Юрий Гуревич - Загадка булатного узора

В одном Д. К. Чернов и Н. И. Беляев были совершенно правы: они открыли секрет так называемого «литого булата» Аносова. Дело в том, что в трудах П. П. Аносова есть описание способа производства стали, которая изготовлялась в тиглях путем переплава предварительно науглероженного железа и отливалась в формы. Литая сталь подвергалась длительному отжигу без доступа воздуха в специальных тщательно закупоренных ящиках. Аносов скрупулезно исследовал режимы отжига и установил, что правильно отожженная сталь имела чистую поверхность без следов окалины, хорошую вязкость и крупнозернистое строение. На поверхности стали были видны узоры. Аносов писал: «Отожженная сталь, как имеющая узоры, подобно булатным, должна нести и одинаковые с ней названия. Для отличия от настоящего булата я называю ее литым булатом».

Таким образом, узоры, получающиеся после длительного отжига металла, безусловно связанные с дендритной ликвацией углерода, Аносов не считал «настоящими булатными». К аналогичным выводам пришел впоследствии и Н. И. Беляев: «Будучи далек от мысли воспроизвести лучший коленчатый узор индийских мастеров, я тем не менее даю образы 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.

Подчеркнем: работы Д. К. Чернова, Н. Т. Беляева и Н. И. Беляева по кристаллизации стали и дендритной ликвации примесей заложили основу современной теории кристаллизации и показали ее роль в обеспечении качества стали. Позднее мы увидим, что на основе исследований булата были разработаны и другие важные положения металлургии.

Теперь хорошо известно, что дендритная структура наиболее хорошо выявляется в сталях, имеющих значительное содержание углерода (более 0,8 %,) или легирующих элементов. В литом металле она проявляется сравнительно легко, в деформированном — только продолжительным травлением специальными реактивами. Между тем имеется много свидетельств тому, что булатные узоры выявляются весьма слабыми травителями, в том числе и такими, как соки растений и плодов. Даже чистая вода в присутствии воздуха в течение нескольких минут выявляла булатный узор. Поэтому легкость проявления узора всегда считалась отличительным признаком булата. Мы уже знаем, что в лучших булатах узоры вообще выявлялись непосредственно после полировки.

Надо отдать должное Д. К. Чернову, он первым строго научно объяснил природу булата и связал ее со свойствами этой удивительной стали. Он считал, что при затвердевании сталь распадается на два различных соединения железа с углеродом, которые «играют очень важную роль при назначении такой стали на клинки: при закалке более твердое вещество сильно закаливается, а другое вещество остается слабо закаленным, но так как оба вещества в тонких слоях и фибрах тесно перевиты одно с другим, то получается материал, обладающий одновременно и большей твердостью, и большей вязкостью. Таким образом, оказывается, что булат несравнимо выше лучших сортов стали, приготовленной иными способами».

Первые исследования микроструктуры литого металла привели Д. К. Чернова к открытию закономерностей кристаллизации стального слитка. Это являлось крупным научным достижением, открывающим путь к получению качественных сталей. Все же Д. К. Чернов и Н. Т. Беляев в конце концов поняли, что дендритная теория булатного узора несостоятельна.

Подвергая ковке сталь, нагретую до различных температур, Чернов устанавливает связь между температурой ковки, микроструктурой стали и ее механическими свойствами. Он открывает критические температурные точки, переход через которые существенно изменяет строение и свойства стали. Одна из этих точек, обозначаемая им буквой а, соответствовала темно-вишневому цвету нагретой стали, вторая точка b — красному цвету каления.

Вот как Д. К. Чернов характеризует эти замечательные точки: «Сталь, как бы тверда она ни была, будучи нагрета ниже точки «а», не принимает закалки, как бы быстро ее ни охлаждали, напротив того, она становится значительно мягче и легче обрабатывается пилою». Таким образом, критическая точка «а» характеризует минимальную температуру, от которой сталь начинает принимать закалку. И напротив, «сталь, будучи нагрета ниже точки «b», не изменяет своей структуры — медленно или быстро после того она охлаждается. Как только температура возвысится до точки «b», масса стали быстро переходит из зернистого (или, вообще говоря, кристаллического) в аморфное (воскообразное) состояние». «Аморфная» — это мелкозернистая структура стали, которая надежно обеспечивает ей высокие свойства.

Открытие критических точек превращения стали сделало возможным научно объяснить процессы, происходящие в стали при ее закалке и отпуске. Изучение под микроскопом микроструктуры отожженной и закаленной стали приводит Д. К. Чернова и Н. Т. Беляева к новой гипотезе, объясняющей природу булата. Теперь они представляют булатный узор как «видимый простым глазом перлит». Чтобы понять, что такое перлит и каким образом он может быть связан с булатным узором, необходимо более подробно ознакомиться с превращениями в железоуглеродистых сплавах при их нагревании и охлаждении.

Железо существует в двух полиморфных модификациях: а-железо, которое устойчиво при температурах ниже 910 °C и выше 1390 °C и Y-железо, устойчивое в интервале температур 910°–1390 °C. Кристаллическая решетка а-железа — объемно-центрированный куб, а Y — железа — гранецентрированный. Изменение кристаллической решетки при нагревании и охлаждении называется полиморфизмом. Открытие Д. К. Черновым в 1868 году критических точек превращения стали есть не что иное, как открытие полиморфизма железа.

Мы уже говорили о том, что железо с углеродом образует химическое соединение — цементит (карбид железа). В середине прошлого века английский ученый У. Робертс-Остен показал, что углерод способен также растворяться в твердом железе. В честь его твердый раствор углерода в Y — железе назвали аустенитом. Твердый раствор углерода в а-железе называется ферритом. И в аустените, и в феррите углерод растворим в ограниченных количествах.

С понижением температуры падает растворимость углерода в аустените и феррите, и избыточный углерод выделяется из раствора в виде цементита. В связи с этим Д. К. Чернов указывал, что критические точки превращения аустенита в феррит при охлаждении стали и феррита в аустенит при ее нагревании зависят от содержания в стали углерода. Этим самым он впервые дал представление о диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов. В дальнейшем благодаря работам А. П. Ле-Шателье (1850–1936), А. А. Байкова (1870–1946), Н. Т. Гудцова (1885–1957) и других ученых эта диаграмма была построена.