Рецепт есть, булата нет

На рабочем столе Владимира Ильича Ленина, в его кабинете в Кремле лежит нож для разрезания бумаг — это подарок златоустовских рабочих, сделанный Ленину в 1921 году. Стальной клинок ножа украшен тонким чернением и эмалевым орнаментом. Ручка черного дерева — отличной ручной работы. На лезвии ножа изображены корпуса оружейной фабрики и вытравлена надпись: «Товарищу Ленину. Златоустовская оружейная фабрика». Окантовка рисунка и надпись выполнены золотом.

Ленин хорошо знал златоустовскую сталь и ценил ее высокое качество. Он очень любил свой охотничий «булат», клинок которого был изготовлен еще в конце XIX века. Этот нож в деревянных ножнах, с рисунком на лезвии, изображающим два ружья, охотничью сумку и оленьи рога, был преподнесен ему в апреле 1920 года, в честь его пятидесятилетия рабочими Златоуста.

Умели ли в Златоусте делать булат в конце XIX века? Однозначно ответить на этот вопрос трудно. Целесообразнее внимательно проанализировать некоторые исторические факты.

Незаменимым помощником П. П. Аносова при изготовлении булатных слитков был выдающийся стальных дел мастер Николай Иванович Швецов. Он был родом из крепостных, потомственных «варовщиков» (сталеваров). Его дед Макар Швецов варил железо на якорной фабрике Боткинского завода. Отец Николая Ивановича был куплен екатеринбургским начальством и привезен в Златоуст. За проявленное усердие в работе Николай Иванович получил «вольную», которая освобождала его семью от «телесного наказания за провины». Н. И. Швецов грамоте обучен не был, но лучше его никто не мог «прочитать» родословную любой стали. Осмотрев кусок металла, он мог определить, как выплавлена сталь, как откована, равномерно ли нагрета под ковку, правильно ли закалена. По излому стали и размеру ее зерен он безошибочно предсказывал ее свойства.

После того как П. П. Аносов в 1847 году стал томским гражданским губернатором, начальником Алтайских горных заводов и уехал из Златоуста, Н. И. Швецов продолжал плавить булат. Он был человеком скрытным и приемы изготовления узорчатой стали держал при себе. Четверо его сыновей работали на Златоустовском заводе, но секреты производства булата он доверил только старшему — Павлу.

Павел Николаевич Швецов с семи лет уже ходил с отцом на завод. После окончания горнозаводской школы он освоил профессии слесаря, токаря по сверлению ружейных стволов и машиниста воздуходувной машины. Лишь в 1880 году он стал сталелитейным мастером и проработал на этой должности почти 45 лет. Высокого роста, худой и седой, в очках и фартуке, он напоминал колдуна, когда смешивал различные порошки при составлении шихты для варки стали. Павел Николаевич был человеком строгого и молчаливого нрава, он никогда никому не объяснял, что и зачем делает. Он сам плавил сталь, сам изготовлял из нее клинки и различный инструмент, сам определял их структуру и качество.

В 50-х годах прошлого века производство булатной стали на Златоустовском заводе резко сократилось, ее готовили только по специальным заказам. Это, возможно, было связано с тем, что в это время горный инженер П. М. Обухов организовал широкое производство тигельной стали для отливки пушечных стволов. Есть также сведения, что вплоть до 1875 года отдельные заготовки булата, сделанного ещё во времена П. П. Аносова, хранились на заводском складе и употреблялись только для такого инструмента, которому нужна была очень высокая твердость и стойкость.

П. Г. Бояршинов, который с 1902 года работал на заводе рядом с П. Н. Швецовым, рассказывал о таком случае. В 1905 году, возвращаясь с русско-японской войны, в Златоусте остановился какой-то высокий чин, Офицер обратился к управителю завода с просьбой сделать ему такую шашку, которая бы рубила все существующие в заграничных армиях клинки, оставаясь целой и невредимой. Офицер объяснил: он поспорил с ехавшими с ним в поезде иностранными военными, утверждая, что шашки, изготовленные златоустовскими мастерами, имеют значительно более высокое качество, чем лучшие заграничные. Управитель завода и приехавший офицер уговорили П. Н. Швецова заняться этим заказом. П. Г. Бояршинов и мастер К. К. Моисеев помогали своему учителю отливать слиточки булата.

В печи Сименса на 28 тиглей булат готовили только в одном тигле, который ставили в самое горячее место печи. В тигель с булатом загружали не более 8 кг шихты, в то время как в тигли с обыкновенной сталью закладывали 30–32 кг металла. После окончания плавки сталь медленно охлаждали. Полученный слиточек в виде хлебца медленно подогревали до красного каления, надрубали зубилом и раскалывали под молотом пополам. С половинок снимали внешнюю корку, подогревали на горне и клали разрезанной плоскостью на наковальню. Ковали заготовку на полосу сечением 25Х40 мм, из которой специальными приемами делался клинок. Нагрев под закалку и отпуск осуществляли в ваннах с расплавленным свинцом. Для травления клинка применяли пивной уксус в смеси со слабой соляной кислотой.

Подобным образом в конце 1905 года Швецов отлил много слиточков булата разного состава, делал из них клинки, но качество их ему пока не нравилось. Таким образом, у П. Н. Швецова булат получался не всегда.

«Прихожу я однажды на работу, — вспоминал П. Г. Бояршинов, — а Павел Николаевич вынимает из шкафа грубо отполированный клинок и говорит: «Вот это наконец-то то, что надо. Наши шашки рубит. А раз наши рубит, то обязательно будет рубить и заграничные».

Сдал П. Н. Швецов клинок на оружейную фабрику, сделали там из него шашку, отполировали, красиво отделали, поставили марку завода и послали тому самому офицеру. А через некоторое время управителю завода пришло письмо, в котором сообщалось, что пари офицер выиграл, а мастера за выполнение заказа благодарит и награждает вместе с помощниками деньгами.

В Златоустовском музее можно увидеть поковку булата, приготовленную П. И. Швецовым. Сохранились также образцы его клинков с ярко выраженным волнистым рисунком (фото 4). Но самое важное, что в этом музее хранится записная книжка П. Н. Швецова, в которой он отмечал составы шихты и результаты опытных плавок. Начало записей относится к 1883 году. Из них можно заключить, что автор готовил в тиглях не только булат, но и сплавы с кремнием, молибденом, ванадием, титаном и изучал их свойства. Интересно, что в этих же тиглях из руд и сырых материалов приготовлялись ферросплавы.

Еще в 1884 году П. Н. Швецов сплавлял железо с хромом и получал высокохромистую нержавеющую сталь. Он плавил также быстрорежущую инструментальную сталь, которую называл «самозакалкой». В 1903 году завод заключил договор с австрийской фирмой «Бр. Беллер» на поставку инструментальной стали марки «рапид». Особые пункты договора охраняли исключительное право фирмы на рецепты приготовления этой стали и на сбыт ее в России и за границей в течение последующих 10 лет. В короткий срок в Златоусте было освоено производство стали «рапид», но при этом выяснилось, что «самозакалка» Швецова ей не уступает. Договор с фирмой был досрочно расторгнут, на заводе начали плавить швецовскую инструментальную сталь, которая долгое время была известна под названием «рапид-самокалка».

В записной книжке Швецова часто упоминается «Ломъ булата» или «булат». Помечено, что свойства булата достигались при плавке шихты, состоящей из 1,5 фунта кричного железа, 0,25 фунта зеркального чугуна, 1,5 золотников синеродистого калия и 0,5 золотников марганцовистого чугуна. В 1906 году П. Н. Швецов продал рецепты приготовления булата дирекции Златоустовского завода. Рецепты были, а булата — не было. После 1905 года в Златоусте никто делать булата уже не умел. Секрет его получения вновь оказался безвозвратно потерянным…

Чем же объяснить, что еще при жизни П. Н. Швецова перестали плавить узорчатую сталь? Ответ на этот вопрос сравнительно прост. Дело в том, что в начале XX века изобретают и начинают широко применять легированные стали. Физико-механические свойства таких сталей гораздо выше не только углеродистых, но и булатных. Нет ничего удивительного, что ещё француз Беотье и другие западные металлурги принимали за булат хромистую сталь.

Старожилы Златоуста любят рассказывать такой случай. В 20-е годы кавалерийские сабли и шашки делались уже из стали, содержащей примерно 3 % хрома. Однажды на завод попал известный военный кавалерист и, увидев булатные сабли, поинтересовался, насколько лучше они современных. Ему разрешили «рубануть» современной шашкой по булатной и… на булатной сабле осталась зазубрина! Хром, молибден, вольфрам и другие легирующие элементы так повышают твердость и прочность стали после закалки, что булату с ней тягаться не под силу. Вот почему легированные марки стали, получаемые тигельным процессом, часто принимали за булат. Так, например, мастер К. К. Моисеев утверждал, что ему приходилось лично в 1920–1925 годах плавить «булат» следующего состава (в%): углерод — 1,55–1,44; хром — 0,7–0,8; марганец — 1,52–1,64; вольфрам — 0,69–0,86. Конечно, свойства этой легированной стали не уступали булату!

Таким образом, в начале XX века легированные стали позволяли получать холодное оружие и инструмент очень высокого качества. Необходимость приготовления булата полностью отпала.

 

Узорчатая сталь? Сколько угодно!

В XIX веке последователи Аносова, известные русские металлурги П. М. Обухов, А. С. Лавров, Н. В. Калакуцкий развивали его идеи о получении совершенной стали, искали научные обоснования металлургических процессов. Так, например, А. С. Лавров изучал строение стального слитка, впервые применил алюминий для удаления кислорода из стали, выдвинул идею подогрева верхней части слитка термитными смесями для того, чтобы уменьшить его усадку и увеличить выход годного металла. Совместно с Н. В. Калакуцким он открыл и объяснил ликвацию стали — неравномерное распределение примесей в объеме слитка. Работы Аносова и его последователей продолжил выдающийся ученый-металлург Д. К. Чернов, обобщения и открытия которого в начале XX века завершили формирование металлургии как пауки.

В 1878 году Д. К. Чернов описал характер затвердевания (кристаллизации) стали и показал особенности перехода ее из жидкого в твердое состояние. Он разработал схему образования кристаллов в жидком металле, исходя из того, что они состоят из дендритов — древовидных образований. Чернов собрал большую коллекцию кристаллов, которые были извлечены из стальных слитков. Некоторые из них достигали размеров 3–5 мм.

Однажды полковник А. Г. Берсенев, служивший приемщиком на металлургическом заводе, нашел в груде стального лома на шихтовом дворе огромный кристалл. В собрании Чернова это был самый крупный дендрит — он весил почти 3,5 кг и имел длину около 40 см. Вскоре он стал широко известен как «кристалл Чернова».

Величину дендритов Д. К. Чернов связывал с условиями охлаждения стали: «Если расплавленную в тигле сталь вы будете при охлаждении приводить постоянно в сильное сотрясение, достаточное для того, чтобы все частицы ее приходили в движение, тогда слиток будет иметь чрезвычайно мелкие кристаллы, — писал Д. К. Чернов, — если же эту сталь оставить без всякого сотрясения и дать массе спокойно и медленно охлаждаться, тогда у вас эта же сталь получится в крупных, хорошо развитых кристаллах».

Склонность стали к кристаллизации, форма кристаллов и их взаимное расположение зависят не только от условий кристаллизации, но и от химического состава стали, степени ее загрязнения вредными примесями. Чем меньше примесей в стали, тем легче получить при кристаллизации ее крупные кристаллы. Исходя из этого, Д. К. Чернов считал, что первоначальная крупная кристаллическая структура является первоосновой булатного узора. Это утверждение как будто совпадало с рекомендациями П. П. Аносова, который писал, что «для получения совершенного булата» необходимы особой чистоты материалы, «сильный жар во время плавки», «медленное охлаждение тигля» и «наименьшее нагревание при ковке».

По указанию Д. К. Чернова его сотрудники не раз пробовали плавить булат. Они брали железо, чистое по фосфору и сере, сплавляли его с серебристым графитом в присутствии окалины и флюса, сильно нагревали и медленно охлаждали в огнеупорных тиглях. Поверхность слитков шлифовали, полировали и травили кислотой. И действительно, слитки имели ярко выраженные древовидные узоры. Елочки со стройными стволами и строго симметричными ветвями отбрасывали серебристые тени и были очень красивы. Слитки разрезали, вновь шлифовали, полировали, травили, и узоры повторялись, они были присущи всему объему металла.

Остался, казалось бы, пустяк: известными приемами ковки сплести стволы и ветви узора так, чтобы получить рисунок, характерный для булатов. Но как раз это не получалось. Д. К. Чернов твердо установил, что нагрев стали под ковку до обычных температур (800–1100 °C) невозвратимо уничтожает дендритные узоры…

Для того чтобы сохранить узоры, необходимо ковать сталь при достаточно низкой температуре, считал Д. К. Чернов. Если это соблюдено, то нарушения кристаллического строения не происходит, в «сплетения» кристаллов должны изменить свой вид так или иначе, более или менее в зависимости от направления и степени вытягивания при обработке. Поэтому, выковав пластинку и вытравив кислотой ее шлифованную поверхность, получают узор иного вида, с красивыми линиями или вроде фибр дерева, например дуба. Однако найти температуру ковки, при которой бы сохранялись узоры, не удавалось. И Чернов долго считал, что искусство древних кузнецов основывалось на знании секретов пластической деформации стали при «наименьшем нагревании».

Позднее Чернов объяснял свойства булата не только «сплетением» кристаллов, но и ликвацией углерода. Когда булатный слиток остывает, то первой начинает кристаллизоваться более тугоплавкая малоуглеродистая сталь. Между дендритами этой стали располагаются возникающие позже кристаллики менее тугоплавкой высокоуглеродистой стали. Поэтому и получается сложное переплетение твердых и пластичных кристаллов. Описанное явление сегодня широко известно как дендритная, или внутрикристаллическая, ликвация углерода.

Дендритная ликвация углерода и легирующих элементов оказывает значительное влияние на свойства легированных сталей после горячей деформации. Этому явлению, открытому Д. К. Черновым, уже в наше время посвящено немало научных работ.

Ученик Чернова Н. Т. Беляев, понимая невозможность превратить в булатный узор дендритную структуру литого металла путем низкотемпературной деформации, несколько иначе излагает взгляды своего учителя на происхождение булатного узора. Он обращает внимание на то обстоятельство, что при медленном охлаждении стали ветви дендритов «состоят из последовательного ряда концентрических оболочек попеременно меняющегося состава, что и влечет за собой появление в вытравленном рисунке булата концентрических очертаний и часто замкнутых фигур». Другими словами, Н. Т. Беляев утверждает, что благодаря дендритной ликвации углерода булатный узор появляется в слитке еще до того, как его подвергают ковке. Поскольку в данном случае выявление дендритной структуры связано с участками, обогащенными или обедненными углеродом, оно должно происходить и после высокотемпературной деформации металла.

Экспериментальной проверкой этой теории булатного узора занялся другой ученик Д. К. Чернова — Н. И. Беляев. Он проковал в пластины два одинаковых куска стали, содержащей 1,35 % углерода, и подверг их длительному отжигу. После этого один кусок ковался при температуре 65°, а другой — при 1000 °C. Оба шлифа были протравлены на дендритную структуру. При высокотемпературной ковке дендритная структура выявлялась после закалки образцов. Это дало основание Н. И. Беляеву связать булатный узор с дендритной ликвацией углерода и подтвердить теорию своего учителя.

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».

 

Перламутровая теория булата

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.

Что же такое диаграмма состояния? Диаграмма состояния — это графическое изображение областей устойчивости фаз в зависимости от температуры и состава сплава. На рис. 2 показан левый нижний угол диаграммы железо — углерод. По оси ординат отложена температура сплава, по оси абсцисс — содержание (концентрация) углерода в железе.

Рис. 2 Диаграмма железо-углерод

Рассмотрим подробнее представленную часть диаграммы. Линия GS ограничивает область существования аустенита. Точки этой линии показывают начало превращения аустенита в феррит при охлаждении сплава и окончание превращения феррита в аустенит при нагревании. С увеличением концентрации углерода в аусте-ните до 0,8 %, температура начала его превращения в феррит падает, и по достижении этой концентрации (точка S) она соответствует 727 °C. Поэтому при охлаждении сплавов с содержанием углерода более 0,02 % и менее 0,80 % в интервале температур 911–727° происходит превращение аустенита в феррит, а при нагревании — феррита в аустенит. Таким образом, в области между линиями GS и PS структура сплавов всегда двухфазная, состоящая из феррита и аустенита. Аустенит полностью превращается в феррит при охлаждении сплава ниже температуры 727 °C (линия PS). Эта же температура определяет начало превращения феррита в аустенит при нагревании сплава.

В правой части диаграммы линия SE также ограничивает область существования аустенита. Точки этой линии показывают, что с падением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается. С понижением температуры от 1147 до 727 °C предельная концентрация углерода в аустените изменяется от 2,11 до 0,8 %. Поэтому при охлаждении сплавов указанных составов до температур ниже 1147 °C из аустенита выпадает цементит. В области между линиями SE и SK структура сплавов двухфазная, состоящая из аустенита и цементита.

При температуре 727 °C концентрация углерода в еустените определяется точкой 5 на линии PSK и соответствует 0,8 %. Предельная концентрация углерода в феррите при этой же температуре определяется точкой Р на линии PSK, она соответствует всего 0,02 % углерода. Следовательно, аустенит, содержащий 0,8 % углерода, при охлаждении сплава до 727 °C превращается в феррит, содержащий 0,02 % углерода. Избыток углерода выделяется из аустенита в виде цементита. Таким образом, при температуре 727 °C аустенит распадается одновременно на две фазы: феррит и цементит. Эти фазы выделяются в виде механической смеси. Превращение аустенита в феррито-цементитную смесь при 727 °C характерно для всех сталей.

Распад аустенита при 727 °C на феррит и цементит называется эвтектоидным превращением, а получающаяся в результате распада феррито-цементитная структура — эвтектоидом. Невооруженным глазом увидеть феррито-цементитную смесь невозможно. Под микроскопом, при увеличениях в десятки и сотни раз, двухфазная структура эвтектоида напоминает перламутр, сложенный из светлых пластинок феррита, чередующихся с темными пластинками цементита. Поэтому двухфазная структура эвтектоида была названа перлитом.

Стали, содержащие углерода до 0,8 %, называются доэвтектоидными. После медленного охлаждения их структура состоит из феррита и перлита. Стали, содержащие углерода более 0,8 %, называются заэвтектоидными. Их структура после медленного охлаждения состоит из перлита и включений цементита. В стали, содержащей 0,8 % углерода, весь аустенит превращается в перлит, поэтому после медленного охлаждения структура такой стали будет представлять собой пластинчатый перлит. Такая сталь называется эвтектоидной.

Если сравнить пластинчатый перлит с узором клинка кинжала, сделанного из аносовского булата (см. фото 3), то мы увидим: внешнее сходство поразительное! Теперь совершенно понятно, почему Д. К. Чернов и Н. Т. Беляев пытались связать булатный узор с перлитной структурой стали. Н. Т. Беляев даже пробовал классифицировать перлит по признакам булатного узора…

Перлитом можно не только объяснить узор булата, но и обосновать его свойства. Дело в том, что феррит является пластичным и вязким материалом, а цементит — твердым и прочным. Так же как и булат, перлит как будто совмещает в себе прямопротивоположные качества: пластичность и твердость, вязкость и прочность!

Итак, Д. К. Чернов и Н. Т. Беляев выдвинули гипотезу: булатный узор — перлит, полученный каким-то неизвестным способом, обеспечивающим рост пластинок феррита и цементита до таких размеров, что они видны невооруженным глазом. Однако никакого экспериментального материала, связывающего перлит с булатным узором, получить не удалось. Металлурги ни разу не получали перлита, в котором бы величина пластинок феррита и цементита была бы соизмерима с булатным узором.

В связи с этим Н. Т. Беляев выдвигает новую гипотезу: булатный узор является результатом структурного равновесия между ферритом и цементитом. Поводом для этой гипотезы послужили опыты металлурга Г. Геренса, который обнаружил в перлите белых чугунов структурно-свободный цементит. Рассматривая условия, предложенные Аносовым для отжига «литых булатов», Н. Т. Беляев находит, что они в точности совпадают с опытами Геренса. Гипотезу Н. Т. Беляева поддерживает известный металлург начала XX века В. П. Ижевский.

Нагревом заэвтектоидной стали (1,4–1,8 % углерода) выше перлитного превращения (727 °C) и длительной выдержкой при температурах ниже перлитного превращения (720°–700 °C) удается получить резкую ликвацию углерода. В стали появляются участки структурно-свободного феррита и групповые скопления коагулированных (сгруппировавшихся) частиц цементита.

Казалось бы, металлурги наконец-то получили ключ к разгадке тайны булатных узоров. Но, увы, вскоре сами авторы гипотезы признают ее несостоятельность: хорошо известно, что булатные узоры сохраняются и после закалки стали в то время, как структура «феррито-цементитного узора» после закалки на мартенсит традиционными способами сохраниться не может. Чтобы это хорошо понять, необходимо сделать еще один экскурс в металловедение и познакомиться с основами теории закалки и отпуска стали.

Что же происходит при закалке стали? Свойства стали зависят от ее структуры. Оказывается, структура стали данного химического состава изменяется после нагревания и последующего охлаждения с той или иной скоростью. При нагревании сплава железо — углерод до температур, соответствующих области выше линии GSE (см. рис. 2), он приобретает аустенитную структуру. При разных скоростях охлаждения аустенита получают разные структуры охлажденной стали.

Если эвтектоидную сталь (0,8 %, углерода) медленно охлаждать от температур выше 727 °C, то произойдет полный распад аустенита с образованием пластинчатого перлита. Распад аустенита можно условно разделить на следующие процессы:

1. Превращение аустенита в феррит. Этот процесс состоит в перегруппировке атомов железа таким образом, что решетка гранецентрированного куба Y-железа переходит в решетку объемно-центрированного куба а-железа.

2. В результате смещения атомов углерода и пересыщения этим компонентом твердого раствора из него выделяются частицы цементита (карбида железа).

3. Выделившиеся частицы цементита растут и образуют прослойки в феррите.

Как мы уже говорили, после медленного охлаждения углеродистая сталь имеет структуру пластинчатого перлита, хорошо видимую под микроскопом при увеличении в 100 раз. При ускорении охлаждения до 50° в секунду третий процесс превращения не успевает закончиться, поэтому размеры пластинок цементита уменьшаются, и они становятся различимы только при увеличениях в тысячи раз. Такая структура в честь английского ученого конца XIX — начала XX века Г. К. Сорби была названа сорбитом.

При ускорении охлаждения до 100° в секунду полностью успевает завершиться только второй процесс превращения, а третий останавливается в самом начале. Теперь уже пластинки цементита видны лишь при громадных увеличениях в десятки тысяч раз. Они различимы только под электронным микроскопом. Такая структура в честь французского химика Л. Ж. Трооста (XIX — начало XX века) названа трооститом.

Наконец, при скорости охлаждения аустенита больше критической (порядка 150–200° в секунду) уже и второй и третий процессы распада не успевают совершиться; завершается лишь перегруппировка атомов железа, а углерод вынужденно остается в твердом растворе а-железа, сильно пересыщая его. Такая структура в честь немецкого металловеда А. Мартенса (вторая половина XIX — начало XX века)" названа мартенситом. Мартенситной структуре соответствует наиболее высокая твердость и прочность стали. Таким образом, если перлит, сорбит и троостит — двухфазные структуры, представляющие собой смесь феррита и цементита, то мартенсит — структура однофазная, это твердый пересыщенный раствор углерода в а-железе.

Закалка стали состоит в ее нагреве на 30–50 °C выше температуры начала устойчивости аустенита и быстром охлаждении. Обычно при закалке стремятся получить мартенситную структуру. Для устранения больших напряжений в стали, получающихся под действием резкого охлаждения при закалке, сталь после закалки подвергают отпуску. Отпуск стали заключается в ее нагреве до температур ниже 727 °C и последующем охлаждении. При отпуске структура стали из мартенсита закалки переходит в мартенсит отпуска, троостит отпуска или сорбит отпуска. Пластичные и вязкие своиства стали после отпуска улучшаются, а твердость и прочность падают.

Совершенно понятно, что булатные клинки, знаменитые своей твердостью и режущими свойствами, по крайней мере в поверхностных слоях закаливались на мартенсит. Под микроскопом мартенсит представляет собой игольчатую структуру. Иглы мартенсита располагаются закономерно, образуя углы в 60 или 120°. Поэтому после закалки булата пластинчатая структура перлита сохраняться не может. Все же, как будет показано в дальнейшем, на основе феррито-мартенситной структуры можно получать композиционные стали с высокими свойствами.

Выдающийся ученик и последователь Д. К. Чернова в области металловедения и термообработки Н. И. Беляев хорошо понимал недостатки теории, объясняющей булатный узор «структурным равновесием феррита и цементита». Он писал: «Знакомство наше с микроструктурой стали не только не помогало, а скорее мешало разобраться в этом интересном вопросе, так как приводило или к абсурдному объяснению узора булата развитием пластинчатого перлита до размеров, видимых простым глазом (профессор Чернов и др.), или к объяснению узора булата с точки зрения структурного равновесия».

В 1911 году Н. И. Беляев, наиболее обстоятельно изучивший к этому времени вопрос о булате, приходит к совсем пессимистическим выводам: «Грустно сознавать, что современная наука не вооружена еще настолько, чтобы ясно и определенно ответить на вопросы: что такое булат с его непременным спутником — узором и чем, собственно, объясняются те высокие механические свойства, какими обладают изделия, изготовленные из булата…».