Загадка булатного узора

В последнее время появились работы, показывающие, что при определенных температурах деформации сверхуглеродистая сталь, содержащая 1,2–2,0 % углерода, может обладать высокой пластичностью и по другим причинам. Главным условием высокой пластичности и даже сверхпластичности является не только дисперсность зерен, но и постоянство их размеров при температуре деформации. Последнее обеспечивается, если в стали образуются очень тонкие частицы цементита (карбидов железа).

Подготовка стали к сверхпластичному состоянию осуществляется сравнительно недавно вновь открытыми методами термомеханической обработки. Сталь нагревают немного выше температуры перлито-аустенитного превращения и выдерживают необходимое время для растворения всех карбидов в аустените. Затем ее непрерывно деформируют, одновременно охлаждая. Это приводит к сильному измельчению аустенита, образованию субзерен и созданию значительного количества рассеянных дислокации. Выпадающие из аустенита по мере его охлаждения тонкие частицы карбидов (цементита) оседают на дислокациях и субзернах.

При температуре 727 °C (см. рис. 2) аустенит начинает превращаться в феррито-цементитную смесь. Дальнейшая непрерывная деформация приводит к образованию сверхтонких зерен феррита с однородным распределением субмикронных частиц цементита. Именно такой материал и обладает сверхпластичностью при 600–650 °C. Так, например, сталь, содержащая 1,6 % углерода, при этих температурах удлиняется перед разрушением более чем на 1000 %. После охлаждения до комнатных температур эта сталь обладала примерно в 2 раза большей прочностью, чем малолегированные инструментальные стали, и не уступала им в пластичности!

Еще выше поднимаются свойства стали после закалки. Мартенсит сверхуглеродистой стали имеет твердость и прочность на излом при сжатии, соизмеримые с карбидом вольфрама — одного из самых прочных и твердых после алмаза материалов. Но карбид вольфрама имеет нулевую пластичность при сжатии, и поэтому разрушается хрупко, в то время как сталь до излома пластически деформируется почти на 10 % и разрушается вязко. Таким образом, высокоуглеродистые заэвтектоидные стали при должной термомеханической обработке могут обладать высокой твердостью, прочностью и достаточно большой вязкостью. Мы уже знаем, что эти качества позволяют затачивать лезвие клинка до необыкновенной остроты.

Высокодисперсные зерна феррита, полученные в результате термомеханической обработки высокоуглеродистых заэвтектоидных сталей, обладают необыкновенно высокой подвижностью атомов на своих границах. При 650–800 °C диффузия атомов железа на поверхность зерна проходит в миллион раз быстрее, чем в его основу. Такие свойства стали должны хорошо обеспечивать ее сварку в процессе ковки. О. Д. Щерби экспериментально показал возможность сравнительно быстрой диффузионной сварки высокоуглеродистой заэвтектоидной стали с мягким железом и низкоуглеродистыми сталями при 800 °C. Им получен слоистый материал, аналогичный сварочному булату (дамасская сталь).

Знаменательно, что не так давно советские ученые А. Бочвар, В. Давыдов и Л. Лушников показали: при определенных условиях обычный чугун также становится сверхпластичным. Оказывается, при определенной температуре и достаточно быстрой деформации опасные изломы и трещины в чугуне не образуются. Зарождавшиеся очаги разрушения быстро «затягиваются». Механизм «затягивания» микротрещин связывают с большой скоростью диффузии, которая достигается лишь тогда, когда зерна металла очень мелкие и имеют круглую форму. Эксперименты с мелкозернистым белым чугуном, содержащим углерода 3,5 %, свидетельствуют, что при 70 °C удлинение образцом достигало 150 %!

Использовали ли древние кузнецы термомеханическую обработку стали для получения ее высоких свойств? Установленные факты позволяют положительно ответить на этот вопрос. Известно, что дамасские оружейники построили между двумя высокими горами мастерскую и вывешивали на сильном ветре раскаленные докрасна после ковки клинки. Подобным образом закаливали сталь и в древней Грузии. Только что откованый горячий клинок кузнец передавал подручному, и тот, мчась верхом на разгоряченном коне, размахивал ям над головой. Эти способы закалки булата непосредственно после ковки в потоке ветра кажутся сегодня романтичными; между тем они как раз и являются своеобразными приемами термомеханической обработки стали.

Совмещение ковки, закалки и отпуска — закономерный прием в технологии производства изделий с мелкозернистой структурой, высокой твердостью и упругостью. Для получения высокой твердости стали ее отпуск после закалки должен быть как можно более низким — при температуре 150 °C. При таком отпуске нельзя получить высокой упругости. Отпуск же при 300 °C обеспечивает высокую упругость, но при этом резко снижается вязкость стали вследствие развития необратимой хрупкости. Более высокая температура отпуска стали повышает вязкость, но снижает упругость.