Дамасская сталь (стр. 2 из 3)

Фазовая диаграмма железо-углерод является основой для понимания свойств и принципов изготовления дамасских клинков. При нагреве сварочного железа и древесного угля до 1200°С в тигле железо переходит в гранецентрированный аустенит (1). Углерод древесного угля может далее растворяться в железе, понижая его температуру плавления. Как только содержание углерода в поверхностном слое превысит 2%, на поверхности железных частиц появляется слой расплавленного чугуна (2). При медленном охлаждении углерод может диффундировать через металл, образуя сталь со средним содержанием углерода 1,5-2% (3). При падении температуры ниже примерно 1000°С углерод выделяется из раствора по границам зерен в виде сетки цементита (4). Белые линиив узоре дамасской стали являются следами этой сетки. При температуре ниже 727°С происходит превращение гранецентрированного аустенита с образованием чередующихся слоев цементита и низкоуглеродистого объемно-центрированного феррита (5). Клинки закаливали путем нагрева выше 727°С и быстрого охлаждения, при котором аустенит превращается в мартенсит.

Добавка углерода снижала температуру плавления металла. Вследствие этого, как только содержание углерода на поверхности кусков сварочного железа достигало примерно 2%, они покрывались тонким слоем жидкого белого чугуна. Появление расплава определялось по хлюпающему звуку при встряхивании тигля; это означало, что значительное количество углерода уже растворилось в железе.

С этого момента тигель очень медленно охлаждали, иногда в течение нескольких дней. Медленное охлаждение обеспечивало равномерное распределение углерода в стали, с концентрацией 1,5-2%. Когда температура металла становится ниже 1000°С, часть углерода выпадает из раствора и образует сетку карбида железа (Fe3C), или цементита, вокруг зерен аустенита. Так как при медленном охлаждении аустенитные зерна вырастают до крупных размеров, цементитная сетка получается грубой.

Именно эта сетка образовывала видимые узоры на дамасских клинках. Однако цементит имеет определенные отрицательные свойства. У него высокая твердость, но он становится чрезвычайно хрупким при комнатной температуре. Хрупкости способствует сетчатая структура цементита, открывающая пути для распространения трещин. Однако металл в дамасских клинках был не хрупким, а, наоборот, очень вязким. Эту вязкость дамасская сталь приобретала только после ковки, т.е. после разрушения сетки цементита.

Ковка клинков из дамасской стали, вероятно, производилась при относительно низкой температуре. Средневековые кузнецы не могли точно измерять температуру в горне и поэтому руководствовались цветом каления металла. Сталь, нагретая в горне, может менять свой цвет от белого (1200°С) к оранжевому (900°С) и далее к другим тонам. Можно предположить, что дамасскую сталь ковали в диапазоне температур от 850°С (вишневый цвет) до 650°С (кроваво-красный цвет), так как при более высоких температурах происходило бы вторичное растворение цементита в аустените. Если же ковка слитка велась при температуре ниже 850°С, непрерывная цементитная сетка разбивалась на отдельные сферические частицы карбида. Эти частицы еще производили упрочняющий эффект в металле, но последний утрачивал свою хрупкость вследствие разрушения цементитной сетки.

Анализ поверхности дамасских клинков показывает, что они подвергались интенсивной ковке; толщина заготовки при ковке клинка, вероятно, уменьшалась в 3-8 раз. Проведенный авторами эксперимент показал, что сверхвысокоуглеродистые стали действительно обладают высокой вязкостью и легко куются при температуре 850°С. Слитки стали с содержанием углерода 1,3, 1,6 и l,9% подвергались высоким сжимающим деформациям с трехразовым обжатием. Ни на одном из них не было обнаружено трещин. Чугунный слиток при тех же условиях деформирования оказался более хрупким вследствие большего (2,3%) содержания углерода и растрескался по краям.

Одной из возможных причин того, что европейским кузнецам не удавалось изготовить дамасские клинки даже из индийского вуца, может быть то, что они привыкли иметь дело с низкоуглеродистыми сталями, имеющими более высокую температуру плавления. Вероятно, они пытались ковать индийскую сталь при белом калении, когда металл частично расплавлен. При этом могло происходить лишь то, о чем писал Бреан: "При белом калении [дамасская сталь] крошится под молотом".

Дамасские клинки после ковки обычно закаливали термообработкой. Термическая закалка стали осуществляется путем нагрева выше 727°С (температуры превращения объемноцентрированного феррита в гранецентрированный аустенит) и быстрого охлаждения (собственно закалки) в воде или другой среде. Если созданы условия для медленного охлаждения, как при изготовлении вуца, сверхвысокоуглеродистая сталь переходит из аустенитной фазы в перлит, структура которого состоит из чередующихся слоев мягкого бедного углеродом феррита и богатого углеродом цементита. Если же сталь подвергается закалке, то превращение аустенита в перлит подавляется. Получающиеся кристаллы железа являются объемноцентрированными, но имеют не кубическую, а вытянутую тетрагональную форму. Такая структура называется мартенситом. В ней имеются свободные места для атомов углерода, и поэтому она может быть твердой.

По историческим свидетельствам у средневековых кузнецов было много различных рецептов для закалки дамасских клинков, причем они часто придавали важное значение таким деталям, которые современному инженеру представляются фантастическими. Например, некоторые мастера утверждали, что клинки нужно закаливать в моче рыжеволосого мальчика или трехлетней козы, которую три дня кормили только папоротником. Одно из наиболее подробных описаний процедуры закалки дамасской стали (булата) было найдено в храме Балгала в Малой Азии: "Булат нужно нагревать до тех пор, пока он не потеряет блеск и станет как восходящее солнце в пустыне, после чего остудить его до цвета королевского пурпура и затем вонзить в тело могучего раба... Сила раба перейдет в клинок и придаст прочность металлу".

Эту "инструкцию" можно расшифровать следующим образом. Клинок нагревали до высокой температуры, предположительно выше 1000°С (температура "восходящего в пустыне солнца"), затем охлаждали на воздухе примерно до 800°С (до цвета королевского пурпура) и, наконец, погружали в теплую (37°С) полужидкую среду наподобие рассола.

Легко догадаться, что этот рецепт не обеспечивал наилучшие свойства дамасской стали. Нагрев клинка выше 1000°С должен был вызывать вторичное растворение цементита в гранецентрированном аустените; при охлаждении до 800°С должна была восстанавливаться грубая сетчатая структура, ранее разрушенная ковкой. Кроме того, высокая температура должна была давать сравнительно крупное зерно в стали. Оба этих эффекта уменьшали вязкость металла. Клинок, изготовленный по балгальскому рецепту, мог иметь высокую твердость, но оказался бы слишком хрупким и не выдержал бы удара о другой клинок, закаленный после нагрева до температуры лишь немного выше 727°С; последний имел бы и высокую твердость, и вязкость.

Согласно современным теоретическим представлениям в металловедении, наиболее прочными и вязкими сталями оказываются те, которые имеют наименьшие размеры зерен и частиц. Отсюда следует парадоксальный вывод: наилучшими дамасскими клинками должны быть те, которые вообще не имеют "дамасского" узора. Для средневековых мастеров "дамасский" узор, без сомнения, служил формой контроля качества: наличие узора было и признаком высокого содержания углерода в металле, т.е. высокой прочности, и признаком хорошо прокованной структуры, т.е. высокой вязкости. Однако заметный глазу узор получается только в том случае, если частицы цементита достаточно крупны и распределены неравномерно в структуре стали. Клинки с очень тонкой микроструктурой, не дающей видимого узора, вероятно, могут иметь более высокие показатели прочности и вязкости.

Для проверки своих идей относительно состава и производства дамасской стали, авторы попытались воспроизвести "дамаск" в лабораторных условиях. Сначала нагревали небольшую стальную отливку (с содержанием углерода l,7%) до температуры 1150°С (светло-желтый цвет каления) в течение 15 ч. В результате длительного нагрева углерод растворялся в железе, образуя очень грубую структуру аустенита. Затем слиток охлаждали со скоростью примерно 10°С в час. При таком медленном охлаждении образовывалась грубая непрерывная сетка цементита по границам аустенитных зерен.

Влияние ковки на дамасскую сталь было имитировано прокаткой образцов современной сверхвысокоуглеродистой стали. Структура стали показана с увеличением х130 (вверху) и х6,5 (внизу). До прокатки (слева) светлая цементитная сетка была непрерывной, с примерно одинаковым размером ячеек во всех направлениях. После прокатки (справа) сетка удлинилась в направлении прокатки и раздробилась на отдельные сферические частицы. В результате металл стал более вязким (менее хрупким).

Слиток вторично нагревали до 800°С и прокатывали с восьмикратным обжатием по толщине. В результате этой операции, которая имитировала ковку, зерна вытягивались в направлении прокатки и карбидная сетка разрушалась. Травление образца кислотой, разрушающей только железную матрицу и не действующей на карбиды, выявило дамасский узор, видимый невооруженным глазом. Микроструктура образца была удивительно схожа с микроструктурой настоящей дамасской стали (см. рисунок).

Микроструктуры стали в поперечном сечении дамасского клинка (слева) и прокатанного образца сверхвысокоуглеродистой стали (справа). Сходство микроструктур свидетельствует о сходстве процессов обработки. При обработке давлением цементитная сетка сжимается; расстояние между слоями составляет около 100 мкм. Прокатанная сталь имеет все же менее сложный узор, чем кованый клинок.