76631-1 (670087), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Дамасские клинки после ковки обычно закаливали термообработкой. Термическая закалка стали осуществляется путем нагрева выше 727°С (температуры превращения объемноцентрированного феррита в гранецентрированный аустенит) и быстрого охлаждения (собственно закалки) в воде или другой среде. Если созданы условия для медленного охлаждения, как при изготовлении вуца, сверхвысокоуглеродистая сталь переходит из аустенитной фазы в перлит, структура которого состоит из чередующихся слоев мягкого бедного углеродом феррита и богатого углеродом цементита. Если же сталь подвергается закалке, то превращение аустенита в перлит подавляется. Получающиеся кристаллы железа являются объемноцентрированными, но имеют не кубическую, а вытянутую тетрагональную форму. Такая структура называется мартенситом. В ней имеются свободные места для атомов углерода, и поэтому она может быть твердой.
По историческим свидетельствам у средневековых кузнецов было много различных рецептов для закалки дамасских клинков, причем они часто придавали важное значение таким деталям, которые современному инженеру представляются фантастическими. Например, некоторые мастера утверждали, что клинки нужно закаливать в моче рыжеволосого мальчика или трехлетней козы, которую три дня кормили только папоротником. Одно из наиболее подробных описаний процедуры закалки дамасской стали (булата) было найдено в храме Балгала в Малой Азии: "Булат нужно нагревать до тех пор, пока он не потеряет блеск и станет как восходящее солнце в пустыне, после чего остудить его до цвета королевского пурпура и затем вонзить в тело могучего раба... Сила раба перейдет в клинок и придаст прочность металлу".
Эту "инструкцию" можно расшифровать следующим образом. Клинок нагревали до высокой температуры, предположительно выше 1000°С (температура "восходящего в пустыне солнца"), затем охлаждали на воздухе примерно до 800°С (до цвета королевского пурпура) и, наконец, погружали в теплую (37°С) полужидкую среду наподобие рассола.
Легко догадаться, что этот рецепт не обеспечивал наилучшие свойства дамасской стали. Нагрев клинка выше 1000°С должен был вызывать вторичное растворение цементита в гранецентрированном аустените; при охлаждении до 800°С должна была восстанавливаться грубая сетчатая структура, ранее разрушенная ковкой. Кроме того, высокая температура должна была давать сравнительно крупное зерно в стали. Оба этих эффекта уменьшали вязкость металла. Клинок, изготовленный по балгальскому рецепту, мог иметь высокую твердость, но оказался бы слишком хрупким и не выдержал бы удара о другой клинок, закаленный после нагрева до температуры лишь немного выше 727°С; последний имел бы и высокую твердость, и вязкость.
Согласно современным теоретическим представлениям в металловедении, наиболее прочными и вязкими сталями оказываются те, которые имеют наименьшие размеры зерен и частиц. Отсюда следует парадоксальный вывод: наилучшими дамасскими клинками должны быть те, которые вообще не имеют "дамасского" узора. Для средневековых мастеров "дамасский" узор, без сомнения, служил формой контроля качества: наличие узора было и признаком высокого содержания углерода в металле, т.е. высокой прочности, и признаком хорошо прокованной структуры, т.е. высокой вязкости. Однако заметный глазу узор получается только в том случае, если частицы цементита достаточно крупны и распределены неравномерно в структуре стали. Клинки с очень тонкой микроструктурой, не дающей видимого узора, вероятно, могут иметь более высокие показатели прочности и вязкости.
Для проверки своих идей относительно состава и производства дамасской стали, авторы попытались воспроизвести "дамаск" в лабораторных условиях. Сначала нагревали небольшую стальную отливку (с содержанием углерода l,7%) до температуры 1150°С (светло-желтый цвет каления) в течение 15 ч. В результате длительного нагрева углерод растворялся в железе, образуя очень грубую структуру аустенита. Затем слиток охлаждали со скоростью примерно 10°С в час. При таком медленном охлаждении образовывалась грубая непрерывная сетка цементита по границам аустенитных зерен.
Влияние ковки на дамасскую сталь было имитировано прокаткой образцов современной сверхвысокоуглеродистой стали. Структура стали показана с увеличением х130 (вверху) и х6,5 (внизу). До прокатки (слева) светлая цементитная сетка была непрерывной, с примерно одинаковым размером ячеек во всех направлениях. После прокатки (справа) сетка удлинилась в направлении прокатки и раздробилась на отдельные сферические частицы. В результате металл стал более вязким (менее хрупким).
Слиток вторично нагревали до 800°С и прокатывали с восьмикратным обжатием по толщине. В результате этой операции, которая имитировала ковку, зерна вытягивались в направлении прокатки и карбидная сетка разрушалась. Травление образца кислотой, разрушающей только железную матрицу и не действующей на карбиды, выявило дамасский узор, видимый невооруженным глазом. Микроструктура образца была удивительно схожа с микроструктурой настоящей дамасской стали (см. рисунок).
Микроструктуры стали в поперечном сечении дамасского клинка (слева) и прокатанного образца сверхвысокоуглеродистой стали (справа). Сходство микроструктур свидетельствует о сходстве процессов обработки. При обработке давлением цементитная сетка сжимается; расстояние между слоями составляет около 100 мкм. Прокатанная сталь имеет все же менее сложный узор, чем кованый клинок.
Выше описан только один способ получения дамасской стали; вероятно, существовали и многие другие. Можно даже предположить, что мастера на Среднем Востоке умели получать и высококачественные сверхвысокоуглеродистые стали, не имевшие вообще дамасского узора. Авторы добились этого в лабораторных условиях путем прокатки стального слитка, нагретого до 1100°С; во время прокатки слиток постепенно охлаждался с переходом через фазу аустенит + цементит. Обработка давлением (прокатка) вызывала измельчение аустенитных зерен и выделение цементита из раствора в виде мелких равномерно распределенных частиц, а не грубой сетки. Обработанный металл не имел поверхностного узора.
Такие сверхвысокоуглеродистые стали без узора имеют при комнатной температуре более высокие показатели прочности и вязкости, чем обычные стали, применяемые в автомобилестроении. Более того, при температурах 600-800°С они проявляют свойства сверхпластичности, т.е. ведут себя подобно аморфным материалам, например расплавленному стеклу. Это позволяет формовать из них сложные детали, такие, как шестерни, при минимальных затратах на обработку и используя методы, применимые в массовом производстве, что открывает широкие перспективы для промышленного применения сверхвысокоуглеродистых сталей.
Прочность и пластичность сверхвысокоуглеродистых сталей могут быть выше, чем у обычных марок стали. Прочность на растяжение определяется как максимально растягивающее напряжение, выдерживаемое стандартным образцом металла до разрыва. Удлинение образца служит мерой пластичности; оно измеряется как относительное приращение длины образца металла непосредственно перед разрывом. Сверхвысокоуглеродистые стали после прокатки с охлаждением приобретают сверхтонкую структуру (а) и оказываются прочнее (при данной пластичности) обычных низкоуглеродистых сталей (b) и высокопрочных сталей, легированных небольшими количествами специальных элементов (с). По своей прочности они даже превосходят некоторые специальные сорта стали (d).
Авторы не претендуют на приоритет в раскрытии утраченного секрета получения дамасской стали. Были предшественники, как упомянутые Бреан и Фарадей или же русский инженер П.П. Аносов, который в 1841 г. опубликовал сочинение "О булатах" *. Вдохновленный своими открытиями, Аносов восторженно писал:
"Оканчиваю 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 и обработки булатов они вытеснят из употребления всякого рода сталь, употребляемую ныне на приготовление изделий, требующих особенной остроты и стойкости".
* Аносов П.П. О булатах. Горный журнал, 1841, часть 1, книга II. (См. статью А.Н. Белоусовой. - V.V.)
Его предсказания не сбылись. И в настоящее время огромные возможности сверхвысокоуглеродистых сталей остаются в основном неиспользованными. Авторы не так оптимистичны в своих прогнозах, как Аносов, но все же считают, что положение скоро изменится и секрет дамасской стали станет общим достоянием современной промышленности. Как гласит известная пословица: "Новое - это часто лишь хорошо забытое старое".
Список литературы
Cyril S. Smith. A history of metallography. The University of Chicago Press, 1965.
Jeffrey Wadsworth and Oleg D.Sherby. On the bulat-damascus steels revisited. // In Progress in Materials Science, Vol. 25, pages 35-68; 1980.
Jeffrey Wadsworth and Oleg D.Sherby. Damascus steel-making. // In Science, Vol. 218, No. 4570, pages 328-329; October 22,1983.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
