Оружие из Дамаска и булата

углерода. Чем больше последнего, тем до более высоких степеней твердости возможно закалить образец. Примечательно, что после указанной процедуры химический состав стали совершенно не изменяется. Тогда возникает резонный вопрос - почему каленый металл становится твердым? Ответ дает уже не химия, а физика: в процессе термической обработки меняется кристаллическая структура стали, в недрах которой атомы железа и углерода перестраиваются иным образом, порождая и новые механические свойства.

Атомы чистого железа расположены строго определенным порядком, образуя структуру феррита. Если посмотреть в некий волшебный микроскоп, то мы увидим, что феррит имеет симметричную, объемно-центрированную кубическую решетку, где вовсе нет свободных мест для размещения атомов углерода, а в микроскопе обыкновенном поверхность такого железа выглядит белой пустыней.

Но если сталь является сплавом железа с углеродом, то позвольте спросить - где этот самый углерод находит себе пристанище, коль скоро в кристаллической структуре железа места для него не предусмотрено? Секрет в том, что углерод и не пытается внедряться в плотно сбитые кубы атомов железа, а образует более или менее развитые прослойки, состоящие из карбида железа, именуемого цементитом (Fe₃C). В результате мы получаем своеобразную мешанину из феррита и цементита, называемую перлитом. Шлифованный и протравленный срез такого образца имеет красивый перламутровый блеск, отсюда и термин. В сыром, не закаленном виде сталь обладает либо перлитной, либо комбинированной ферритно-перлитной зернистой структурой.

При нагревании происходит перегруппировка атомов, в результате чего при температурах свыше 727 °С наш образец приобретает уже иную кристаллическую структуру, именуемую аустенитом. Она представляет собой кубическую решетку с атомами железа в центре каждой грани, при этом атомы углерода (показан темным) могут свободно внедряться между атомами железа.

Проще сказать, здесь углерод как бы растворяется в железе, но это твердый раствор. Механические свойства аустенита весьма заманчивы - он обладает высокой прочностью в сочетании с пластичностью. Увы - чудесная структура нестабильна, и живет лишь в узком диапазоне высоких температур. Если позволить детали медленно остыть, то аустенит вновь превратится в перлит, что широко используется на практике, когда готовые изделия подвергают процедуре отжига. При этом выравнивается кристаллическая структура и снимается внутреннее напряжение.

Однако, обеспечив стремительную потерю тепла порядка 300 °С/сек (например, путем погружения раскаленной детали в какую-нибудь жидкость), мы лишим капризный аустенит возможности обратного перевоплощения, и он от злости закостенеет, сделавшись твердым и хрупким мартенситом. Микрошлиф данной структуры имеет типичное игольчатое строение.

В этом суть закалки - охладить сталь с такой скоростью, чтобы аустенит не вернулся в исходное состояние перлита. Чем ниже скорость охлаждения, тем больший процент аустенита будет потерян. Соотношение «перлит- мартенсит» и определяет конечные механические свойства после термообработки. Если деталь, изготовленную из качественной углеродистой стали (например, У10), разогреть до температуры свыше 800 °С, а затем резко погрузить в холодную воду, то мы получим почти чистую мартенситную структуру. В таких случаях говорят, что сталь закалена «насухо». Так калят напильники, и каждому известна их твердость и хрупкость. Разумеется, обладающий такими качествами клинок будет звонким и крепким, но разлетится от первого же удара или с легким щелчком треснет пополам при малейшем изгибе.

Все попытки придать ему хоть сколько-нибудь пластичности будут иметь успех исключительно за счет пропорциональной потери твердости. Добавки некоторых элементов (например, марганца) в совокупности с нагревом до температур выше 1000°С и последующим форсированным охлаждением в ледяной воде позволяют частично стабилизировать структуру аустенита. Такие стали обладают удивительной прочностью, стойкостью к истиранию и ударным нагрузкам. Из них, например, делают элементы гусениц танков. Популярная в среде отечественных оружейников рессорная сталь 65Г как раз является марганцевой, однако ее закалочная твердость не превышает значения 50-55 HRC (если не поступаться вязкостью).

Таким образом, поколение за поколением оружейники играли и играют на тонкой грани компромисса между одной и другой крайностями. Конечно, есть целые этнические группы (народности севера, африканские масаи), традиционно и с успехом пользующиеся практически сырым железом, которое не ломается, легко выправляется буквально на колене и затачивается о любой встречный камень. Но абсолютное большинство мастеров пускались на самые изощренные хитрости в стремлении обеспечить своему детищу твердость и вязкость одновременно. Теперь эта каверзная задача довольно успешно решается во множестве марок легированных сталей. Для тех, кому иностранное слово показалось ругательством, поясню - ряд химических элементов (никель, вольфрам, молибден, марганец, медь, титан и др.) обладают способностью резко и целенаправленно менять свойства стали, улучшая ее характеристики. При этом в количественном отношении такие присадки, именуемые легирующими, выражаются порой сотыми долями процента, и их вовсе не следует забрасывать в плавильную печь кубометрами. Но благодаря им все мы сегодня знакомы с нержавеющими, жаропрочными, жаростойкими, химически пассивными и другими удивительными марками стали.

Применительно к холодному оружию представляет интерес то, что легирующие добавки измельчают и уплотняют структуру металла, обеспечивая стойкость к ударам и общую вязкость без заметных потерь твердости. Именно незримому содержанию в местных рудах едва ощутимых количеств молибдена, хрома и вольфрама обязаны своими легендарными качествами пресловутые японские мечи, а также сабли и шашки, которые делались в некоторых районах Северного Кавказа. Тем удивительнее феномен классического булата, в котором кажущаяся не разрешимой задача не только решена в незапамятные времена, но закрыта целиком и полностью, окончательно, потому что лучшие сорта булата давали максимально возможную для стали твердость при сохранении столь же максимальной пластичности. Илимов, проводивший доскональное исследование этого вопроса по поручению академика Гесса в сороковые года XIX века, писал следующее: «Отполированный и закаленный конец полоски крошил лучшие английские зубила, тогда как отпущенный легко принимал впечатления (то есть оттиски. Прим. автора) и отсекался чисто и ровно. Полоска была с одного конца закалена, а с другого отпущена; она сгибалась без малейшего повреждения, издавала чистый и высокий звон». (Илимов, 1841 г).

В 1868 году один из столпов отечественной металлургии, профессор Д. К. Чернов, заявил, что «лучшей сталью, которая когда-либо изготавливалась в любой из стран, неоспоримо, был булат». Данные, полученные современными американскими учеными, однозначно подтвердили, что по сочетанию вязкости и прочности рядом с булатом не может быть поставлена почти ни одна из нынешних сталей, включая высоколегированные.

Ниже представлена диаграмма, построенная на основании этих исследований, где в качестве образца использовалась сверхвысокоуглеродистая сталь, сваренная и обработанная традиционным методом, за исключением того, что ее не ковали молотом, а вальцевали с многократным обжатием по толщине, превратив в итоге в самый настоящий булат. Прочность на растяжение определяется как максимальное растягивающее усилие, которое образец способен выдержать до момента своего разрыва. При этом степень удлинения образца служит мерой пластичности. Мы видим, что булатная сталь (а) оказалась, при той же пластичности, намного прочнее, чем обыкновенная углеродистая (в), легированная (с) и даже некоторые сорта специальных (d) сталей.

Здесь вполне уместно еще раз повторить данную в предисловии формулировку, гласящую, что: