Юрий Гуревич - Загадка булатного узора

Очень близки по своему строению к булату так называемые естественные композиционные стали, представляющие собой композиции из мягкой матрицы и распределенных в ней высокопрочных волокон второй фазы, значительно более прочной, чем сама матрица.

Подобно тому как в древности люди присматривались к волокнам древесины, чтобы научиться ковкой повышать прочность железа, в наше время — стремятся заимствовать у природы строение и свойства композиционных материалов. Только делается это на высокой научной основе. Известно, что древесина представляет собой композицию целлюлозы с лигнином. Волокна целлюлозы обладают высокой прочностью на разрыв, но низкой на срез. Лигнин связывает волокна в единое целое и сообщает древесине жесткость. На этом принципе и были созданы новые материалы, представляющие собой композицию из мягкой основы (матрицы) и высокопрочных волокон или пластин, выполняющих роль ее арматуры. В таком материале, так же как и в древесине, основную часть нагрузки воспринимают волокна, а матрица служит средой, передающей нагрузку от одного волокна к другому.

Во всяком компактном материале, например в легированных сталях и сплавах, нагрузку воспринимает материал в целом. Поэтому возникшая трещина быстро распространяется и приводит к хрупкому разрушению металла. Чем выше прочность материала, тем меньше его сопротивление хрупкому разрушению. В композиционном материале трещина, возникшая при разрушении прочного волокна или пластины, гасится мягкой матрицей. Поэтому наряду с высокой прочностью такие материалы обладают и высокой вязкостью, и в этом отношении они также как бы продолжают традиционные свойства булатной стали.

Любая доэвтектоидная сталь после закалки по определенному режиму может иметь феррито-мартенситную структуру. Но это еще не композиционный материал. Как же превратить его в композит? Для этого необходимо, чтобы участки мартенсита были слоистыми, то есть имели соизмеримые размеры в двух направлениях и намного меньший размер в третьем. Такую структуру получают при помощи термомеханической обработки.

Для получения композиций с направленной феррито-мартенситной структурой доэвтектоидную сталь прокатывают при температуре, обеспечивающей ей двухфазную структуру — аустенит и феррит (рис. 2). Непосредственно после прокатки сталь закаливают, и слои аустенита превращаются в мартенсит, а феррит остается в прежнем состоянии. Это и приводит к образованию композиции из слоистого мартенсита, расположенного в мягкой ферритной матрице.

Так же как и булатная структура, структура композиционной феррито-мартенситной стали обеспечивает увеличение ее прочности более чем в 2 раза по сравнению с обычной сталью такого же состава. Так же как и в булате, прочные, твердые слои мартенсита соединены с мягкой пластичной ферритной матрицей, и в связи с этим композиционная сталь имеет более высокую вязкость и смещение порога хрупкого разрушения к более низким температурам.

Знаменательно, что идеи Д. К. Чернова о возможности получения булатной структуры, используя структуру эвтектоидного или эвтектического типа, практически полностью воспроизведены в так называемых эвтектических и эвтектоидных композициях. Получение этих композиций связано с использованием различных фазовых превращений в сплавах, в частности с кристаллизацией жидкости (эвтектическое превращение) или с превращением в твердом состоянии (эвтектоидный распад). В результате эвтектического превращения в системе образуются две или более твердые фазы, выпадаемые одновременно в виде механической смеси, называемой эвтектикой.

Одним из наиболее изученных и перспективных способов создания композиционных сплавов такого типа является направленная кристаллизация. Этот способ обеспечивает достаточно резко выраженную физически неоднородную структуру со строгой ориентацией фаз в пространстве. В эвтектических композициях реализуется идеальная структура — высокопрочные нитевидные кристаллы армируют пластичную и вязкую матрицу.

Не может быть сомнений в том, что, если бы П. П. Аносову предъявили такую структуру, он ее тотчас же назвал бы булатом…

Очень высокая прочность и большая твердость материала достигается в искусственных композициях, которые еще в большей степени повторяют структуру булата. Принцип их создания давно известен. Подобно тому как в природном бамбуке мягкая целлюлозная матрица упрочняется жесткими и прочными нитями окиси кремния, принцип создания искусственных композиций заключается в сочетании (соединении) разнородных материалов. Еще в Древней Греции при строительстве Парфенонского храма широко использовались комбинированные материалы. Мраморные колонны храма армировались железными стержнями. В XVI веке при постройке храма Василия Блаженного в Москве знаменитые русские зодчие Барма и Постник применяли каменные плиты, армированные стальными полосами. Давно известен железобетон, который состоит из бетона, работающего на сжатие, и стальной арматуры, работающей на растяжение.

Новые композиционные материалы отличаются от обычных традиционных сплавов прежде всего булатной неравновесной структурой и очень высокими механическими свойствами.

Длительное время в качестве инструмента для обработки твердых материалов использовали алмаз. В производстве лампочек накаливания для волочения вольфрамовой нити применяли исключительно алмазные фильеры. Особенно дорого стоили алмазные фильеры для протяжки проволок больших диаметров. Естественно, что дорогостоящие и дефицитные алмазы всячески старались заменить каким-либо другим по возможности равноценным и дешевым материалом.

В начале XX века появились исследования, показывающие, что алмаз можно заменить твердыми и тугоплавкими, но более дешевыми карбидами металлов. Лучше всего для этой цели подходил карбид вольфрама. Попытки применить литой карбид вольфрама но дали положительных результатов — изделия имели низкую прочность и высокую хрупкость. Дальнейшие поиски показали, что хрупкость карбида вольфрама можно несколько уменьшить при сохранении высокой твердости посредством добавления железа, никеля и лучше всего кобальта. В 1923 году в Германии патентуется способ спекания карбида вольфрама с применением в качестве цементирующей связки кобальта до 10 %. В более поздних патентах содержание кобальта увеличивается ДО 20 %.

Положительный опыт использования твердых сплавов при волочении вольфрамовой проволоки открыл широкий путь для применения этого материала не только для фильер, но и в других областях техники в качестве твердосплавного режущего инструмента. Так, изделие, предназначенное для одной узкой цели — производства лампочек накаливания с вольфрамовой нитью, — получило совершенно непредвиденное вначале универсальное значение.