<<
>>

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. Они выдвинули новую гипотезу: булатный узор - это полученный каким-то способом крупный перлит. Для того, чтобы понять, что такое «перлит» и почему он напоминает булатный узор, необходимо рассмотреть работы Д.К. Чернова и других металлургов конца XIX-начала XX столетия.

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 нагре

той стали, вторая точка в — 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 ««» характеризует минимальную температуру, от которой сталь начинает принимать закалку. И напротив, «сталь, будучи нагрета ниже точки «в», не изменяет своей структуры — медленно или быстро после того она охлаждается. Как только температура возвысится до точки «в», 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: б-железо, которое устойчиво при температурах ниже 910°С и выше 1390°0,и г-железо, устойчивое в интервале температур 910° —1390°С. Кристаллическая решетка - б- железа — объемно-центрированный куб, г -железа — гранецентрирован- ный. 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 г-железе назвали аустенитом. Твердый раствор углерода в б -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. 15 показана диаграмма состояния «железо—углерод» («железо-цементит»). По оси ординат отложена температура сплава, по оси абсцисс — содержание (концентрация) углерода в железе.

alt="" />Рассмотрим подробнее стальной угол диаграммы (содержание углерода 0,02-2,14 %. Линии GSE ограничивают область существования аустенита. Точки линии GS показывают начало превращения аустенита в феррит при охлаждении сплава и окончание превращения феррита в аустенит при нагревании. С увеличением концентрации углерода в аустените 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 (А) в феррит (Ф), 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 2,14 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 (А) и цементита (Ц).

При температуре 727°С концентрация углерода в аустените определяется точкой S на линии PSK и соответствует 0,8%. Предельная концентрация углерода в феррите при этой же температуре определяется точкой P 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 (химическое соединение железа с углеро- дом-карбид железа Fe3C). 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 фер- рито-цементитную смесь при 727°С характерно для всех сталей.

Распад аустенита при 727°С на феррит и цементит называется эвтектоидным превра

щением, а получающаяся в результате распада феррито-цементитная структура — эв- тектоидом. Невооруженным глазом увидеть феррито-цементитную смесь невозможно. Под микроскопом, при увеличениях в десятки и сотни раз, двухфазная структура эвтек- тоида напоминает перламутр, сложенный из светлых пластинок феррита, чередующихся с темными пластинками цементита. Поэтому двухфазная структура эвтектоида была названа перлитом (П).

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 заэвтектоид- ными. Их структура после медленного охлаждения состоит из перлита и цементита. В стали, содержащей 0,8% углерода, весь аустенит превращается в перлит, а поэтому после медленного охлаждения структура такой стали будет представлять собой пластинчатый перлит. Такая сталь называется эвтек- тоидной.

Если сравнить пластинчатый перлит с узором клинка кинжала, сделанного из ано- совского булата (рис. 16), то мы увидим, что внешнее сходство поразительное1 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 прямо противоположные 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. Герен-са, 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 [28].

Нагревом заэвтектоидной стали (1,4 — 8% углерода) выше перлитного превращения (727°С) и длительной выдержкой при температурах ниже перлитной 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. Ho, 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 стали на мартенсит традиционными способами сохраниться не может. Что бы это


Рис. 16. Макроструктура аносовского булата-а; 6-микроструктура перлита

б

Рис. 16. Макроструктура аносовского булата-а; 6-микроструктура перлита

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 (рис. 15), 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 стадии: Превращение аустенита в феррит. Этот процесс состоит в перегруппировке атомов железа таким образом, что кристаллическая решетка гранецентрированного куба г-железа переходит в кристаллическую решетку объемно-центрированного куба б-железа. В результате смещения атомов углерода и пересыщения этим компонентом твердого раствора из него выделяются частицы цементита (карбида железа). 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, они становятся различимы только при увеличениях в тысячи раз. Такая структура в честь английского ученого конца XIX — начала XX века Г. К. Сорби (1826-1908) была названа сорбитом.

При ускорении охлаждения с 50 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 (1825-1911) названа трооститом.

Наконец, при скорости ох лаждения 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 б-железа, сильно пересыщая его Такая структура в честь немецкого металловеда А. Мартенса (1850-1914) названа мартенситом. Мартенситной структуре соответствует наиболее высокая твердость и прочность стали. Таким образом, если перлит, сорбит и троостит — двухфазные структуры, представ тяющие собой смесь феррита и цементита, то мартенсит — структура однофазная, это твердый пересыщенный раствор углерода в б-железе.

Закалка стали состоит в ее нагреве на 30 — 50'С выше температуры начала устойчивости аустенита и быстром охлаждении. Обычно при закалке стремятся получить мартенсит- ную структуру. Для устранен™ 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 свойства стали после отпуска улучшаются, а твердость и прочность остаются достаточно высокими.

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-мар- тенситной структуры можно получать композиционные стали с высокими свойствами.

Выдающийся ученик и последователь Д. К. Чернова в области металловедения и термообработки H 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 [29], 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...».

<< | >>
Источник: Гуревич Ю.Г. . Булат. Структура, свойства и секреты изготовления: Монография. 2006

Еще по теме Перламутровая теория булата:

  1. Перламутровая теория булата