Юрий Гуревич - Загадка булатного узора
Что же происходит при закалке стали? Свойства стали зависят от ее структуры. Оказывается, структура стали данного химического состава изменяется после нагревания и последующего охлаждения с той или иной скоростью. При нагревании сплава железо — углерод до температур, соответствующих области выше линии GSE (см. рис. 2), он приобретает аустенитную структуру. При разных скоростях охлаждения аустенита получают разные структуры охлажденной стали.
Если эвтектоидную сталь (0,8 %, углерода) медленно охлаждать от температур выше 727 °C, то произойдет полный распад аустенита с образованием пластинчатого перлита. Распад аустенита можно условно разделить на следующие процессы:
1. Превращение аустенита в феррит. Этот процесс состоит в перегруппировке атомов железа таким образом, что решетка гранецентрированного куба Y-железа переходит в решетку объемно-центрированного куба а-железа.
2. В результате смещения атомов углерода и пересыщения этим компонентом твердого раствора из него выделяются частицы цементита (карбида железа).
3. Выделившиеся частицы цементита растут и образуют прослойки в феррите.
Как мы уже говорили, после медленного охлаждения углеродистая сталь имеет структуру пластинчатого перлита, хорошо видимую под микроскопом при увеличении в 100 раз. При ускорении охлаждения до 50° в секунду третий процесс превращения не успевает закончиться, поэтому размеры пластинок цементита уменьшаются, и они становятся различимы только при увеличениях в тысячи раз. Такая структура в честь английского ученого конца XIX — начала XX века Г. К. Сорби была названа сорбитом.
При ускорении охлаждения до 100° в секунду полностью успевает завершиться только второй процесс превращения, а третий останавливается в самом начале. Теперь уже пластинки цементита видны лишь при громадных увеличениях в десятки тысяч раз. Они различимы только под электронным микроскопом. Такая структура в честь французского химика Л. Ж. Трооста (XIX — начало XX века) названа трооститом.
Наконец, при скорости охлаждения аустенита больше критической (порядка 150–200° в секунду) уже и второй и третий процессы распада не успевают совершиться; завершается лишь перегруппировка атомов железа, а углерод вынужденно остается в твердом растворе а-железа, сильно пересыщая его. Такая структура в честь немецкого металловеда А. Мартенса (вторая половина XIX — начало XX века)" названа мартенситом. Мартенситной структуре соответствует наиболее высокая твердость и прочность стали. Таким образом, если перлит, сорбит и троостит — двухфазные структуры, представляющие собой смесь феррита и цементита, то мартенсит — структура однофазная, это твердый пересыщенный раствор углерода в а-железе.
Закалка стали состоит в ее нагреве на 30–50 °C выше температуры начала устойчивости аустенита и быстром охлаждении. Обычно при закалке стремятся получить мартенситную структуру. Для устранения больших напряжений в стали, получающихся под действием резкого охлаждения при закалке, сталь после закалки подвергают отпуску. Отпуск стали заключается в ее нагреве до температур ниже 727 °C и последующем охлаждении. При отпуске структура стали из мартенсита закалки переходит в мартенсит отпуска, троостит отпуска или сорбит отпуска. Пластичные и вязкие своиства стали после отпуска улучшаются, а твердость и прочность падают.
Совершенно понятно, что булатные клинки, знаменитые своей твердостью и режущими свойствами, по крайней мере в поверхностных слоях закаливались на мартенсит. Под микроскопом мартенсит представляет собой игольчатую структуру. Иглы мартенсита располагаются закономерно, образуя углы в 60 или 120°. Поэтому после закалки булата пластинчатая структура перлита сохраняться не может. Все же, как будет показано в дальнейшем, на основе феррито-мартенситной структуры можно получать композиционные стали с высокими свойствами.
Выдающийся ученик и последователь Д. К. Чернова в области металловедения и термообработки Н. И. Беляев хорошо понимал недостатки теории, объясняющей булатный узор «структурным равновесием феррита и цементита». Он писал: «Знакомство наше с микроструктурой стали не только не помогало, а скорее мешало разобраться в этом интересном вопросе, так как приводило или к абсурдному объяснению узора булата развитием пластинчатого перлита до размеров, видимых простым глазом (профессор Чернов и др.), или к объяснению узора булата с точки зрения структурного равновесия».
В 1911 году Н. И. Беляев, наиболее обстоятельно изучивший к этому времени вопрос о булате, приходит к совсем пессимистическим выводам: «Грустно сознавать, что современная наука не вооружена еще 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 обладают изделия, изготовленные из булата…».
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
ТРЕТЬЕ РОЖДЕНИЕ БУЛАТА
Новое — это хорошо забытое старое.
Поиск продолжается
Юрий Иванович Люндовский — коренной житель Златоуста. На плане дома, который в 1837 году перестраивал его дед, мастеровой казенных заводов Григорий Люндовский, стоит подпись самого «управителя Златоустовскими заводами П. Аносова». Подпись скреплена печатью заводской конторы. Печать была сделана из горного хрусталя.
Юрий Иванович начал трудовую деятельность на Златоустовских заводах в 1931 году. Будучи главным металлургом завода, он работал в здании с медной доской у входа: «Центральная заводская лаборатория. Основана в 1836 году П. П. Аносовым». По чугунным ступенькам, по которым не раз ходил изобретатель русского булата, он ежедневно подымался к себе в кабинет.
Со школьной скамьи Люндовский мечтал найти утерянные секреты и выплавить узорчатую сталь. В его семье хранилась железная трость деда — необыкновенно легкая, витая, сделанная из железных полос, заготовленных для производства сварочного булата. Он собрал и хранил все те немногочисленные образцы русского булата, которые можно было найти на заводе.
Ю. И. Люндовский в конце 30-х годов повторил опыты Д. К. Чернова и добился путем замедленного охлаждения слитка получения крупных дендритов в малом объеме металла. Умеренно холодная ковка таких слитков позволяла получать слабо проявляющиеся узоры.
В 20–30-х годах тщательно изучал материалы, относящиеся к производству булата, племянник Павла Николаевича Швецова — Василий Николаевич, который с 1896 года служил мастером фасонно-литейного цеха. Он был высокообразованным человеком, увлекался историей уральских заводов, выплавкой тигельной стали, производством огнеупоров. Сохранились печатные работы В. Н. Швецова, посвященные этим вопросам.
Любопытен такой факт. Николай Швецов, который работал с Аносовым, был безграмотным крепостным крестьянином. Его сын — Павел Швецов окончил начальную горнозаводскую школу, что по тем временам считалось большим везением. Василию Швецову, в 1904 году закончившему Уральское горное училище, Советская власть дала возможность получить экстерном высшее образование — он был инженером-металлургом. А его внук Сергей Швецов, ныне научный работник, готовится к защите кандидатской диссертации.
В 20-е годы металлургия окончательно формируется в самостоятельную науку. В технической литературе появляется много статей, посвященных теоретическому обоснованию технологии производства легированных сталей, их термической обработке. В это время вновь пробуждается интерес к булату, появляются новые данные о его химическом составе, макро- и микроструктуре, делаются многочисленные попытки получить сталь с узорчатой структурой.
Ю. И. Люндовский исследует имеющиеся у него образцы булата, полученного П. Н. Швецовым. Он изучает его микроструктуру, устанавливает, что она характеризуется крупными включениями цементита высокой твердости, подтверждает, что в стали мало серы и других вредных примесей. На заводе еще можно было найти достаточно чистое пудлинговое железо, древесноугольный чугун и серебристый графит. Возлагаются надежды получить узорчатую сталь путем сплавления этих компонентов по режимам, описанным Аносовым. Многочисленные опыты к успеху не приводят. Правда, удалось овладеть приемами ковки булата и повторить их на обычных сталях. Узор почти не проявляется, но свойства изделий, особенно твердость и прочность, ощутимо повысилась.
В журнале «Уральский техник» за 1924 год была напечатана статья В. Н. Швецова «Литой булат». В ней описываются способы получения узорчатой стали. Автор считает, что лучшие узоры получаются при сплавлении железа и чугуна с небольшими добавками… серебра. Большое внимание уделено охлаждению слитка: по окончании плавки тигель, вынутый из печи, рекомендуется ставить в горячую золу, засыпать его ею со всех сторон, за исключением крышки, и оставлять до полного охлаждения. Описываются приемы ковки булата, обеспечивающие, по мнению автора, узор на клинке в виде елочки. Исследования образцов булатных изделий в статье не приводятся.
