Термист Термомеханическое упрочнение арматурного проката технология, средства, разработка

Дамасская сталь и грузинский булат

По книге Юрия Григорьевича Гуревича Загадка булатного узора

Часть 3. См. также: [1] [2] [3]

 Производство сварочного булата было самостоятельным промыслом со своими секретами и традициями. Очень трудно сварить полосы или проволоки разнородной стали в один цельный кусок, получить определенный узор, да еще обеспечить твердость, гибкость и остроту выкованному клинку. Дело в том, что после нагрева в горне полосы стали или проволоки поверхность металла окисляется, и пленка окислов препятствует его сварке. Чтобы сварка происходила, надо очень точно выдерживать температуру и удалять окислы с поверхности стали. Способы удаления окислов, температура сварки, скорость ковки, порядок соединения полос с различным содержанием углерода и составляли, очевидно, главные секреты мастеров, делавших оружие из сварочного булата.

Недаром в имеющихся описаниях изготовления амизгинского сварочного Дамаска обычно говорится, что, когда наступала пора сваривать пластины, мастер выгонял всех из кузницы, тщательно оберегая тайну порядка соединения пластин и способа их сварки. Если же мастер допускал посторонних, то применял такие приемы, которые отвлекали любопытных: совершал над полосой самые необыкновенные ритуалы, например, посыпал полосу пеплом заживо сожженного животного или другими неведомыми опилками и порошками. Между тем главный предмет тайны составляли, по всей вероятности, порошки, которые применялись для сварки в качестве флюсов.

Теперь совершенно понятно, что это были флюсы, которые, с одной стороны, имели достаточно низкую температуру плавления, были жидкотекучи и легко выдавливались под молотом, а с другой — быстро растворяли окислы железа, обнажая чистую поверхность металла, необходимую для сварки. Мастера использовали разные флюсующие порошки, но каждый свято хранил в секрете состав «камней», им применяемый. Поэтому, возможно, и в рецепте Элиазарошвили нет самого главного — состава флюса для сварки полос. Мастер подробнейшим образом рассказывает о порядке сварки полос, а флюс упоминает между прочим, называет его песком, не открывая секрета его состава и способа приготовления.

В Западной Европе до XV—XVI веков не знали о существовании литого булата. Поэтому возникающие здесь центры по изготовлению холодного оружия старались использовать секреты сварочного булата. Так, пример, испанские оружейники заимствовали приемы производства дамасской стали у арабов, живших на Пиренейском полуострове. В Толедо, который стал одним центров производства холодного оружия, впоследствии делали высококачественные клинки из обычной стали. Чтобы рекламировать их высокое качество, на поверхности клинка литографическим способом наносили дамасский узор. Такие клинки специалисты называют «ложными булатами».

Особенно широко развернулось производство подделок под булат в XVIII—XIX веках. В это время в Европе научились производить высокоуглеродистую литую сталь, и западноевропейские мастера, оставив попытки раскрыть секреты производства сварочного булата, начали изготовлять из нее довольно хорошее холодное оружие. В Италии (Милан), в Испании (Толедо), в Германии (Золинген), во Франции и Бельгии (Льеж), даже в Англии стали широко производить «ложный булат».

«Ложные булаты», особенно золингеновские и толедские, приобрели известность благодаря высокой степени полировки и красивым узорам, которые наносились на клинки различными методами. Ремесленники, рисующие декоративные узоры на металле, назывались «дамаскировщиками», а клинки «ложного булата» — «дамаскированными». Многие «дамаскированные» клинки были не очень высокого качества, поскольку они изготовлялись из обычной шведской или английской углеродистой стали. Поверхность металла полировали, тщательно очищали от грязи и покрывали раствором специального состава в терпентиновом масле. Узоры булата выводили кистью или резцом, а потом протравливали рисунок соляной кислотой. Особенно преуспевали мастеровые из немецкого городка Клименталя: они получали узоры на клинках не только описанным способом, но часто его просто гравировали.

Сходство рисунков на литом булате, сварочном булате и «дамаскированной» стали нередко приводило ко всяким недоразумениям. В частности, описание личного оружия Вильгельма I, Бисмарка и Наполеона сделано таким образом, что совершенно непонятно — то ли оно изготовлено из сварочного булата, то ли из «дамаскированной» стали.

В Новочеркасске в музее истории донского казачества экспонируется сабля атамана М. И. Платова. Сабля сделана в 1814 году из лучшей английской стали в честь победы союзников в войне с Наполеоном Бонапартом. Сабля еще до Октябрьской революции была передана в музей родственниками Платова; но во время гражданской войны была украдена белогвардейцами и вывезена в Чехословакию, откуда в 1946 году со многими экспонатами старинного оружия возвращена на родину.

На клинке сабли надпись, свидетельствующая о том, что Лондонский городской совет, заседавший 8 июня 1814 г., единогласно решает: «Сабля стоимостью 200 гиней преподносится атаману графу Платову в знак высокого уважения, которое совет питает к непревзойденному мастерству, блестящим талантам и неустрашимому мужеству, проявленному им во время длительных конфликтов, в которых он принимал участие для обеспечения свободы, мира и счастья Европы».

Есть сведения, что аналогичные сабли были преподнесены русскому полководцу М. Б. Барклаю-де-Толли и командующим союзными войсками Артуру Уэлсли Веллингтону и Герберту Лебрехту Блюхеру. Несмотря на высокую стоимость, сабля представляет собой всего лишь неплохой образец «дамаскированной» стали. На ее поверхности выгравирован рисунок, похожий на булатный узор. Подобных образцов в музеях можно найти немало, гораздо больше, чем настоящих сварочных булатов.

В нашей стране многие секреты сварочного булата стали известны благодаря работам грузинского ученого-этнографа К. К. Чолокашвили, который расшифровал ряд способов его производства. Найденный рецепт изго­товления грузинского булата был им передан в Институт металлургии Академии наук Грузинской ССР, где был тщательно изучен. В результате в одном из цехов Руставского металлургического завода под руководством академика АН Грузинской ССР Ф. Тавадзе в современ­ных условиях были получены опытные образцы сварочного булата, достаточно хорошо повторяющие узоры и свойства музейных экспонатов.

Как мы уже неоднократно замечали, в сварочном булате чередуются участки пластичного мягкого (низкоуглеродистого) железа и сравнительно твердой (углеродистой) стали - такие клинки обладали гораздо более высокой упругостью и вязкостью по сравнению с клинка­ми из обычной углеродистой стали. А вот почему именно сварочный булат отличался высокой прочностью и да­масские сабли были значительно тверже и крепче других стальных сабель, долгое время оставалось загадкой. Лишь современная наука о металлах смогла это объяснить. Но прежде чем привести это объяснение, сделаем небольшую экскурсию в физику металлов.

В 1784 году монах Р. Гаюи выдвинул гипотезу, что кристаллы состоят из совершенно одинаковых «кирпичиков» постоянной формы.

Через 130 лет с помощью рентгеноструктурного анализа было выяснено, что металлы имеют такое же кристаллическое строение, как и минералы. Атомы металлов располагаются в пространстве определенным образом, образуя кристаллическую решетку. Кристаллическая решетка складывается из элементарных кристаллических ячеек. Кристаллической ячейкой удобно изображать расположение атомов в кристалле. Например, в кубической объемно-центрированной решетке 8 атомов расположены в каждой из вершин куба и один — на пересечении его пространственных диагоналей. В идеальной кристаллической решетке все узлы заполнены атомами, вернее, ионами, а в междоузлиях расположен только электронный газ.

Прочность металлов определяется их атомно-кристаллической структурой. В 1926 году выдающийся советский физик Я.И. Френкель подсчитал, что прочность реальных металлов во много раз меньше теоретической. В чем же дело? Физики немало лет ломали голову над этим вопросом. Оказалось, что реальные металлические изде­лия состоят из большого числа кристаллов, которые имеют разную ориентацию кристаллической решетки, В таком поликристаллическом агрегате кристаллы принимают неправильную форму — их называют зернами или кристаллитами. Кусок металла, представляющий собой один кристалл, называют монокристаллом.

В отличие от строения монокристалла строение кристаллитов несовершенно, в частности из-за наличия незанятых мест в узлах кристаллической решетки — атомных «дырок», называемых вакансиями. Недостатком кристаллитов являются и дислокации. Дислокацией, буквально — смещением, в геологии называют наруше­ние первоначального залегания пластов земной коры, в результате которых образуется складка или сдвиг. В кристаллической решетке дислокация — это также смещение или сдвиг, приводящий к образованию лишнего ряда атомов. Дислокация образует в кристаллической решетке «лишнюю» неполную плоскость или полуплоскость, которая получила название экстраплоскости.

Многочисленные экстраплоскости не проходят через все сечение кристалла, они обрываются внутри него. Эк­страплоскость образует линейный дефект решетки — краевую дислокацию. Краевая дислокация может простираться в длину на многие тысячи ячеек решетки, мо­жет быть прямой, а может, как нитка, выгибаться в ту или другую сторону. В пределе она может закрутиться в спираль, образуя винтовую дислокацию. Вокруг дислокации возникает зона упругого искажения решетки, вы­званная отталкиванием дислоцированных (внедренных в междоузлия) атомов экстраплоскости.

Помните, дислокация — это «складка»? Теперь представьте себе, что нужно передвинуть по полу ковер. Тащить его за край довольно тяжело. Сделайте на ковре складку, и вы значительно облегчите его передвижение. Если ковер передвигать по полу постепенно, по мере волнообразного передвижения складки, то для его движения потребуется совсем немного усилий. В металле дислокации играют роль примерно таких же «складок». Вследствие искажения решетки в районе дислокации последняя под действием небольших напряжений легко смещается, и дислоцированные атомы занимают положенное им место в узлах кристаллической решетки. Но вслед за ними смещается соседняя плоскость атомов, занимая место дислоцированных, то есть превращаясь в экстраплоскость и вновь образуя краевую дислокацию.

Что же заставляет дислокацию перемещаться? Оказывается, ее «толкают» атомы, расположенные непосредственно за ней. У них в результате искажения решетки появляется избыточная энергия, и чтобы избавиться от нее и занять новое стабильное положение, они сталкивают дислокацию на новое место. Поскольку дислокация испытывает давление с обеих сторон, суммарное воздействие на нее равно нулю. Поэтому «толкачи» начинают работать лишь тогда, когда они сами испытывают давление от внешних сил.

Таким образом, дислокации могут сравнительно легко перемещаться под действием небольших напряжений. Это значит, что реальные металлы и сплавы деформируются постепенно за счет небольших смещений атомных слоев в области дислокации. Говорят, что движение дислокации напоминает движение гусеницы. При движении лишь у ограниченного количества атомов нарушаются связи.

Механизм деформации идеального кристалла состоит в сдвиге одних атомных плоскостей относительно других. Для такого сдвига требуются значительные усилия — этим и объясняется высокая теоретическая прочность монокристаллов по сравнению с поликристаллами реальных металлов и сплавов.

Пока под влиянием приложенной к металлу силы движутся дислокации, сопротивление металла деформации невелико. Раз так, то и прочность металла небольшая. А если движение дислокации затруднено, если поставленный им заслон вообще мешает им перемещаться? Скажется ли это на прочности металла? Да, конечно, металл в этом случае будет тяжелее поддаваться деформации, и прочность его возрастет. Следовательно, для повышении прочности металла необходимо либо устранить дислокации вообще, либо повысить сопротивление их перемещению.

При деформации дислокации движутся подобно нитке — они способны изгибаться, цепляться за препятствия, образовывать клубки и даже уничтожать друг друга. В клубках плотность дислокации достигает значительной величины, им становится очень трудно перемещаться. Значит, образование клубков дислокации приводит к упрочнению металла или сплава.

Но где взять ту преграду, которая остановит движение дислокации? Оказывается, такое препятствие можно найти, и даже не одно. Существует несколько способов торможения дислокации. Один из них — уменьшение размеров зерен. Границы зерна являются препятствиями для перемещения дислокации. Добавление в кристаллическую решетку атомов других элементов также приводит к торможению дислокации. Чужеродные атомы окружают дефекты, блокируют их, не дают возможности дислокациям перемещаться. Теперь хорошо известно, что легированне стали хромом, вольфрамом, марганцем, ванадием и другими легирующими элементами значительно повышает ее прочность. Прочность легированной стали намного выше прочности булата.

Препятствием для перемещения дислокации являются также любые искажения кристаллической решетки и «инородные» включения, соизмеримые с кристаллическими ячейками. В качестве таких упрочнителем применяют высокодисперсные карбиды, нитриды, окислы, интерметаллиды. Стали и сплавы, изготовленные таким образом, обладают чрезвычайно высокой прочностью. Самый простой способ упрочнения металла — это пластическая деформация. С увеличением степени деформации растет количество дислокации и уменьшается их подвижность. Это приводит к увеличению плотности дислокации.

Итак, прочность металла повышается в двух случаях: когда в кристаллической решетке совершенно нет дефектов или когда плотность дислокации достаточно большая. Конечно, увеличение плотности дислокации ведет к упрочнению металла до определенного предела. При слишком большой плотности дислокации образуются микроскопические трещины и металл разрушается.

Так вот, сварочный булат отличался высокой прочностью, значительно превышающей прочность стали такого же состава, потому что степень деформации при сварке стальных полос или проволоки с различным содержанием углерода была колоссальной. Не так давно металловеды сделали рентгеноструктурный анализ сварочного булата. Рентгенограммы показали, что из кристаллов металла выпали чуть ли не целые группы атомов — так велика у него оказалась плотность дислокации. Таким образом, древние кузнецы эмпирически на­шли способ приготовления очень прочного оружия. И не случайно сварочный булат (дамасская сталь) ценился не только за свои красивые цветные узоры.

См. также (предыдущие части): [1] [2] [3]

Воспроизведено по книге:

Гуревич Ю.Г. Загадка булатного узора. - М.: Знание, 1985. - 192 с. стр. 19 - 36.

К началу страницы

Web-сайт “Термист” (termist.com)
Термомеханическое упрочнение арматурного проката

Отсутствие ссылки на использованный материал является нарушением заповеди "Не укради"

Редактор сайта: Гунькин И.А. (termist.com@gmail.com)