Перламутровая теория булата

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…».