Оружие из Дамаска и булата
Шрифт:
Проблема в том, что булатную заготовку нельзя нагревать свыше 850 °С, так как при этом начинается вторичное растворение цементита в аустените, а сам металл становится, как ни странно, хрупким, пребывая в раскаленном состоянии. В этом причина фатальных неудач европейских мастеров, пытавшихся работать с булатом - они по привычке нагревали бесценный слиток добела, и происходило то, о чем писал Бреан: «При белом калении дамасская сталь крошится, как стекло». На самом же деле, максимум пластичности булата приходится на диапазон температур 650-850 °С. Так выглядит лишь один из хитроумных секретов, присущих технологии булата, причем далеко не самый таинственный.
Тем не менее, американским ученым удалось воссоздать технологическую цепочку, используя в качестве опытного образца современные марки сверхвысокоуглеродистой стали. Эксперименты показали, что при температуре 850 °С слитки с содержанием углерода до 1,9% проявляют чрезвычайную пластичность, легко выдерживая деформации обжатия в вальцах. Ниже - микрофотография структуры металла до (слева) и после (справа) прокатки. Структура показана с увеличением в 130 раз (вверху) и в 6 раз (внизу). До прокатки сетка цементита была непрерывной, с одинаковыми размерами ячеек. После обработки сетка разрушилась на отдельные фрагменты и заметно вытянулась в направлении вальцовки. Результат - металл, как и следовало ожидать, приобрел замечательную пластичность.
Здесь необходимо оговориться и подчеркнуть принципиальный момент - литой булат априори обладает внутренним строением, дающим впоследствии пресловутый поверхностный узор, тогда как искусственный сварочный Дамаск обретает узор за счет наслоений.
Издревле знатоки и ценители определяли качество булатных клинков по величине, форме и цвету рисунка. Размер его может быть крупным (достигающим толщины нотных значков), средним (не толще обыкновенного письменного почерка) или едва заметным. По цвету грунта различали три сорта булата - серый, бурый и черный. Чем грунт темнее, а узор контрастнее, тем выше ценился булат. Черный грунт бывает в твердых булатах с особо высоким содержанием углерода. Кроме того, различали еще отливы, красные и золотистые, которые клинок давал (или не давал) в косых лучах света. Более всего ценился крупный, золотистый узор по черному или красноватому фону. Впрочем, цветовая гамма в значительной мере обусловливалась способом вытравки и рецептурой растворов, о чем речь пойдет ниже.
Согласно классификации П. П. Аносова, главнейшие сорта булата таковы:
Полосатый…Шам и Эски-Шам;
Струистый…Шам;
Волнистый…Куш-Гынды, Кирк-Нардубан, Сари-Гынды, Кара-Табан;
Сетчатый…Табан, Хороссан, Кара-Хороссан, Нердебан, Кермани, Деши;
Коленчатый…Эркек-Табан, Лагори-Хороссан, Баяц-Хороссан, Лагори-Нейрис;
Хороссан» - название персидской провинции, «Табан» означает сетчатый булат, «Шам» - турецкое название Сирии, «Куш-Гынды» - «индийская волна», и так далее.
Вот два примера поверхности истинного булата:
Полосатый рисунок состоит из прямых линий, почти параллельных между собой. Это низший сорт.
Струйчатый рисунок имеет криволинейные включения между параллельными линиями. Это средний сорт. Если кривых линий больше, чем прямых, говорят о волнистом булате. Если кривые линии простираются по всем направлениям, а прямолинейные участки совсем коротки -
Эта устоявшаяся система оценки булатных полос просуществовала века, загадав нам еще одну загадку из множества других, присущих таинственному материалу.
Дело в том, что, согласно современным теоретическим представлениям в металловедении, наиболее прочными и вязкими сталями являются те, что имеют меньшие размеры зерна. Отсюда следует парадоксальный вывод - наилучшими булатными клинками должны быть те, которые вовсе не дают «дамасского» рисунка, хотя традиционно такой узор как раз и служил мерилом качества, косвенным признаком высокого содержания углерода и умелой ковки. А хорошая ковка, как мы теперь знаем, является залогом хорошей вязкости. Однако заметный глазу узор получается только в том случае, если частицы цементита достаточно велики и распределены неравномерно в толще металла, тогда как именно от клинков с микроструктурой, не дающей видимого узора, и следовало бы ждать неких выдающихся кондиций.
Для проверки своих идей американцы пытались воспроизвести дамаск в лабораторных условиях. Небольшую стальную отливку с содержанием углерода 1,7% нагревали до светло-желтого свечения (1150 °С) и выдерживали при такой температуре 15 часов. За это время избыточный углерод растворялся в железе, образуя крупноячеистую структуру аустенита. Затем слиток охлаждался со скоростью примерно 10°С в час. При таком постепенном охлаждении образовывалась непрерывная грубая сетка цементита по границам аустенитных зерен. Слиток вторично нагревали до 800°С и раскатывали с восьмикратным обжатием по толщине. В результате этой операции, имитирующей ковку молотом, зерна вытягивались в направлении прокатки, и карбидная сетка разрушалась. Травление поверхности кислотой, разъедающей только железную основу и не действующей на карбиды, выявляло дамасский узор, видимый невооруженным глазом.
Легко заметить идентичность картинок, говорящую о сходстве процессов обработки. Цементитная сетка сжата примерно одинаково, расстояние между слоями составляет около 100 мкм, но прокатанная сталь имеет не такой сложный узор, как кованная:
Предположение, что мелкокристаллические, не дающие рисунка булаты могут иметь более высокие механические характеристики, также полностью оправдалось.
Описанный выше способ получения настоящей булатной стали, вероятно, является лишь одним из многих, которыми могли пользоваться древние мастера. Скорее всего, существовало несколько конкретных вариаций общего принципа, дающих схожие результаты. Можно даже полагать, что на Среднем Востоке умели получать и сверхвысокоуглеродистую сталь, не имевшую дамасского узора. Ученые добились этого путем прокатки стального слитка, нагретого до 1100°С. Во время прокатки слиток постепенно охлаждался с переходом через фазу «аустенит/цементит». Давление вальцов вызывало измельчение аустенитных зерен и выделение цементита в виде мелких, равномерно распределенных частиц, а не грубой сетки. Обработанный металл не имел поверхностного узора.
Полученные таким образом сверхвысокоуглеродистые стали без рисунка имеют при комнатной температуре более высокие показатели прочности и вязкости, чем большинство из применяемых в машиностроении. При температурах же порядка 600-800°С они сверхпластичны, то есть ведут себя подобно аморфным материалам, например, расплавленному стеклу. Это позволяет формовать из них детали сложных очертаний, такие, как шестерни, при минимальных затратах на обработку и используя методы массового производства, что открывает самые широкие возможности для промышленного применения булатных сталей.