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°С и выше 1390°С и Y-железо, устойчивое в ин­тервале температур 910°—1390°С. 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

Рис. 2 Диаграмма железо-углерод

диаграммы железо—углерод. По оси ординат отложена темпе­ратура сплава, по оси абсцисс — содержание (концент­рация) углерода в железе.

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°С. 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°С (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'С предельная концент­рация углерода в аустените изменяется от 2,11 до 0,8%. Поэтому при охлаждении сплавов указанных составов до температур ниже 1147°С из аустенита выпадает це­ментит. В области между линиями SE и SK структура сплавов двухфазная, состоящая из аустенита и цемен­тита.

При температуре 727°С 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°С превращает­ся в феррит, содержащий 0,02% углерода. Избыток уг­лерода выделяется из аустенита в виде цементита. Та­ким образом, при температуре 727°С аустенит распа­дается одновременно на две фазы: феррит и цементит. Эти фазы выделяются в виде механической смеси. Пре­вращение аустенита в феррито-цементитную смесь при 727°С характерно для всех сталей.

Распад аустенита при 727°С 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 заэвтектоиднои стали (1,4—1,8 % углеро­да) выше перлитного превращения (727°С) и длитель­ной выдержкой при температурах ниже перлитного превращения (720°—700°С) 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°С, 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°С 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°С 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...».

 

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ