Михаил Васильев - Металлы и человек

Знали и о том, что разные методы закалки придают тем или иным сортам разные свойства. Но объяснить это не могли, ибо не представляли себе тех внутренних превращений, которые вершатся в металле при его разогреве и охлаждении.

Мы сможем ответить на этот вопрос, глядя на диаграмму состояния сплавов железо — углерод, о которой говорилось в прошлой главе.

…Седобородый кузнец положил стальной брусок в горн. Подручные взялись за привод мехов. Струи воздуха добела разогрели куски каменного угля. Синий дымок угара поднялся к потолку.

Кузнец внимательно следит за нагревом металла, Он знает, прозевает немного, перегреет металл — и он сгорит. Ничего уже не сделаешь из него, хрупкого, рассыпающегося под ударами молота. Нельзя и недогреть металла — он не примет закалки, лопнет при проковке. Опыт, чутье — не зря в течение многих веков профессия кузнеца приравнивалась к искусству — подсказывают ему нужный момент.

Воспитание характера.

Кузнец не знает, что в нагреваемом куске металла происходят чудесные превращения. При температуре 723 градуса начинается перекристаллизация металла. Она кончается где-то около 800 градусов, выше или ниже в зависимости от содержания углерода. Вновь возникшие кристаллы железа обладают свойством растворять в себе углерод. Металл клинка, нагретый до этой температуры, и является твердым раствором углерода в железе. Эту структуру называют аустенитом. Мы встречались уже с этим словом.

Если теперь медленно охлаждать металл, все пойдет в обратном порядке: при перекристаллизации из кристаллов будет выброшен цементит— химическое соединение углерода с железом, а в них останется минимальное количество углерода, растворенного в новых кристаллах. Но… но кузнец берет желто-белый, словно бы даже просвечивающий, клинок и кладет его на наковальню. Быстро прыгают по металлу легкий молоток кузнеца — он показывает, куда нанести удар, и тяжелая кувалда молотобойца. И вот на наковальне уже лежит узкое лезвие клинка. Кузнец не раздумывает, — некогда. Он хочет все довершить за один нагрев. И подхваченный клещами клинок падает в воду.

Металл при этом охлаждается так быстро, что за то время, пока его температура уменьшается от 800 с чем-то градусов до 723, перекристаллизация произойти не успевает. И аустенитная структура металла попадает в ту температурную зону, в которой она не должна существовать. Но в то же время она не может и превратиться в другую — ведь такое превращение невозможно при температуре ниже 723 градусов.

Так и бывает со многими сталями. Они остаются при нормальной комнатной температуре с той же структурой, какая у них была в горне кузнеца. Такие стали называются аустенитными. К ним относятся многие легированные стали.

У обыкновенных углеродистых сталей при температуре 300–400 градусов все-таки происходит перекристаллизация металла. Но углерод уже не выбрасывается из кристаллов: получается пересыщенный твердый раствор углерода в обычной для комнатной температуры кристаллической решетке железа. Такая структура стали называется мартенситом. Он-то и обладает высокими качествами закаленной стали.

Кузнец достает закаленный металл. Да, это уже не мягкое железо! Оно стало в десять раз тверже, значительно более упруго. Может быть, об этом клинке строки русского поэта:

Так, но и не только так производили закалку древние кузнецы.

Летопись храма Балгала в Малой Азии, написанная примерно в то же время, что и «Одиссея», рекомендует такой способ закалки кинжалов: «Нагреть, пока он не засветится, как восходящее в пустыне солнце, затем охладить его до цвета царского пурпура, погружая в тело мускулистого раба… Сила раба, переходя в кинжал, и придаст металлу твердость».

В аналогичном документе, найденном в Сирии, рецепт звучит несколько по-другому. Кинжал рекомендуют закалять, неоднократно вонзая его в раскаленном виде в мясистые части тела раба эфиопа. Оговорено даже, что раба поставляет заказчик — человек, для которого изготовляют кинжал.

Рассказывают, что древние кузнецы Востока, мастера, делавшие таинственный булат, отковав меч, вручали его всаднику, и тот во весь опор скакал с ним, разрубая встречный ветер бешеными ударами алого клинка.

Охлаждали закаливаемый металл в проточной и стоячей воде, в жидкостях разнообразнейших составов. Да и сегодня закалку производят сотнями различных способов — в растворах и расплавах солей, в маслах, в струе воздуха, в воде, в расплавленных металлах и т. д.

Ныне разгадан древний секрет причудливого булатного узора.

Существует закалка ступенчатая, когда температуру металла быстро снижают до 300–400 градусов, а затем охлаждают медленно. Существует закалка прерывистая, закалка в двух охладителях. Существует закалка до температур, лежащих далеко ниже нуля градусов. Ну, конечно, не какими-то «закалочными» свойствами, в которые верили древние и средневековые кузнецы, объясняется выбор сред для закалки, а их способностью быстрее или медленнее отнимать у металла тепло, обеспечивая более благоприятный именно для этой марки стали режим охлаждения. А закалка при температурах ниже нуля, закалка холодом, производится для тех сталей, у которых превращение аустенита в мартенсит не идет до конца при обычных, комнатных температурах.

Закалке можно подвергать не только стали. Сплавы цветных металлов также изменяют свои свойства в зависимости от той или иной термической обработки.

Древние знали только закалку сталей и сплавов олова и меди — бронз. В начале века знаменитый русский металлург А. А. Байков открыл закалку сплава меди с сурьмой. Затем установили свойство принимать закалку у некоторых сплавов алюминия, магния, меди, свинца, платины, никеля, золота и других цветных металлов.

Закалка возможна в тех случаях, когда сплав претерпевает при повышении температуры какие-то внутренние структурные изменения. Закалка позволяет структурные состояния, обычные при высокой температуре, привести в область низких температур. И, конечно, далеко не всегда это приводит к тем же изменениям свойств сплава, что и при закалке стали. Сплав золота и меди ведет себя, например, совсем не так, как железа с углеродом. При быстром охлаждении золото-медного сплава он приобретает мягкость и пластичность. Наоборот, медленный отжиг сообщает ему твердость и хрупкость. Диаграммы состояний, составленные для многих сплавов, позволяют заранее предвидеть, может ли изменить свойства этого сплава та или иная термообработка.