Оружие из Дамаска и булата - Валерий Хорев

Анализ показал, что индийский булат содержит до 2,1% углерода, оставаясь притом отменно вязким, что вступает в противоречие с обычной закономерностью. Разгадать секрет пытались многие видные ученые, в том числе Майкл Фарадей, сам сын кузнеца. В 1819 году, еще до изобретения им электродвигателя и генератора, он изучал образцы булатной стали и пришел к выводу, что ее свойства обусловлены наличием небольшого количества кремния и алюминия. Несмотря на то, что вывод был ошибочным, статья Фарадея вдохновила Ж. Р. Бреана, пробирного инспектора Парижского монетного двора, провести цикл экспериментов, в ходе которых он вводил в сталь малые дозы различных элементов.

Как мы видим, все усилия прилагались в русле, так сказать, рецептурном, что являлось заблуждением, поскольку (теперь это известно точно) булат есть чистый сплав железа с углеродом и ничем более. Но именно Бреан в 1821 году первым высказал догадку, что необычными свойствами булат обязан высочайшему содержанию углерода. Он установил, что структура булата имеет светлые участки «науглероженной стали» на темном фоне, который он назвал просто «сталью». Удивительно, но Бреану удалось изготовить клинки с узором как у дамасской стали, однако до конца дней он так и не дал объяснения своему способу. Более того - он не смог понять важности последовательных операций в используемом им процессе. Только на исходе XIX века, когда были изучены фазовые превращения, происходящие в стали, и установлена их зависимость от температуры и содержания углерода, были заложены предпосылки для полного научного объяснения структуры булата. Но и теперь, когда фазовая диаграмма железо/углерод прекрасно отработана, процесс изготовления дамасской стали считается открытием, и может быть запатентован.

Если прежние энтузиасты этого феномена действовали вслепую, пытаясь интуитивным путем воссоздать капризную технологию, то современные американские исследователи подошли к вопросу основательно, во всеоружии научной аппаратуры и специальных знаний. Д. Уодсворт и О. Шерби (на деле являющийся нашим соотечественником по фамилии Щербина) заинтересовались получением классического булата, изучая новейшие сверхвысокоуглеродистые стали. Такие марки редко находят применение, так как считаются излишне хрупкими. Однако высокая вязкость дамасской стали является неоспоримым фактом. Предположив, что изначальную хрупкость можно убрать соответствующей механической обработкой, хитрые американцы в лаборатории Стэнфордского университета смогли получить образцы, совместившие твердость с вязкостью при комнатной температуре. Удалось также воспроизвести узор Дамаска. Что касается самих операций, то они совершенно аналогичны тем, что применялись в кузницах Востока.

Хотя самое раннее описание булатных клинков относится к 540 году, использовались они гораздо раньше, еще во времена Александра Македонского. Индия активно торговала дорогим сырьем, поставляя мастерам маленькие, размером с хоккейную шайбу, слитки («хлебцы») - так называемый «вуц». Географическое распространение булата в основном совпадает с путями распространения мусульманской религии. В древней Руси булат именовали словом «хоролуг»или «харалуг» (см. далее). С конца XV века в обиход вошло слово «булат» (персидское «пулад»). Например, такое наименование мы находим в грамоте князей Ивана Борисовича и Федора Борисовича Высоцких за 1504 год, где упоминается «сабля булатная гирейская».

Приготовлялся булат из двух компонентов - сырого железа и древесного угля в качестве поставщика углерода (гораздо лучше для этого подходит чистый графит, каковым пользовался в своих опытах П. П. Аносов). Однако сначала нужно было иметь это самое железо. Его получали обычным способом восстановления из железной руды посредством удаления кислорода в результате реакции все с тем же древесным углем. Руда и уголь перемешивались, и в толще этого слоя происходило горение. Дутье обеспечивалось с помощью кузнечных мехов, что поднимало температуру выше 1200 °С. В зависимости от количества угля конечным продуктом становилось либо губчатое железо, либо чугун с содержанием углерода свыше 4%. Соответственно, индусы получали вуц, или добавляя углерод к железу, или отнимая его излишек у чугуна. Второй способ невразумителен, тогда как первый вполне поддается научному обоснованию.

До того как загружать компоненты в тигель, губчатое железо проковывалось молотом. Этим добивались уплотнения металла и некоторой его очистки, так как удары молота «выколачивают» примеси, оставляя вполне добротный Fe.

Именно поэтому данный ингредиент называют также «сварочным железом». Маленький (диаметром 8 и высотою 15 см) тигель из огнеупорного материала должен был обеспечить полную изоляцию содержимого от внешнего атмосферного воздуха, несущего гибельный кислород. Герметизация достигалась путем плотной посадки крышки и последующей обмазки глиной. При температуре 1200 °С железо еще остается в твердом состоянии, но его кристаллы уже приобретают гранецентрированную кубическую форму. Атомы углерода свободно диффундируют в железо, образуя аустенит. Добавка углерода снижает температуру плавления. Поэтому, как только его концентрация в поверхностном слое кусков железа достигает 2%, они покрываются тонкой пленкой жидкого белого чугуна. Появление расплава определялось по характерному хлюпающему звуку при встряхивании тигля. Это говорило о том, что значительное количество углерода уже успело раствориться.

После этого тигель очень медленно охлаждали. Слово «очень» не вполне точно передает черепаший темп данного процесса, так как охлаждение длилось несколько дней. Такие скорости обеспечивали равномерность распределения углерода в стали, с концентрацией порядка 1,5-2%. Когда температура опускалась ниже 1000 °С, часть углерода выпадала из расплава, образуя сетку цементита Fe3C вокруг зерен аустенита. Поскольку при медленном охлаждении аустенитные зерна вырастают до изрядных размеров, сетка получается довольно, крупноячеистой. Именно она создает пресловутый узор на поверхности клинков (здесь кроется парадокс: современные теория и практика свидетельствуют, что рост кристаллов приводит к резкому снижению механических характеристик, поэтому одной из приоритетных задач термообработки является измельчение структуры).

Вот схематичное изображение процесса, результатом которого становился небольшой слиток истинного булата:

Основой для понимания происходящего служит стандартная фазовая диаграмма состояний сплава «железо/ углерод» в зависимости от температуры и количественного соотношения компонентов:

* при нагреве в тигле сварочное железо переходит в гранецентрированный аустенит (1);

* углерод начинает растворяться в поверхностных слоях железа, и, как только его содержание достигнет 2%,

на поверхности зерен появляется пленка жидкого белого чугуна (2);

* в процессе медленного охлаждения углерод диффундирует в толщу железа, образуя сталь с содержанием 1,5-2 % (3);

* по мере падения температуры углерод высаживается по границам зерен аустенита в виде цементитной сетки (4).

Белые линии дамасского узора являются следами этой сетки;

* при температуре ниже 727°С происходит превращение аустенита в феррит с образованием чередующихся слоев цементита и феррита (5).

Клинок закаливали путем нагрева несколько выше этой температуры и быстрого охлаждения, при котором аустенит превращается в твердый мартенсит.

Таким образом, закаленный булат представляет собой композицию из чрезвычайно прочного мартенсита и предельно твердого и хрупкого цементита. Но - непрерывность цементитной сетки создает благоприятные маршруты для разбегания трещин, порождая в итоге зловредную хрупкость. Если же ковкой или вальцовкой разбить сетку на отдельные фрагменты, мы получим прекрасный материал, армированный включениями сверхтвердого цементита. Анализ сохранившихся дамасских клинков показывает, что они подвергались интенсивной ковке, при которой исходная толщина уменьшалась в 3-8 раз.

Проблема в том, что булатную заготовку нельзя нагревать свыше 850 °С, так как при этом начинается вторичное растворение цементита в аустените, а сам металл становится, как ни странно, хрупким, пребывая в раскаленном состоянии. В этом причина фатальных неудач европейских мастеров, пытавшихся работать с булатом - они по привычке нагревали бесценный слиток добела, и происходило то, о чем писал Бреан: «При белом калении дамасская сталь крошится, как стекло». На самом же деле, максимум пластичности булата приходится на диапазон температур 650-850 °С. Так выглядит лишь один из хитроумных секретов, присущих технологии булата, причем далеко не самый таинственный. Реально существует множество подобных «заморочек», которые нужно просто знать, и которые почти не поддаются интуитивному постижению, иначе дамасскую сталь давным-давно получали бы во всем мире тоннами. Пускай древняя плавильня и кузница выглядели убого, а инструменты были самыми примитивными - этого хватало, поскольку главным оставался багаж бесценной информации, передаваемой из рук в руки.