки, в
которых они размещаются. Этим, атомам также энергетически более выгодно
размещаться на межзеренной границе в разреженных участках. Таким
образом, атомы углерода упруго притягиваются к дислокациям и
дислокационным стенкам, образуя атмосферы Коттрелла. Известно, что в
сталях промышленной чистоты при температурах гамма - области развивается
сегрегация фосфора по границам аустенитных зерен, которая впоследствии
может служить причиной межзеренного разрушения (по границам бывших
аустенитных зерен). В большей части булатных клинков обнаружено высокое
содержание фосфора (0,08- 0,25 %). Как же объяснить высокую вязкость
булатной стали? Можно предположить, что характер разрушения и
критическая деформация разрушения обусловлены не только степенью чистоты
сплава, но и плотной развития сегрегации в загрязненном сплаве при том
или ином состоянии границ зерен и ячеек дислокационной структуры.
Действительно, отжиг заготовок перед последующей пластической
деформацией является операцией, способствующей повышению пластичности
металла, что обеспечивает повышенную производительность процесса
деформации, при этом длительность отжига намного превосходит
длительность последующей деформационной обработки заготовок,
сопровождающейся измельчением зерна. Однако именно степень сегрегации на
границах аустенитных зерен может намного превосходить степень сегрегации
на границах измельченных в процессе деформации зерен. Это и может
служить причиной разрушения по границам бывших аустенитных зерен. Если
учесть, что само образование атмосфер Коттрелла существенно тормозит
перемещение скоплений дислокаций, то можно предположить достаточно
полное сохранение, по меньшей мере, следов границ бывших аустенитных
зерен даже после значительной деформации в виде участков границ
измельченных зерен. Их негативное влияние может быть преодолено путем
растягивания и измельчения, а также периодическим воздействием
повышенных температур. Высоковероятное развитие промежуточного слоя на
границе "волокно-матрица", насыщенного дислокациями, позволяет
допустить, что именно эти объемы композита обеспечивают последнему
повышенную вязкость. Действительно, наличие высокоуглеродистых волокон,
представляющих собой в начале процесса ковки опорную поверхность для
прослоек матрицы в силу их меньшей пластичности, может обеспечивать
очень высокую степень деформации матрицы на их границах подобно явлению
поверхностного наклепа. Данное явление при чрезмерной крупности волокон
может повлечь за собой не только ограниченное число промежуточных слоев
с повышенной вязкостью, но и сползание матрицы композита с волокон,
которое можно наблюдать на практике при нарушении технологии
изготовления булата. Прежде чем обосновать повышенную вязкость
промежуточных слоев на границе "волокно-матрица", рассмотрим следующее
явление. Как происходит разрушение? Если материал пластичен, то
превышение определенного уровня напряжения (так называемые силы Пайерса
- Набарро) приводит в движение дислокации, которые скапливаются у
каких-то не преодолимых для них препятствий (включения, границы зерен и
т.д.). При большом скоплении дислокаций эти зоны вообще становятся
неспособными к пластическому деформированию, и дальнейший рост
напряжений ведет в этом месте к образованию микротрещин. Известно также,
что если на пути трещины просверлить отверстие, параллельное фронту
распространения трещины, то последняя будет остановлена от дальнейшего
продвижения. Можно ли ожидать, что промежуточный слой на границе
"волокно-матрица", пересыщенный переплетенными дислокациями выполнит
роль такого отверстия? Очевидно можно, так как он достаточно протяжен,
но самое главное, этот слой, по всей видимости, из-за большой степени
деформации имеет сильно развитую текстуру, т.е. зерна имеют вытянутую
вдоль границы "волокно-матрица" форму; кроме того, в этом слое границы
первичных аустенитных зерен как ослабленные зоны могут уже выродиться.
Необходимо также учитывать, что древние способы ковки булата
осуществлялись при пониженной температуре, что также тормозило развитие
равновесной сегрегации в промежуточном слое, а повышенная концентрация
дислокаций увеличивает его прочность. Как уже упоминалось, с увеличением
степени деформации в области средних и больших деформаций размер ячеек
мало меняется, а плотность дислокаций в их размытых границах возрастает,
при этом ячейки окружены объемными, часто довольно размытыми стенками.
Известно также, что если при пластической деформации возникла ячеистая
структура, то полигонизация при отжиге состоит не в формировании
субзерен из хаотически расположенных дислокаций, а в развитии имеющейся
ячеистой структуры. Размытые, плохо оформленные ячейки полностью
окружаются границами, объемные стенки ячеек становятся более узкими,
плоскими, тело ячеек еще больше очищается от дислокаций, в ячейка
постепенно превращаются в хорошо оформленные равноосные субзерна.
Представляется возможным на базе вышеприведенных данных предположить для
объяснения повышенной вязкости промежуточных слоев и булата в целом
следующую гипотезу "квазивырожденного зерна", состоящую в следующем. В
процессе пластической деформации аустенитных зерен в силу достаточно
явного развития равновесной сегрегация, дислокационные скопления на
границах первичных зерен и зерен после их деления закреплены достаточно
сильно, что обусловливает развитие процесса, называемого образованием
текстуры. Внутри же текстурированного зерна достаточная подвижность
дислокаций в объемных размытых стенках ячеек обусловливает сохранение
достаточной равноосности последних. Сущность гипотезы заключается в том,
что в процессе деформации булата образование текстуры в промежуточном
слое сопровождается интенсивной диффузией углерода из высокоуглеродистых
волокон к низкоуглеродистым прослойкам матрицы через промежуточный слой.
Протекаемое при этом закрепление атомами углерода дислокационных стенок
внутризеренной ячеистой структуры обусловливает развитие деформации не
только самих зерен, но и ячеек внутри него. Можно предположить, что при
определенной степени развития этого процесса площадь зон, очищенных от
дислокаций, существенно уменьшается, в промежуточном слое
затормаживается перераспределение вредных примесей и в конечном итоге,
происходит постепенное вырождение зерен из-за значительного искажения
переплетениями дислокаций кристаллической решетки внутри деформированной
ячеистой структуры самих зерен. Известно, что концентрация напряжений
тем больше, чем острее дефект и больше его длинна. Если учесть, что
промежуточные слои булата имеют очень высокую степень насыщенности
переплетенными дислокациями и эту насыщенность в условиях развития в
промежуточном слое сжимающих напряжений можно интерпретировать как
резкое возрастание радиуса закругления в вершине дефекта, то величина
концентрации напряжений в условиях достаточно развитой волокнистости,
уменьшающей также параметр длины дефекта, будет существенно снижена
относительно уровня средних напряжений в композите. Известно, что для
обычной углеродистой стали увеличение предела текучести обычно
сопровождается повышением склонности стали к хрупкому разрушению
(температуры перехода из вязкого в хрупкое состояние Тпр - порог
хладноломкости). Единственным механизмом упрочнения, который наряду с
ростом обеспечивает снижение Тпр является механизм зернограничного
упрочнения. Только уменьшением размера зерна стали можно компенсировать
отрицательное влияние всех других механизмов на температуру перехода
стали из вязкого в хрупкое состояние. Более того, сильным измельчением
зерна можно "перекрыть" эффект охрупчивания других механизмов и
достигнуть на стали упрочнения, сопровождающегося улучшением
хладостойкости. Можно ли допустить, что в промежуточных слоях булата в
условиях пониженной температуры ковки и повышенной деформации объемов
стали достигается повышенная степень измельчения зерна? Несомненно, эти
зоны композита больше всего подвержены измельчению зерна и сверхвязкость
композитов типа булатной стали может быть объяснена повышенной вязкостью
промежуточного слоя на границе "волокно-матрица", которому свойственны
пониженное развитие равновесной сегрегации и более развитая
субструктура. Если вышеизложенный подход верен, то можно сделать
следующие выводы: чрезмерно мелкие высокоуглеродистые волокна
(ликвационный булат) не позволяют достигнуть необходимой развитости
промежуточных слоев, способных "остановить" развивающуюся микротрещину;
повышенная вязкость булата обусловлена не повышенной вязкостью матрицы
(низкоуглеродистая сталь), а формированием развитой субструктуры с
промежуточных слоях на границе "волокно-матрица".
Природа повышенной пластичности композита типа булатной стали при его
ковке

"Не было еще гения без некоторой доли безумия"
Сенека

Изучение структуры металла клинка из вутца позволило установить, что
доля высокоуглеродистых волокон, содержание углерода в которых, по
имеющимся данным, достигало 2,0 % и более, составляет значительную
величину на темном фоне матрицы. Первый вопрос, возникающий при
исследовании булата, связан именно с ограниченной вязкостью и
пластичностью этих сверхуглеродистых волокон. Почему же эти
макроволокна, содержащие столь высокую концентрацию углерода без
легирующих добавок, обеспечивающих повышенную вязкость, прекрасно
ковались в древности? С этой проблемой сталкивался и П.П.Аносов, у
которого булаты получившиеся по второму способу, оказались весьма
твердыми, трудно поддающимися ковке. Очевидно, те же проблемы заставили
профессора Ю.Г.Гуревича, вопреки всем рекомендациям П.П.Аносова
осуществлять холодную ковку, нагревать заготовки под ковку до 900-1080
°С . Именно повышенная хрупкость и трудности ковки при пониженных
температурах однородных высокоуглеродистых инструментальных сталей с
содержанием углерода более 1,5 % ограничивают их применение. Известно,
что обычно деформация двойникованием протекает в тех случаях, когда
деформация скольжением, т.е. путем движения дислокаций, затруднена.
Учитывая разницу в содержании углерода в высокоуглеродистых волокнах и
прослойках низкоуглеродистой матрицы, а также то, что атомы углерода и
включения вторичного цементита существенно затрудняет деформацию
скольжением, можно предположить, что процесс пластической деформации
булатной стали реализуется с преобладанием различных механизмов, при
этом доминирование одного может сменяться доминированием другого. В
начальный период ковки деформация высокоуглеродистых волокон, возможно,
протекает преимущественно путем двойникования т.е. искривлением
кристаллографических плоскостей и изменением межатомных расстояний, а
деформация низкоуглеродистых прослоек матрицы - преимущественно путем
перемещения дислокаций. При выполнении исследований по программе
"ЛАВАНДА" было установлено, что после завершения определенного периода
ковки пластичность композита ( высокоуглеродистых волокон) возрастала,
что позволяло увеличить интенсивность ковки и величину единичных
обжатий, причем временами композит начинал коваться так мягко, что даже
опытный кузнец ошибался в оценке фактической концентрации углерода.
В.чем же сущность развивающейся пластичности высокоуглеродистых волокон?
Известно, что пара движущихся дислокаций порождает сотни и сотни новых,
в результате этого плотность дислокаций возрастает. Известно также, что
при температурах выше 0,5 Тдл препятствия обходятся дислокациями
переползанием, как и при обычной высокотемпературной ползучести. Кроме
того, согласно модели Орована, дислокации при движении удерживаются на
частицах, например карбидных, до тех пор, пока прилагаемое напряжение не
будет достаточным для того, чтобы линия дислокаций изогнулась и прошла
между частицами, оставив около них дислокационную петлю. Представляется
возможным выдвинуть следующую гипотезу "транзитно дислокационной
сверхпластичности Высокоуглеродистых волокон в окружении
низкоуглеродистой матрицы, заключающуюся в том, что в начале процесса
пластической деформации композита, состоящего из
сверхвысокоуглеродистых, достаточно хрупких волокон в матрице примерно
эвтектоидного состава, пластическая деформация волокон и матрицы
протекает соответственно преимущественно путем двойникования и
скольжения дислокаций, при этом по мере возрастания растягивающих
волокна напряжений, обусловленных большей пластичностью матрицы,
развивается процесс транзитного перехода дислокаций из деформируемой
матрицы в сверхуглеродистые волокна, сопровождаемый резким увеличением
пластичности волокон и композита в целом. Наряду с вышеизложенным в силу
отличий в химических составах волокон и прослоек матрицы происходит еще
одно важное явление. Для матрицы эвтектоидного состава характерно
отсутствие выделений карбидных включений вплоть до температуры
эвтектоидного превращения, поэтому в очень широком температурном
интервале в ней достаточно легко множатся и перемещаются дислокации. В
сверхвысокоуглеродистых волокнах образование цементитной сетки приводит
к резкому снижению интенсивности перемещения дислокации, но, если
цементитная сетка раздроблена и размеры включений вторичного цементита
невелики, то это обстоятельство может существенно повышать пластичность
волокон. Представляется возможным дополнить вышеизложенную гипотезу
развития явления сверхпластичности волокон булата, следующим положением.
Если на фоне постепенного снижения температуры и появляющегося
определенного количества избыточного углерода в аустените непрерывно или
с достаточной дискретностью создавать дополнительные дислокационные
скопления и (или) транспортировать дислокации в волокна, например из
прослоек матрицы, то можно заставить избыточный углерод, выделяющийся из
аустенита при понижении температуры, образовывать новые скопления атомов
углерода - атмосфер Коттрелла, затормаживая, при этом рост мелких, уже
образовавшихся частиц вторичного цементита по границам зерен. Если этот
процесс будет начат до образования сплошной цементитной сетки и при его
реализации притока дислокаций будет достаточно для блокирования
интенсивного роста имеющихся частиц цементита, то увеличение числа
заторможенных скоплений дислокаций будет сопровождаться интенсивным
дроблением зерна, вплоть до развития известного явления
сверхпластичности, которое, возможно, и зафиксировали исследователи
Стенфордского университета. Отметим, что образование и рост атмосфер
Коттрелла на вновь создаваемых в волокнах скоплениях дислокаций, по всей
видимости, энергетически выгодны системе, так как, скапливаясь, атомы
углерода до определенного предела понижают степень искажения
кристаллической решетка, в то время как рост уже готовых включений
вторичного цементита на любой стадии, как правило, ее увеличивает.
Отметим также, что наличие в композите типа булатной стали прослоек
матрицы, сохраняющей повышенную дислокационную подвижность до более
низких температур, по всей видимости, стабилизирует развитие явления
сверхпластичности в сверхвысокоуглеродистых волокнах, позволяет
увеличить в волокнах предельное содержание углерода, например до 2,0 %,
и предотвращает образование сплошной цементитной сетки при большей
скорости охлаждения композита при ковке в сравнении с стенфордской
сталью или при меньшей интенсивности деформации композита. Деформация в
условиях развития достаточно мощной цементитной сетки до достижения
определенного уменьшенного размера зерна, очевидно, будет сопровождаться
разрушением сверхвысокоуглеродистых объемов материала. Если учесть, что
в процессе деформации за счет выделения тепла возможно изменение
температуры образца в колебательном режиме при общей тенденции ее к
снижению, то эти колебания будут способствовать измельчению уже
образовавшихся частиц вторичного цементита путем их сфероидизации. Если
вышеизложенные гипотезы верны, то придется признать, что сама
композиционность булата играет большую роль в развитии сверхпластичности
волокон и повышении предельного содержания углерода в них. П.П.Аносов
отмечал: "Я пробовал ковать некоторые булаты без нагрева и они тянулись
не получая трещин, и во время ковки нагревались докрасна". Реализовать
данный режим без наличия макронеоднородностей будет весьма
затруднительно. Таким образом, попытка американских ученых достигнуть
более высокой пластичности стали путем увеличения в ней концентрации
углерода содержала ту долю безумия, которая и обусловила успех в
достижении сверхпластичности "рядовой высокоуглеродистой стали". По всей
видимости, для полного открытия тайн булата нам придется отказаться еще
от многих формальных подходов а степень развития явления роста
пластичности в сверхвысокоуглеродистых волокнах булата может оказать
существенное влияние на формирование других свойств композита.
Стенфордские исследователи установили, что при содержании в
высокоуглеродистых сталях углерода менее I % металл остается
крупнозернистым и явление сверхпластичности затруднено. Возникает вопрос
- почему? Исходя из выше изложенных теоретических концепций, можно
предположить, что количества избыточного углерода в охлаждающемся при
пластической деформации аустените вплоть до температуры эвтектоидного
превращения недостаточно для стопорения образующихся дислокационных
скоплений я развития процесса деления зерен до размеров менее 3-5 мкм,
при которых наблюдается развитие явления сверхпластичности. При
повышенных содержаниях углерода степень деформации однородной, например
стенфордской стали, должна быть достаточно велика. Только в этом-случае,
по всей видимости, удается предотвратить образование сплошной
цементитной сетки и продолжить деление зерен. Возможно, что 1,5 % С
являются тем пределом, при котором в однородном сплаве еще возможно
достижение сверхпластичности, т.е. достижение необходимого измельчения
зерна без образования сплошной цементитной сетки по границам зерен.
Возможно, что для реализации явления сверхпластичности в
сверхвысокоуглеродистых объемах, содержащих подобно индийскому вутцу до
2 % С, и требуется наличие прослоек менее углеродистого металла -
активных источников движущихся Е процессе деформации дислокаций, т.е.
требуется создание композита типа булатной стеля. Подчеркнем, что
дополнительный источник дислокаций не только снижает вероятность
образования сплошной цементитной сетки, но и обеспечивает по всей
видимости более низкую степень деформации, при которой начинает
проявляться повышенная пластичность высокоуглеродистых объемов. На базе
вышеизложенного необходимо сделать определенные замечания по
предложенным гипотезам формирования того или иного свойства булата. Так
гипотеза "выметания концентраторов" с поверхности высокоуглеродистых
волокон, по всей видимости, реализуется только до достижения
сверхпластичности высокоуглеродистых волокон, после чего начинает
происходить сглаживание и залечивание прослоек матрицы, которые
становятся менее пластичными относительно волокон. Наряду с явлением,
описанным "гипотезой квазишарнирной сверхупругости булата", насыщение
высокоуглеродистых волокон дислокационными искажениями решетки,
выражающееся в возрастании доли межзеренных границ, возможно,
существенно повышает упругость самих волокон композита. Существенное
измельчение зерна высокоуглеродистых волокон в процессе развития
сверхпластичности несомненно повышает вязкость последних. Сейчас трудно
оценить вклад в повышение вязкости композита факторов мелкозернистости
высокоуглеродистых волокон и самой композиционности булата, а именно,
наличия промежуточных слоев на границе "волокно - матрица". Но само
наличие чередования мелких однородных зерен волокон и "квазивырожденных"
зерен прослоек матрицы безусловно способствует повышению вязкости
булата. По мнению профессора Д. А. Прокошкина, высокая пластичность
булата обусловлена тщательностью приготовления стали, однако данное
утверждение можно поставить под сомнение, рассмотрев химический состав
аносовского булата, с достаточно высоким содержанием для сверхчистой
стали не только фосфора (0,023 %), но я серы (0,03 %). Точки зрения Д.
А. Прокошкина придерживается я профессор Ю. Г. Гуревич, приводя в
качестве примера сверхвысокоуглеродистый сплав железа, обладающий
высокими пластичностью и твердостью, который был специально очищен от
вредных примесей и мельчайших частиц неметаллических включений до такой
степени, что затруднило выделение карбидов железа. Заметим, что процесс
электрошлакового переплава с использованием синтетического шлака и
металлизованных окатышей позволяет достигнуть высокой чистоты металла,
однако этот сплав не имеет макронеоднородной структуры (узора). Что же
дает основание считать булат также сверхчистым композитом? Если в УП-ХП
веке человеку были доступны столь высокие достижения по очистке металла,
то что же ограничивало массу лепешки индийского вутца, которая не
превышала I кг? Отсутствие в древности современного оборудования давало
жизнь великим изобретениям, к которым относится и булат, поэтому
незнание некоторых секретов еще не дает нам оснований считать, что
древний человек просто брал чистую руду, чистый графит, просто подольше
варил сталь и просто отливал лепешку индийского вутца. Попробуйте
повторять все эти операция и получить индийский вутц. Попыток было
больше, чем достаточно; не получается! Смит глубокомысленно заметил:
"Заблуждения, заключающие в себе некоторую долю правды, самые опасные".
Особенности ковки булатной стали

"Живу и недоумеваю, все время хочу понять..."
А.Эйнштейн

Историческому сосуществованию двух типов булата: литого и сварочного,
соответствовали две технологии ковки. Исходные материалы для сварочного
булата значительно отличаются, и качество его намного уступает качеству
литого булата, поэтому нижеизложенное будет относиться в основном к
литому булату, ковка которого отличалась не меньшей сложностью и
изобретательностью. Основные трудности воспроизведения наиболее
высокоценимого в древности коленчатого узора на образцах булатной стали
обусловлены, на наш взгляд, двумя факторами: отсутствием
высокоуправляемого процесса производства слитка булатной стали со
сбалансированным содержанием углерода в высокоуглеродистых слоях и
низкоуглеродистой матрице, а также неполным знанием древних приемов
ковки, а также температурных режимов и динамики ковки. Выше уже
приводились известные работы по совершенствованию ковки булатной стали.
Дальнейшее развитие способов описано в работе /4/, в которой показано,
что для превращения полосатого узора в коленчатый заготовку скручивали и
затем вновь обжигали, при этом использовался местный нагрев токами
высокой частоты. Ценность данных разработок, на наш взгляд, существенно
снижается тем, что использованная заготовка булата имела после травления
светлый узор, который был представлен низкоуглеродистой сталью, что
предопределило успех скручивания образца, но осложнило достижение всех
других легендарных свойств булата (повышенной износостойкости, вязкости,
упругости и т.д.), кроме получения красивого булатного узора. Что же
такое коленчатый узор и каково его место в дошедшей до нас совокупности
булатных узоров? По форме узор в порядке возрастания эксплуатационной
ценности булата подразделяли на полосатый (сирийский шам), струйчатый,
волнистый (булаты гынды и кум-гынды), сетчатый (хорасан, кара-хорасан) и
коленчатый (табан, кара-табан, вутц). Полосатый узор, представляющий
собой систему параллельных волокон, обогащенных включениями цементита,
ценился менее всего. Локальная изогнутость части волокон существенно
повышала ценность и качество булата, а узор называли струйчатым.
Преобладание же изогнутых линий узора, образующих пряди, характеризовало
волнистый узор, а ориентировка изогнутых прядей по отношению к их
укороченным прямолинейным участкам служила критерием сетчатости узора.
Выше всего ценился коленчатый узор булата, сущность которого состояла в
наличия системы замкнутых или разомкнутых концентричных, но часто с
большим искажением плавных кольцеобразных полос с переменной шириной. В
настоящее время по исследовательской программе "ЛАВАНДА" отрабатываются
параметры технологии получения коленчатого узора булатной стали.
Принципы, лежащие в основе разработанной технологии, основываются на
том, что коленчатый узор на поверхности образца булатной стала
образуется в результате создания определенной координации волокон внутри
образца, а именно, "сгустков" прядей, прилегающих к поверхности образца
булатной стали. Секрет получения коленчатого узора, на наш взгляд,
заключается не только в определенных приемах ковки, но и в большой мере
определяется особенностями производства булатного слитка, температурными
интервалами его пластической деформации и наличием требуемой
последовательности реализации приемов ковки, при этом именно особенности
технологии получения слитка обусловливают различия в технология
пластической деформации как по ее интенсивности, так и по направлению
реализации. Если начальная стадия ковки булатного слитка, как и
температурный ее режим могут иметь свои особенности, обусловленные
способом производства слитка, содержанием углерода, степенью химической
неоднородности и т.д. то дальнейшие стадии ковки должны, на наш взгляд,
иметь общие закономерности, так как связаны сформированием вполне
определенных свойств булата, зависящих от размера зерна, количества и
величины включений цементита и т.д. П.П.Аносов в своих работах
неоднократно указывал на целесообразность холодной ковки без перегрева
слитка булата. В давние времена мастера в процессе ковки затемняла
помещения кузницы для более точной фиксация цвета каления слитка, в
связи с этим представляется возможным предположить, что процесс
периодического нагрева булатной заготовки перед началом очередной ее
деформации и остывания, по меньшей мере, в конечный период ковки до
очередного подогрева (а при ручной ковке это достаточно многоцикличный
процесс) по своим параметрам соответствовал современному маятниковому
отжигу, являющемуся разновидностью сфероидирующего отжига.
Действительно, визуально фиксировать вишнево-красный цвет (750 °С),
темно-вишнево-красный (650 °С) или темно-красный цвет (600 °С) заготовки
можно лишь при определенном затемнении.
Что мог обеспечить такой температурный режим ковки?
Во-первых, деление цементитных пластин, которые при этом не разрушаются,
как полагали раньше, а пластически деформируются.
Во-вторых, образование менее твердой структуры матрицы, например,
зернистого перлита, обладающего наименьшей твердостью и являющегося
оптимальной исходной структурой перед закалкой.
В-третьих, при исходной структуре зернистого перлита меньшую склонность
к росту зерна, к растрескиванию при закалке, более высокую прочность и
вязкость закаленной стали.
В-четвертых, возможность последующего снижения температуры ковки в
результате повышения пластичности при выравнивании размеров частиц
цемента, что очень важно для упрочнения металла путем увеличения
искаженной кристаллической решетки.
В-пятых, если учесть, что пластина цементита при каждом нагреве частично
растворяется в аустените преимущественно с вершин и ребер пластин, а при
каждом охлаждении из аустенита выделяется цементит на нерастворившихся
остатках цементитных пластин преимущественно вдали от вершин и ребер, то
описанный режим ковки обеспечивал сфероидизацию включений цементита.
Такой температурный режим ковки мог иметь и еще одно важное
преимущество, обусловливающее повышенную величину ударной вязкости
булатных изделий. Известно, что изделия из булатной стали содержали
достаточно большое количество фосфора, например, по одним данным
0,08-0,25 %, по другим -0,023 % . Одно из объяснений причин межзеренного
разрушения стали основывается на установленном факте сегрегации фосфора
по границам бывших аустенитных зерен, которая развивается при
температурах гамма - области. Следовательно, осуществление ковки с
периодическим уходом из гамма - области в область более низких
температур в условиях измельчения зерна при деформации могло
существенным образом тормозить процесс сегрегации фосфора на границах
аустенитных зерен (как, в общем, и других элементов), так как полнота
протекания сегрегации обусловлена не только термодинамическим, но и
кинетическим фактором. П.П.Аносов считал, что целесообразно не только
сократить число и длительность подогревов при ковке, которые стимулирует
развитие сегрегации, но и вообще отказаться от промежуточных подогревов,
активно используя разогрев булата при ковке. Как известно, при холодной
деформации примерно 90 % энергии, затраченной на деформацию,
рассеивается в виде теплоты. Как показали результаты, исследований
химсостава булатного оружия, клинки П.П.Аносова содержали достаточно
много не только фосфора (0,023 %), но и серы (0,03%). Обладая
значительно большим, чем железо атомным радиусом, в условиях скопления
дислокаций в булатной стали на границах зерен, сера может проявлять
высокую горофильность. Известно, что, если дендритная ликвация
постепенно рассасывается при отжиге, то равновесная сегрегация,
наоборот, усиливается с увеличением длительности выдержки при повышенных
температурах. Если учесть, что в - ОЦК решетке (альфа -железо) размер
пустот, в которых размещается атомы внедрения, меньше, чем в ГЦК решетке
(гамма-железо) и в ней с учетом более низкой диффузионной способности
атомы внедрения, расположенные вблизи скоплений дислокаций, могут
продолжать сегрегировать к межзеренным границам, то вопросы выбора
температурного режима ковки, временных интервалов ее проведения и
возможной последующей термообработки (дорекристаллизационного обжига,
отпуска) должны быть увязаны с химическим составом булата. Известно, что
заготовка вутца перед ковкой имела небольшую массу (до 1 кг); П.П.Аносов
булатный сплавок разделял на три части, которые затем ковали. Таким
образом, легковесность исходной заготовки позволяла мастерам
осуществлять ускоренный подогрев изделия и широко использовать локальный
его нагрев для последующей ковки. Это обстоятельство надо учитывать.
Интересно, что П.П.Аносов при описании температурного режима ковки
писал: "Если часть полосы нагреть добела, то при твердом булате она
лишается ковкости и рассыпается... таким образом, твердый булат
переходит от перегревки прямо и чугун...". Говоря о "переходе булата в
чугун", П.П.Аносов возможно имел в виду охрупчивание булата, связанное и
с ростом зерна, и с развитием сегрегации примесей при повышенных
температурах, а также переходом в жидкое состояние прослоек
высокоуглеродистого железа, окружающих цементную сетку, при растворении
последней. Действительно, первое представление о диаграмме состояния
железо-углерод было дано Д.К.Черновым в работе "Критический обзор статей
Лаврова и Калакуцкого о стали и стальных орудиях и собственных
исследованиях Д.К.Чернова по этому же предмету", опубликованной в 1968
г. , в то время как книга "О булатах" П.П.Аносова вышла в 1841 г.
Следовательно, современного толкования различий между сталью и чугуном
во времена работы П.П.Аносова еще не существовало и его вышеизложенные
замечания можно толковать как необратимое охрупчивание булатной
заготовки при перегреве ее во время ковки. Немаловажную роль в
достижении повышенных механических свойств древнего оружия из булата
могла играть степень полноты изготовления изделий с помощью ковки.
Современные технологии производства режущего инструмента склоняются к
заточке плоскостей лезвия. Для булатной стали эта более технологичная
для современных условий операция влечет не только потерю определенной
степени наклепа лезвия, но устраняет процесс утончения волокон и
прослоек матрицы в результате оттягивания лезвия, а также сопровождается
подрезанием волокон и прослоек, что не способствует увеличению прочности
инструмента. Древние способы ковки позволяли обеспечить большую
симметрию упругих напряжений, не нарушаемую при последующей шлифовке и
полировке изделий. Кроме того, известно, что текстура деформации
оказывает большое влияние на ударную вязкость, которая на поперечных
образцах ниже, чем на продольных. Поэтому возможная переориентация
текстуры при "оттягивании" лезвия клинка по отношению к текстуре
деформации его обуха способствовала повышению ударной вязкости готовых
изделий.
Термическое упрочнение булатной стали и оптимизация ее микроструктуры

"На опыте можно проверить теорию,
но нет пути от опыта к построению теории"
А.Эйнштейн

Режимы термической обработки изделий из булатной стали всегда привлекали
пристальное внимание ученых, так как именно этот этап технологии
производства булата окружен наибольшим количеством легенд и таинств,
дошедших до нас из глубины веков. Так, Теофил, описал способ подготовки
закалочной среды из мочи трехлетнего барана, которого необходимо три дня
не кормить, с четвертого дня кормить папоротником, а спустя два дня
собрать достаточное количество мочи для закалки. В Персии закалку
клинков осуществляли в мокром холсте. В Древней Сирии клинок нагревали
до цвета вечерней зари и шесть раз вонзали в ягодицы молодого раба.
Известны приемы закалки стали охлаждением в теле свиньи, барана или
теленка. Дошли до нас и другие способы термического упрочнения булата,
различающиеся и интенсивностью охлаждения, и охлаждаемой средой, начиная
от охлаждения в росе, молоке кормящей сына матери, моче рыжего мальчика,
расплавленном жире и кончая закалкой в родниковой воде. Анализ древних
режимов закалки булата позволяет прогнозировать столь широкий
фактический интервал скоростей охлаждения изделий, а значит, и получение
всевозможных вариантов их структур, будто речь идет не о довольно
конкретных изделиях - холодном оружии, к которому предъявлялись
достаточно конкретные требования. Если даже допустить, что применение
различных температурных режимов ковки обусловливало различное состояние
булата перед последующей закалкой, а сама закалка в различных средах
могла быть реализована с различной степенью прерывистости погружения
изделий в охладитель, ясности в вопросе термической обработки булата не
добавляется. Широкое исследование микроструктуры дневного булата стали
возможны только в нашем веке, поэтому информация по данному вопросу
очень небольшая. Н. Т. Беляев изучая микроструктуру закаленного и
отпущенного булата приводит единственную в литературе микрофотографию
структуры аносовского булата. На фоне троостита Н.Т.Беляев наблюдал
частицы структурно-свободного цементита. Исследования под руководством
академика АН ГССР Ф. Н. Тавадзе показали, что матрица древнего булата
имеет перлитно-сорбитную структуру; вблизи рукоятки карбиды железа в
ферритной матрице, при этом феррит почти недеформирован. По мере
продвижения к лезвию увеличивается как число карбидных выделений, так и
плотность дислокаций. В другой работе сообщается, что в зависимости от
характера структуры булата исследовались разные температуры
аустенитизации: 800 °С для частичной и 1020 °С для полной
аустенитизации. Авторы констатировали, что при увеличении скорости
охлаждения булатной стали протекает мартенситное превращение,
охрупчивающее материал. В образцах часто наблюдается наличие закалочной
трещины, которая развивается на границе матрица - избыточная фаза. В
качестве вывода работы указывается, что в связи с охрупчиванием
материала, закалка на мартенсит с последующим отпуском, нецелесообразна
и оптимальной является скорость охлаждения 15-20 °С/с, структура матрицы
сорбит-троостит при сравнительно высокой твердости, упругости и вязкости
стали. По мнению профессора Ю.Г.Гуревича, свойства булата будут тем
выше, чем тверже и прочнее металл в зонах железоуглеродистого сплава
заэвтектоидного состава; участки же железа или малоуглеродистой стали
должны сохранять ферритную структуру и обеспечивать пластичность и
вязкость булата. Закалка образцов полученной стали с 810-830 °С в воде и
масле с последующим низким отпуском при 180-230 °С позволила достигнуть
чередования по всему сечению заготовки мягких и пластичных ферритных зон
с твердыми мартенситными прослойками. По мнению автора, за многие сотни
лет мартенситная структура древней стали, полученная закалкой, могла
превратиться в перлитные структуры отпуска. Таким образом, у современных
исследователей отсутствует единое мнение об оптимальной конечной
структуре и скорости охлаждения булата при закалке. Необходимо отметить,
что наряду с межпластиночным расстоянием внутри колоний перлита важной
структурной характеристикой является размер колоний. Эти колонии при
разрушении стали ведут себя как самостоятельные зерна. Размер фасеток в
изломе в среднем равен размеру перлитных колоний. С уменьшением размера
перлитных колоний, называемых также эвтектоидными зернами, ударная
вязкость стали растет. В силу того, что колонии зарождаются на границах
аустенитных зерен, с уменьшением размера зерна аустенита сокращается и
размер перлитных колоний, а с ростом степени переохлаждения перлитные
колонии становятся также меньше. Профессор Ю.Г.Гуревич, применив при
исследовании образцов стали закалку на мартенсит с последующим низким
отпуском, с сожалением констатировал отсутствие достижения легендарной
упругости полученных булатных клинков. Автор считает, что конечная
структура булата должна содержать крупные включения цементита,
получаемые, в частности, после отжига готовых изделий при 850-860 °С,
так как после закалки мартенситная структура с крупными включениями
цементита обеспечивает наибольшую твердость после закалки. Во-первых,
данный подход входит в противоречие с тем, что и острота, и стойкость
лезвия существенно повышаются при измельчении твердой фазы - цементита.
Во-вторых, тип рельефа режущей кромки, который в большой степени
определяет режущую способность инструмента из булата, определяется
дисперсностью карбидных включений. В-третьих, известно, что твердость
стали, закаленной с температур в аустенитной области с увеличением
содержания углерода в стали проходит через максимум при содержании
углерода около 0,9 %, а затем снижается из-за увеличения объемной доли
мягкого остаточного аустенита. Если же заэвтектоидные стали закалить с
температуры А + (35-60) °С, как это и делают, то состав аустенита при
температуре закалки и уровень твердости во всех заэвтектоидных сталях
будет практически одинаковым (рис.7). Из рис.7 следует, что при оценке
твердости стали, закаленной на мартенсит, величина включений вторичного
цементита во внимание не принимается. По общепринятым представлениям,
данный фактор не может принципиально изменить положение кривой 2 (см.
рис.7) для заэвтектоидных сталей (высокоуглеродистых волокон булата).
Известно, что упрочнение при закалке стали на мартенсит является
результатом действия нескольких механизмов торможения дислокаций,
плотность которых в мартенсите доходит до 10в10-1020 см-2, т.е. по
порядку величины такая же, как и в холоднодеформированном металле, при
этом зарождению хрупких трещин способствует локальная концентрация
микронапряжений около скопления дислокаций в мартенсите и,
следовательно, мартенсит углеродистых сталей обладает пониженным
сопротивлением зарождению и особенно низким сопротивлением развитию
хрупких трещин. Известно, что П.П.Аносов при закалке булатной стали с
повышенным содержанием углерода в качестве охлаждающей жидкости
использовал разогретый почти до кипения жир, что казалось бы, исключало
получение доминирующей мартенситной структуры. Кроме того, применяемый
им после закалки отпуск при повышенной температуре (300-250 °С) не
инициировал проблему отпускной хрупкости, которая, как известно,
наблюдается даже в высокочистых углеродистых сталях и связана с распадом
остаточного аустенита после закалки на мартенсит. Известно, что
мартенситное превращение выше температуры Мн вызывается и упругой, и
пластической деформацией (рис.8) . Выше Мн в некотором интервале
температур Мн - Мн упругие напряжения способствуют зарождению кристаллов
мартенсита в тех же участках исходной фазы, где они появляются ниже Мн
без участия этих напряжений. Энергия от приложенной нагрузки как бы
добавляется к термодинамическому стимулу превращения Дб, и мартенситное
превращение становится возможным при меньших степенях переохлаждения,
т.е. при более высоких температурах. Чем выше температура по отношению к
Мн, тем меньше Дб и соответственно больше должно быть напряжение упругой
деформации, способное вызвать мартенситное превращение (участок аб, рис.
8). С повышением температуры деформации достигается точка Мнб, при
которой указанное напряжение становится равным пределу текучести. Выше
температуры Мнб пластическая деформация обусловливает иной механизм
стимулирования мартенситного превращения, а именно, образование под
действием деформации новых мест зарождения мартенсита, зародышами
которого могут быть определенные группировки растянутых дислокаций. Чем
выше температура, тем больше должна быть деформация, способная вызвать
мартенситное превращение (участок бс, рис.8). В связи с вышеизложенным
следует различать: мартенсит охлаждения, образующийся без воздействия
упругой или пластической деформации, только в результате понижения
температуры ниже точки Мн; мартенсит напряжения, образующийся под
действием напряжений от приложения нагрузки (упругой деформации);
мартенсит пластической деформации, образующийся в результате
пластической деформации исходной фазы. Можно ли ожидать при выбранных
П.П.Аносовым условиях закалки булатной стали образования, например,
мартенсита напряжения? По всей видимости, можно, например, в объемах,
прилегающих к поверхностям раздела "волокно-матрица", где можно ожидать
максимальных термических напряжений в процессе охлаждения композита и
для которых величина Мн имеет повышенное значение. Необходимо лишь
выполнение, по меньшей мере, двух следующих условий, которые в общем и
отличают булатную сталь от порошковых" "микробулатов" и стенфордской
стали, а именно: булатная сталь должна иметь высокоуглеродистые волокна,
длина которых достаточно большая и соизмерима с размерами изделия;
химический состав волокон и прослоек матрицы должен иметь существенные
различия по содержанию углерода, что необходимо для возникновения
значительных термических напряжений. При выполнении данных условий и
соответствующей механической обработке охлаждение образца булатной стали
в описанных выше условиях, вызовет, по меньшей мере, возникновение
упругих напряжений, а возможно, и пластической деформации отдельных
объемов образца булатной стали на границе раздела "волокно-матрица" .
Очевидно, что при наличии волокнистой структуры булата величина упругих
напряжений будет существенно изменяться по сечению образца и,
следовательно, можно ожидать, что после закалки образца булатной стали в
поперечном его направлении будет наблюдаться многообразный тип структур,
что подтверждается в исследованиях, выполненных по программе "ЛАВАНДА".
Итак, если на поверхностных границах раздела "волокно-матрица" в
булатной стали в процессе охлаждения булата при закалке возможно
возникновение упругих термических напряжений, инициирующих образование
мартенсита напряжения, то согласно выдвинутой гипотезе "квазишарнирной
упругой деформации" именно мартенсит деформация должен обусловливать
повышенную способность кристаллической решетки этих зон к упругому
перемещению атомов относительно друг друга. Возможно ли это? По всей
видимости, возможно, так как пружинные углеродистые стали с 0,65-1,2 %
С, т.е. сходные по химическому составу с матрицей булата, упрочняют
закалкой на мартенсит с последующим отпуском при температуре 250-300 °С,
при этом именно при такой температуре отпуска предел упругости
(текучести) получает наиболее высокое значение. В процессе охлаждения
булатных изделий те объемы, в которых не созданы условия для образования
мартенсита напряжения или мартенсита деформации, в условиях пониженного
переохлаждения, недостаточного для образования мартенсита охлаждения,
будут претерпевать перлитное превращение. Учитывая, что для сплава
системы железо-углерод бейнитное превращение не обособлено от
перлитного, т.е. перлит и бейнит образуются в интервале температур ~
400-600 °С, а образование мартенсита напряжения и мартенсита деформации
не обособлено от бейнитного превращения, то при более, высоких
температурах изотермической выдержки в структуре будет доминировать
продукт перлитного превращения, например, троостит, а при более низких -
верхний бейнит. Если вышеизложенный подход верен, то можно сделать
следующие предварительные выводы: получение уникальных свойств булата
предопределено технологией получения слитка булатной стали и режимами
его обработки давлением; выбор закалочной среды и интенсивности
охлаждения булатных изделий обусловлен "готовностью" объемов у границ
"волокно-матрица" к возникновению термических напряжений при охлаждении
образцов в процессе закалки, т.е. широкое разнообразие известных древних
закалочных сред вполне закономерно и обосновано особенностями технологии
получения булата. Например, П.П.Аносову для получения высоких свойств
булата была достаточна закалка изделий в почти кипящем жире без
применение больших скоростей охлаждения. Исходя из вышеизложенного,
закалка булатной стали, в принципе, может быть осуществлена с быстрым
охлаждением и изотермической выдержкой при 250-570 °С" Если температура
изотермической выдержки при закалке определяется требуемой структурой
матрицы, то температуру, с которой осуществляется закалка, необходимо
увязать с требуемой структурой высокоуглеродистых волокон. Учитывая
достаточно высокую выбранную степень переохлаждения аустенита во время
закалки, при выборе температуры начала последней необходимо учесть, что
при закалке с более высокой температуры при образовании квазиэвтектоида
(по А. А. Бочвару) последний будет содержать повышенную концентрацию
углерода по сравнению с эвтектоидом, а следовательно, включения
вторичного цементита не испытают возможного интенсивного роста и
умножения еще до достижения температуры эвтектоидного превращения.
Данное обстоятельство отрицательно скажется на режущей, способности
изделий, в при выборе начальной температуры закалки следует
руководствоваться минимальным перегревом над температурой эвтектоидного
превращения. В то же время необходимо не допустить уменьшения
температуры ниже температуры эвтектоидного превращения для
предотвращения образования анормальной структуры, в которой эвтектоид
вырождается в грубый конгломерат феррита и цементита из-за наслаивания
цементита эвтектоида на вторичный цементит. Известно, что с повышением
содержания углерода доля остаточного аустенита после закалки на
мартенсит охлаждения резко возрастает (рис.9), при этом после отпуска
остаточный аустенит даже в небольших количествах (2-4 %] значительно
понижает предел упругости стали и сопротивление релаксации напряжений,
Осуществление закалки при температуре 250-570 °С, т.е. и интервале с
достаточно интенсивно протекающей диффузией углерода, позволяет
исключать стабилизацию остаточного аустенита. Большие затруднения
воспроизведении уникальных свойств булата могут возникнуть в связи с
недооценкой на этапе ковки определенной конфигурации поперечного сечения
древнего холодного оружия, обусловливающей возникновение в волокнистом
булатном изделии упругих напряжений, инициирующих образование даже в
условиях мягкой закалки мартенсита напряжения. Например, известно
выполнение одной, двух и даже трех своеобразных канавок на обеих
поверхностях древних сабель и клинков. Каково их назначение? Только ли
для облегчения оружия, экономии стали и придания оружию необходимой
жесткости путем искривления боковых, поверхностей? Закалку клинков по
технологии П. П. Аносова осуществляли в условиях быстрого подогрева
изделий и последующего быстрого погружения их в охладитель, при этом
разогрев наиболее тонких зон лезвия, а именно, режущей кромки и
подканавочных зон, происходил до более высоких температур (не следует
путать с температурным полем клинка при отпуске). Следовательно, после
нагрева менее прогретые объемы, прилегающие к этим прогретым зонам
булатных изделий, испытают растягивающие напряжения а сами зоны -
напряжение сжатия, при этом наряду с термическими напряжениями,
созданными градиентом температур, и в тех, и в других участках возникают
упругие напряжения, обусловленные наличием волокнистой макроструктуры,
т.е. объемов с различным химическим составом, а значит, и различными
термомеханическими свойствами. Если в процессе закалочного охлаждения
суммарные термические напряжения при выбранной интенсивности охлаждения
в температуре изотермической выдержки достигнут некоторого критического
уровня, то может произойти образование мартенсита напряжения. Исходя из
того, что мартенситное превращение подчиняется термодинамическим
закономерностям и для образования мартенсита необходимо определенное
накопление внутренних напряжений (при охлаждении образца это
растягивающее напряжения) н учитывая также, что при образовании
мартенсита происходит освобождение упругой энергии (т.е. с учетом
возрастания объема при образовании мартенсита эта энергия перед
превращением проявляется в виде растягивающих напряжений), можно
предположить следующий механизм изменения упруго-напряженного состояния
закаливаемого булатного клинка. В процессе ускоренного нагрева изделий
под закалку в наиболее нагретых участках изделия возникают термические
напряжения сжатия, а в менее нагретых утолщенных участках - напряжения
растяжения. В процессе ускоренного охлаждения при закалке режущая кромка
первой испытывает наибольшее влияние растягивающих напряжений по
сравнению с близлежащими участками, что, возможно, обусловливает в ней
остаточные напряжения сжатия; при этом на общем фоне сохраняющихся
сжимающих напряжений в период охлаждения образование мартенсита
напряжения в утонченных зонах клинка не должно произойти в виду взаимной
компенсации напряжений различного знака, при условии, что наличие
макроволокнистой структуры не повлечет образования локальных зон, в
которых создадутся достаточные для образования мартенсита растягивающие
напряжения. На поверхности же утолщенных участков клинка, в которых
перед закалочным охлаждением созданы растягивающие напряжения, в
процессе погружения в охладитель величина растягивающих напряжений резко
возрастет и, возможно, будет сопровождаться выделением реечного
мартенсита напряжений, при этом в местах образования мартенсита после
полного охлаждения образуются зоны, испытывающие остаточные напряжения
сжатия из-за возросшего объема данных зон, обусловленного образованием
мартенсита (рис.10, в). В осевых же зонах утолщенных участков клинка в
процессе закалочного охлаждения растягивающие напряжения резко
уменьшатся, что должно блокировать процесс образования мартенсита
деформации и после полного остывания клинка осевые зоны, лежащие под
поверхностными объемами с мартенситной структурой, должны испытывать
растягивающие напряжения. Если вышеизложенный механизм
изменения напряженного состояния образца действительно имеет место, то в
закаленном булатном клинке можно ожидать возникновение продольных
поверхностных участков, с резко выраженными сжимающими напряжениями,
величина которых максимальна в зонах образования мартенсита деформации.
Нижележащие слои осевых зон клинка будут испытывать после закалки
растягивающие напряжения, при этом каждое утончение клинка канавками на
обеих его боковых поверхностях влечет за собой образование двух пиков
напряжений - сжимающих на поверхности, а растягивающих в осевой части
клинка. В соответствии с рассмотренной гипотезой, наиболее вязкие объёмы
булатных клинков будут испытывать растягивающие напряжения, а наиболее
хрупкие - сжатие. Таким образом, ширина, глубина, положение канавок и их
количество могли являться существенными параметрами для обеспечения
необходимого уровня упругих термических напряжений. Отметим, что
создание сжимающих напряжений в поверхностных слоях наиболее утолщенных
участков клинка, в условиях развития при изгибе клина растягивающих
напряжений, могло благоприятно повлиять на его прочностные свойства.
Таким образом, при использовании булатной стали для изготовления
современного инструмента с соответствующими свойствами должна быть
учтена геометрия сечения изделия. Управление термическими напряжениями
на этапе закалки изделий и может быть осуществлено путем выбора участков
изделия, погружаемых в охладитель в первую очередь, например обуха
клинка. В этом случае также произойдет увеличение растягивающих
термических напряжений на участке перехода к более прогретому лезвию
клинка.
Отпуск булатной стали

"Возьмем из прошлого огонь, а не пепел"
Жорес

Отпуск образцов булатной стали, по мнению профессора Ю.Г.Гуревича,
является одной из важных технологических операций. Для получения высокой
твердости стали его следует проводить при низких температурах (150 °С),
однако при таком отпуске нельзя получить высокой упругости. Отпуск при
300 °С обеспечивает высокую упругость, но при этом резко снижается
вязкость стали вследствие развития необратимой хрупкости. Еще более
высокая температура отпуска стали повышает вязкость, но снижает
упругость. По мнению академика АН ГССР Ф. Н. Тавадзе и его сотрудников,
в связи с охрупчиванием материала закалка на мартенсит с последующим
отпуском булата нецелесообразна. "Странность" проводимого П.П.Аносовым
отпуска булатных клинков заключалась в нагреве их до появления на
поверхности окисной пленки синего цвета у конца клинка (300-320 °С),
фиолетового - в середине (260-280 °С) и. зеленого цвета у ручки клинка,
при этом "старались, чтобы на месте удара у лезвия оставался желтый
цвет", т.е. оставалась окисная пленка соломенно-желтого цвета-,
образующаяся при 220-240 °С. После быстрого нагрева осуществляли быстрое
охлаждение клинков в воде, при этом отпуск саперных ножей проводился
"несколько раз сряду повторяемыми нагревами и скорым охлаждением, т.е.
многократно. Таким образом, настоящее время отсутствует единое мнение о
роли, оптимальности параметров и необходимости отпуска закаленных
булатных изделий, а. имеющиеся рекомендации носят диаметрально
противоположный характер. Известно, что отпуск - это термическая
обработка закаленного на мартенсит сплава, при которой главными
процессами являются распад и (или) возврат и рекристаллизация
мартенсита. Рекомендуемый профессором Ю.Г.Гуревичем низкий отпуск мог
уменьшить остаточные закалочные напряжения без распада полученной при
закалке мартенситной структуры. Если учесть, что характер структурных
изменений при отпуске углеродистых сталей зависит от продолжительности
отпуска, а закалка стали осуществлена при изотермической выдержке в
интервале выше температуры стабилизации остаточного аустенита (200 °С),
кратковременным нагревом булатных клинков до температуры 300 °С с
последующим охлаждением в воде П.П.Аносов не стремился ни к распаду
возможного мартенсита напряжения до троостита (достигается при 350-450
°С), ни к уменьшению остаточных напряжений, так как последнее можно было
достигнуть при более низких температурах, с более длительной выдержкой и
без нелогичного охлаждения клинков в воде. Характерными особенностями
каждого цикла отпуска, проводимого П.П.Аносовым, являлись быстрый нагрев
клинков примерно до 300 °С на поверхности (и несколько ниже в
центральной часта клинка) и быстрое охлаждение клинка в воде. Данные
особенности наводят на мысль о том, что быстрый нагрев до фиксированной
температуры и ускоренное охлаждение предназначались для достижения
дифференцированной термообработки поверхностных (включая режущую кромку)
и осевых объемов булатного клинка. По поводу природа отпускной хрупкости
продолжают высказывать противоречивые точки зрения. При исследовании
одних сталей в состояния необратимой отпускной хрупкости установлено
межзеренное разрушение (по границам бывших аустенитных зерен), а при
исследовании других сталей обнаружено внутризеренное разрушение. В
высокочистых сталях внутризеренное разрушение и обусловлено распадом
остаточного аустенита, а именно, в реечном мартенсите между рейками
находятся тонкие прослойки, пленки остаточного аустенита (объемная доля
1-5 %), повышающие ударную вязкость закаленной стали. Пря отпуске этот
аустенит распадается в области температуры около 300 °С, образуя между
рейками альфа -фазы пленки карбида?, которые способствуют зарождению я
развитию внутризеренного (по отношению к границам исходного аустенитного
зерна) разрушения. Легирующие элементы, затрудняющие выделения карбида
из остаточного аустенита (кремний, алюминий) сдвигают интервал
необратимой отпускной хрупкости к более высоким температурам. Если
реечный мартенсит напряжения в промежуточном слое на границе
"волокно-матрица" уже перед отпуском не содержал остаточного аустенита в
силу неустойчивости последнего при температурах образования мартенсита
напряжения, то данные микрообъемы должны были бы обладать отпускной
хрупкостью и иметь повышенный предел упругости еще до отпуска. Если
допустить наличие остаточного аустенита в мартенсите охлаждения
(саперные ножи П.П.Аносов закаливал в воде), можно предположить, что на
каждом цикле отпуска П.П.Аносов достигал, по меньшей мере, частичный
распад прослойки остаточного аустенита, повышая предел упругости
поверхностных слоев клинка, испытывающих, кстати, максимальную упругую
деформацию при изгибе термообработанного клинка, и предотвращал распад
прослойки остаточного аустенита мартенсита в осевой части саперного
-ножа, повышая ударную вязкость этих объемов. Но в обеих технологиях
П.П.Аносов, используя синий цвет побежалости (300 °С), предотвращал
начало распада мартенсита напряжения или мартенсита охлаждения (350-450
°С). Многократностью осуществления цикла отпуска П. П. Аносовым возможно
достигалась не только полнота протекания вышеописанного процесса.
Известно, что кристаллическая решетка зерна образца стали, нагретого под
закалку, имеет повышенную концентрацию тепловых вакансий, при этом
равновесная концентрация тепловых вакансий резко уменьшается с
понижением температуры. При закалке этот процесс внутри зерна не
успевает пройти в необходимой степени, и решетка сильно пересыщена
вакансиями. В первый период закалочного охлаждения, когда при высоких
температурах вакансии еще очень подвижны, они устремляются к границам
зерен - стокам вакансий. В результате вблизи границ зерен концентрация
вакансий в некоторой зоне оказывается понижено по сравнению с остальной
частью зерна, где сохраняется высокая концентрация избыточных вакансий.
Вакансионные кластеры облегчают зарождение выделения избыточной фазы и
способствуют диффузионному росту зародышей новой фазы. При некоторой
пересыщенности раствора легирующим элементом распад за определенное
время происходит только в той части тела зерна, где концентрация
вакансий не ниже некоторой критической величины С1. В результате
приграничная зона зерна оказывается обедненной выделениями.
Существование приграничных зон, свободных от продуктов распада раствора,
не противоречит положению о том, что границы зерен облегчают зарождение
выделений новой фазы. Речь идет не о самой границе, а о примыкающей к
ней приграничной зоне. Часто можно наблюдать выделения непосредственно
на границе зерна и рядом с ними приграничную зону, свободную от
выделений. Чаше всего считают, что зоны, свободные от выделений, вредны,
так как из-за меньшего предела текучести в них локализуется пластическая
деформация, приводящая к межзеренному разрушению. Вышеизложенное в
приложении к булатной стали позволяет сделать следующий важный вывод.
Проводимый П.П.Аносовым многоразовый кратковременный отпуск с нагревом
поверхности клинков до 300 °С, т.е. до температуры, резко повышающей
диффузионную способность углерода был направлен также на устранение
негативного проявления обедненных углеродом приграничных зон зерен как
на поверхностных, так и в осевых объемах булатных клинков, что повышало
вязкость булата. Возникает вопрос, почему многоразовость выполнения
отпуска была так важна для более полного устранения отличий приграничных
зон зерен? Согласно одной из гипотез, объясняющих негативность
обедненных зон, внутри "слабой" зоны легко генерируются дислокации,
которые скользят вдоль границы зерна и образуют плоские скопления вблизи
тройных стыков, где и зарождаются межзеренные трещины. Для ответа на
поставленный вопрос необходимо принять во внимание следующее. После
каждого цикла отпуска {как и после закалки) каждый булатный клинок
проходил сухую полировку для подготовки поверхности клинка к визуальному
фиксированию температуры нагрева под очередной цикл отпуска (синего
цвета окисной пленки на поверхности клинка). Данные операции могли
сопровождаться и локальным нагревом клинков и их деформацией. Возможно,
эти операции влекли определенное генерирование или перераспределение
дислокаций внутри "слабой" зоны зерен и это благоприятствовало
сглаживанию различий в количестве выделений избыточной фазы в пределах
зерна при последующем кратковременном цикле отпуска. Таким образом,
определенные мелкие технологические нюансы в процессе изготовления
древних булатных клинков возможно и позволяли достигать свойств,
неправдоподобных для современного восприятия.
Что же такое булат? Перспективы использования легендарного композита в
будущем

"Самая лучшая сталь, которую когда-либо,
где-либо делали, - есть без сомнения булат"
Д.К.Чернов

Профессор Ю. Г. Гуревич так характеризовал булатную сталь: булат - это
сверхуглеродистая особо чистая сталь, близкая по составу к чугуну,
обладающая неравновесной структурой с ярко выраженной макро- и
микронеоднородностью. Булат это слоистая сталь, в которой очень твердые
слои с высоким содержанием углерода переплетены с пластичными слоями,
мало насыщенными углеродом, что превращает лезвие булатного клинка в
микропилу и обеспечивает его самозатачиваемость. Булат - сталь,
обладающая одновременно "высокой твердостью, прочностью, вязкостью и
упругостью". Хотелось бы отметить, что введение в булат в качестве
волокон малонасыщенной углеродом фазы (низкоуглеродистой стали с
содержанием углерода 0,03-0,05 %) ошибочно, так как в этом случае
содержание углерода в матрице не превысит известного по рядовым
высокоуглеродистым сталям уровня (1,4-1,6 %), после превышения которого
расковать булатный слиток будет очень сложно. Утверждение об особой
чистоте булата также, по всей видимости, не соответствует
действительности. Данные замечания имеют принципиальный характер, и, на
наш взгляд, более правильным является следующее определение булатной
стали (дамасской стали, индийского вутца). Булат - это композиционный
материал на основе системы железо-углерод, содержащий сверхуглеродистые
макроволокна, переплетенные и сглаженные прослойками матрицы примерно
эвтектоидного состава, в совокупности образующие неравновесную структуру
с ярковыраженной макро- и микронеоднородностью, особые свойства которого
достигаются в результате совместной термомеханической обработки волокон
и матрицы и не имеют автономной реализации при обработке разделенных
волокон и матрицы, при этом повышенная.твердость волокон достигается
особым состоянием включений вторичного цементита, а высокие вязкость,
упругость и прочность - путем создания на границах "волокно-матрица"
промежуточных слоев с сильно искаженной кристаллической решеткой, часть
из которых после термообработки имеют структуру отпущенного мартенсита
напряжения на фоне структур перлитного класса (троостита, сорбита и
т.д.). Итак, вышеизложенное обоснование природы уникальных свойств
булата в основе своей замыкается на существовании на границе
"волокно-матрица" промежуточного слоя, возможно промежуточного
химического состава, обладающего не только особыми механическими
свойствами, но и выполняющего особые функции как в процессе
термомеханической и термической обработки булата, так и в процессе
эксплуатации изделий из этого композита. Если прогнозируемые особенности
промежуточного слоя подтвердятся, то даже широко используемое понятие
"композит" станет слишком узким для булата, так как последний окажется
не просто механической совокупностью высокоуглеродистых волокон железа в
менее углеродистой матрице, которую сегодня мы еще относим к "рядовой
углеродистой стали", а принципиально новым материалом, поскольку
свойства его обусловлены не только свойствами исходных составляющих
композита, но и новой, активной комбинацией этих составляющих,
формирующейся в процессе обработки композита и не имеющей автономной
реализации вне композита. Действительно, трудно представить себе сплав,
который бы подобно матрице композита обладал достаточной пластичностью,
деформировался по сдвиговому механизму и при этом обладал способностью
образовывать в себе при обработке макрообъемы с вышеизложенными
особенностями промежуточного слоя. Известно, что реальная прочность
металлов падает с увеличением числа дислокаций только вначале. Достигнув
минимального значения при некоторой плотности дислокаций, реальная
прочность вновь начинает возрастать. Такого рода зависимость между
реальной прочностью и плотностью дислокаций (и других несовершенств)
схематически представлена на рис.11. Такие способы упрочнения, как
механический, наклеп, измельчения зерна и блоков мозаики, термическая
обработка, ведущие к увеличению полезной плотности дислокаций, известны.
Но известен и изучен ли механизм упрочнения, когда в процессе ковки на
границе волокно-матрица высокоуглеродистое волокно бомбардируется
потоком дислокаций на матрицы или когда повышенное количество дислокаций
в матрице на границе волокно-матрица быстро стопорится в результате
активной диффузии углерода из объемов сверхуглеродистого волокна? Не
достигаем ли мы в этих случаях в объемах промежуточных слоев прочности,
величина которой могла бы продолжать кривую на рис.11 вправо, ближе к
теоретической прочности металлов? Какова значимость текстуры в этих
условиях? Какова значимость влияния текстуры промежуточных слоев на
величину зон зерна, свободных от выделений при закалке? Хотелось бы
обратить внимание на одну общую характерную закономерность. В реальных
системах (сплавах), например на основе железа, в отличив от чистых
металлов накопление искажений кристаллической решетки сопровождается
переходом количества в новое качество, а именно, само наличие более
совершенных зон, например зон, свободных от сильных искажений
кристаллической решетки, макро- и микрооднородность сплава, начинают
препятствовать достижению новых, более высоких свойств сплава как
системы, проявляющихся, например, в композите типа булата.
Распространение же несовершенств в более "совершенные" зоны, т.е.
уменьшение остатка "совершенных" зон по отношению к остальной
"несовершенной" части системы, влечет за собой переход вредного влияния
несовершенств кристаллической решетки в полезное, например, тормозится
явление равновесной сегрегации, что, в конечном счете, позволяет на
определенном этапе развития системы констатировать большую реальную
"совершенность" искажений кристаллической решетки, например, в
промежуточных слоях в сравнении с неискаженной решеткой. Касаясь вопроса
перспективы использования булата П.П.Аносов в своем классическом труде
"О булатах" сказал так: "Оканчиваю свое сочинение надеждою, что скоро
наши воины вооружатся булатными мечами, наши земледельцы будут
обрабатывать землю булатными орудиями, наши ремесленники выделывать свои
изделия булатными инструментами; одним словом, я убежден, что с
распространением способов приготовления я обработка булатов они вытеснят
из употребления всякого рода сталь, употребляемую ныне на приготовление
изделий, требующих особой остроты и стойкости". Что касается программы
"ЛАВАНДА", то при условии успешного завершения исследований и раскрытия
тайн булата можно прогнозировать следующее: технология производства
индийского вутца, утраченная около 9 веков назад, представляла собой
технологию производства композиционного материала волокна и матрица
которого, отличаясь и свойствами, и назначением при совместной
обработке, предопределили феноменальное сочетание свойств булата, а сам
способ получения слитка вутца является оригинальным, не имеющим аналогов
в современной металлургии; реализация управления состоянием частиц
вторичного цементита, твердость которых составляет <800 НВ, позволяет
существенно повысить твердость режущей кромки булата в сравнении с
современными высоколегированными быстрорежущими сталями, запас которой
повышает теплостойкость булата в сравнении с рядовой углеродистой сталью
и расширяет область его применения в качестве материала для режущего
инструмента, в том числе и быстрорежущего; повышенная износостойкость
волокон и вязкость булата позволяют использовать его для производства,
например, вкладышей штампов при обработке металлов давлением,
износостойких частей горнодобывающей техники и т.д.; высокая режущая
способность и способность к самозатачиванию позволяют широко
использовать булат для ножей при разделении высокоабразивного материала,
например, бумаги, синтетических пленок, в том числе с металлическим
покрытием" прекрасный булатный узор обеспечивает ему
конкурентоспособность в качестве материала для декоративных произведений
искусства, в том числе парадных образцов холодного оружия. В 1843 г.
аносовские булаты были представлены на третьей Московской мануфактурной
выставке и получили прекрасный отзыв: "Теперь Россия представляет
единственный в целом мире источник нового булата лучших качеств, Булаты
наши ценятся между азиатами по крайней мере в десять раз дороже против
здешней цены их". В мае 1988 г. на выставке американского дизайна в
Мишколъце, ВНР, были продемонстрированы великолепные образцы кухонных
ножей с прекрасным булатным узором, правда, искусственно нанесенным на
поверхность ножей. Американские специалисты предполагают, что
сверхпластичные стали произведут такой же впечатляющий переворот в
промышленном производстве, какой вызвали в свое время алюминий и титан.
Сверхпластичные сплавы особенно эффективны в аэрокосмической
промышленности. Отсутствие в булате легирующих добавок, позволяющее
прогнозировать высокую экономическую эффективность от его использования,
служит дополнительным стимулом к разгадке тайн этого древнего композита.
Продолжая исследования сверхвысокоуглеродистых сталей стенфордская
исследовательская группа недавно разработала новый процесс, позволяющий
опробовать сверхпластичные стали в промышленном производстве. По мнению
ученых, сверхпластичная сталь может дать значительную экономию в любой
сложной конструкции, и общее мнение состоит в том, что если можно
изготовить из такой стали дешевую шестерню, то из нее можно делать что
угодно. За последние несколько лет на изделия из сверхпластичных
металлов были выданы сотни патентов, и перечень их непрерывно
пополняется. Замалчивание факта, что как у нас в стране, так и
зарубежом, еще не могут воспроизвести лучшие сорта булата, например,
кара-табан, принесшие заслуженную славу в XIX веке русскому металлургу
П.П.Аносову, дезориентирует людей и научные коллективы, желающие
приложить свои силы в решении этой важной проблемы. Появление
противоречивых публикаций о разработке технологии получения литого
булата способствует тому же. Действительно, при ознакомлении с
результатами исследований как-то не возникает уверенности в сколь -
нибудь полном раскрытии тайны булата, да и авторы исследований не спешат
со столь обязывающим заявлением. В Тезисах ЦК КПСС к XIX Всесоюзной
партконференции отмечено, что "существенных изменений в
научно-техническом прогрессе не произошло". Тогда как "требуется
существенный прорыв на всех направлениях естественных, технических и
общественных наук". Сегодня, когда мы знаем, что проблемой получения
дамасской стали интересуются практически во всех развитых странах, что в
производстве композиционных материалов в целом мы уже начали отставать,
а в США интенсивно ищут разгадки дамасской стали и, надо думать, с
использованием не худшей, чем у нас, материальной базы, необходимо
определяться в вопросе перспективности производимых исследований
булатной стали.

 

назад в библиотеку