О булатах и гомогенных сталях

Обсуждение различных технологих, избретений и всевозможных устройств.

Сообщение Ged » 20.03.2008, 08:42

О булатах и гомогенных сталях

Споры о том, что лучше, узорчатая сталь или гомогенная, то утихают, то вспыхивают вновь, и длятся уже не один десяток лет наверное. Попытаюсь высказать свою точку зрения на эту проблему, согласуясь с тем опытом и той информацией, которыми владею.

Думаю, что необходимо понять вначале, что узорчатые стали, возникли не по прихоти эстетствующих богатеев, от безделья разглядывающих узоры на своем оружии, и не по прихоти кузнецов решивших вдруг сделать нечто удивительно красивое. Возникли они в самом начале становления черной металлургии, когда получение качественной однородной стали, было еще не возможно по многим и так понятным причинам. Понимая, сколько труда и времени нужно было затратить на изготовление одного стального клинка, с уверенностью могу сказать, что ни один кузнец того времени не стал бы утруждать себя созданием непонятных завитков на поверхности клинка, если мог в тоже время сделать такой же качественный но без узора. Металлурги того времени, уже досконально разобрались с медью, бронзой, могли создавать как огромные металлические конструкции так и совершенной работы ювелирные изделия. Гравировка, чеканка, травление, в то время уже достигли своего совершенства и на мечах и саблях тех времен можно видеть качественные рельефные надписи, изображения животных и конечно же узоры различных форм и величины выполненных с помощью этих технологий.

В тоже время, качество гомогенной углеродистой стали тех веков оставляло желать лучшего. Загрязнение серой, фосфором, неполное раскисление, пористость приводили к очень низким механическим свойствам изготовленного из нее оружия. Мастера искали выход из этого положения, так как потребность в качественном оружии только возрастала. Возможно вначале испробовали простое плакирование углеродистой основы мягкими железными слоями (биметаллы на основе серебра и меди уже были широко известны) и уже это значительно повышало механические свойства изделия. изготавливаемого кузнечной сваркой, а создание многослойных материалов привело к целому прорыву в оружейном деле.

Давайте попробуем хотя бы приблизительно рассчитать возможные свойства такого слоистого, композитного древнего клинка.

Допустим, что низкое качество исходного сырья позволяло некому мастеру изготавливать высокоуглеродистые клинки вот, например, с такими характеристиками мех свойств, полученных после закалки и отпуска. При твердости 45 HRC предел прочности 50 кгс/мм2, ударная вязкость 3кгс м/см2. При закалке на большую твердость, например до 60 HRC, прочность повышается до 80 кгс/мм2, а ударная вязкость падает до 1,5 кгс/ см2, что делает клинок очень хрупким, а закалка на твердость менее 45 - непрочным. Эти характеристики даже лучше характеристик современных легированных высокопрочных чугунов. Однако применение простейших технологий сварки с низкоуглеродистой сталью с максимальной твердостью после закалки 30 HRC, недостаточной для применения ее в холодном оружии, пределом прочности 50 и ударной вязкостью 16 кгс/см2, позволяет получать вполне работоспособные клинки. Вставив данные в уравнение смеси (ErVr+EmVm=Ec), с помощью которого можно довольно точно предсказать некоторые механические свойства такого клинка, получим, что при использовании 30% малоуглеродистой стали в пакете при закалке как на 60 HRC, получим твердость 51 HRC, предел прочности 71 кгс/мм2, а ударную вязкость 6,9 кгс/см2.

Видно, что значительно повысились, увеличилась ударная вязкость, твердость и прочность. Действительно, по сравнению с исходным вариантом такой клинок мог выглядеть верхом совершенства. В добавок,  мастер мог еще и  варьировать механические свойства, изменяя соотношение углеродистой и низкоуглеродистой стали в пакете. Однако прогресс не стоял на месте, совершенствовались технологии улучшалось качество стали. И вот уже обычная гомогенная среднеуглеродистая сталь могла иметь ударную вязкость в 14 кгс/см2 при прочности 150 кгс/мм2 и твердости 58 HRC при стандартном качестве и массовости ее производства.

Казалось бы, это только на руку мастерам узорчатой стали. Однако посмотрите, что получается. Сварив вместе качественную углеродистую сталь и малоуглеродистую сталь в пакет при том же содержании в 30%, которое в прошлом случае дало нам значительное повышение свойств, мы получим: твердость в 49,6 HRC, ударную вязкость 14,6 кгс/см2, а предел прочности 120 кгс/мм2. То есть мы незначительно увеличили ударную вязкость, сильно потеряв при этом в твердости и прочности. Узорчатые технологии потеряли смысл. Действительно, как бы мы не старались, мы не можем получить композит с каким-нибудь свойством (твердость прочность, вязкость, пластичность упругость) больше чем свойства какой либо составляющей входящей в композит. Дальнейшее развитие металлургии, появление огромного числа легированных сталей, по большому счету не улучшило общей тенденции угасания в производстве композитных клинков.

Казалось бы, что проще взять легированную но довольно хрупкую сталь с твердостью за 66 HRC и сварить ее с более вязкой, получив при этом композит, сочетающий в себе лучшие свойства обеих сталей. Однако, при таком подходе при создании необходимой вязкости мы значительно теряем в твердости. Но тут резонно задать вопрос, стоит ли мучаться, сваривая многослойный пакет рискуя его испортить различными непроварами и механическими примесями, если мы можем получить ту же твердость и вязкость что и в пакете, если термообработаем исходную боле прочную сталь на меньшую твердость, достигнув при этом той же самой вязкости? Или просто подберем из множества марок сталь с необходимыми нам свойствами? Все это в равной мере относится как к дамаскам, так и к булатам.

Например, слиток имеет в структуре 30% высокопрочных углеродистых волокон (дендритов например) с твердостью в 64 HRC, прочностью 180 кгс/мм2 и соответственно малой ударной вязкостью 4 кгс/см2. Качественная среднеуглеродистая матрица имеет твердость 58 HRC, прочность 150 кгс/мм2 ударную вязкость 14 кгс/см2. Клинок изготовленный из такого материала будет иметь твердость 59,8 HRC, предел прочности 169 кгс/мм2, ударную вязкость 11 кгс/см2. Это очень хорошо для древних металлургов, но не впечатляет сегодня. Вполне возможно найти не одну марку стали обладающую такими свойствами. На самом деле в булатах дело еще хуже, в углеродистых слитках (самых простых в получении ) сильно науглероженные волокна и матрица имеют еще меньшую ударную вязкость, прочность матрицы из за возможной пористости, ее недостаточной чистоты так же желает лучшего. К тому же, великое множество марок сталей заставляет кузнецов сочетать не сочетаемое в поисках идеального варианта. Бездумное сочетание различных марок ведет к многочисленным дефектам клинков, их короблению, слоистости, внутреннему растрескиванию при закалке.

Например, по данным В.Н.Земина и Л.Д.Френкеля, приведших результаты измерений напряжений в сварном разнородном диске, состоящим из аустенитного обода и перлитной средней части, после отпуска растягивающие напряжения в аустенитной стали достигают 30кгс/мм2, а уравновешивающие напряжения сжатия в перлитной части доходят до тех же 30кгс/мм2, то есть по линии сплавления сталей напряжения меняют знак с +30 на -30 кгс/мм2, что может привести как к короблению, так и дальнейшему растрескиванию образца. Из всего этого следует, что при создании композитных сталей, для улучшения всего лишь одного какого-нибудь свойства мастерам необходимо скрупулезно рассчитывать состав и количество компонентов входящих в них, подбирать соответствующие температуры для сварки, плавления, термообработки. Однако, учитывая, что в настоящее время всегда возможно найти сталь с почти такими же свойствами, то необходимо признать, что вся эта работа довольно бессмысленна. В тоже время среди пользователей находится немало сторонников узорчатых сталей, которые любители дамасков и булатов почему-то предпочитают гомогенным клинкам. Можно было бы предположить, что некоторые свойства клинков из плакированных трехслойных "ламинатов" приближаются по свойствам к клинкам из некоторых хороших легированных сталей, а дешевизна и относительная доступность таких изделий подкупает. Но тут почти наоборот, пользователь выбирает дорогой многослойный дамаск или булат. Так прав ли он, если теория (и противники дамасков) говорят о том, что всегда можно найти подходящую по свойствам замену такому клинку среди множества гомогенных?

Обратимся опять к истории. Со временем потребовались виды конструкционных материалов отвечающим новым требованиям времени. Но легирование или уже известные марки стали не отвечали тем повышенным запросам которые  предъявляла развивающаяся техника. Такими  свойствами могли обладать только различные виды композиционных материалов, сочетающих в себе казалось бы несовместимые свойства.

Композит - это материал, состоящий из  высокопрочных слоев или волокон, то есть армирующих элементов, и связывающего  компонента, называемого матрицей, способного передавать нагрузки к несущему упрочняющему компоненту. Наиболее типичные и известные композиционные материалы это всем известные железобетон, пластмасса, армированная стекловолокном, дерево. Дерево - созданный природой композит, в котором лигнин упрочнен волокнами целлюлозы. До сих пор наука не смогла создать подобного искусственного материала со сходным по всем параметрам с деревом свойствами. Легкость, прочность, упругость, теплоизоляционные свойства, способность легко обрабатываться, делает дерево наиболее популярным строительным материалом. Полноправной замены ему нет до сих пор.

Композиты как незаменимые материалы используются в самолетных конструкциях, в металлургии, в архитектуре и строительстве, например самое большое  здание в мире, где проводится сборка космических кораблей на мысе Кеннеди, покрыто плакированным алюминиевым сплавом. Композиты применяются в оборудовании для химических процессов, в чеканке монет, в оружейном деле (например изготавливают пули со стальной оболочкой плакированной медью, применяют в производстве броневых плит), в судовых конструкциях, в термостатах, в топливных элементах ядерных реакторов. Компания АММRC проводила исследования по росту трещин в композиционных материалах брони с различной твердостью слоев, и отдельных их составляющих. Так композит выдержал около 40 тыс. циклов деформации, а компоненты,  его составляющие, только по 20 тыс. циклов. Испытывались различного вида переходные соединения. Композиционное соединение выдерживало до разрушения 395 000 циклов а обычное - 31 600 циклов. Исследовался характер разрушения стальных композитов при низких температурах. Было установлено, что для монолитных стальных цилиндров хрупкий характер разрушения наступает при температурах ниже минус пяти градусов Цельсия , а для композитных первоначальный быстрый рост трещины происходил при минус 105 градусах, причем они не доходили до концов испытываемых цилиндров и не разветвлялись. Сопротивление развитию трещин увеличивается даже в материалах составленных из компонентов с одинаковой твердостью. Все это конечно интересно, только многим все равно непонятно, какое преимущество имеют такие материалы в клинках ножей и холодного оружия.

Помимо твердости, прочности и ударной вязкости существует еще несколько параметров, которые делают клинок  пригодным или нет для тех или иных видов работ. Качество клинка для многих не ограничивается только невообразимой твердостью и прочностью. Люди предъявляют и такие требования к стали, как быть износостойкой,  иметь способность хорошо переносить динамические нагрузки, легко затачиваться, долго сохранять остроту, выдерживать ударные нагрузки, быть стойкой к коррозии и т.д. Этим требованиям, на мой взгляд, все же могут отвечать различного вида дамаски и булаты.

Задача мастера, делающего узорчатые клинки, состоит прежде всего в умелом сочетании некоторых ценных качеств включенных в клинок сталей и (или) подавлении тех или иных недостатков. Умение рассчитать или предвидеть возможный результат своей работы позволяет мастеру создавать стали непосредственно под те или иные задачи, предъявляемые пользователями. Например, некоторые износостойкие стали с высоким содержанием марганца при хорошей ударной вязкости могут не обладать необходимой твердостью, но обладают необычайно высокой износоустойчивостью при трении с давлением и удару. Сочетая такую сталь с другой, пусть и мене износоустойчивой, но более твердой и прочной после закалки, можно получить клинок способный очень долго работать без правки. Многие нержавеющие стали при большой твердости хрупки, или наоборот, недостаточно тверды. Компонуя  их с менее коррозионностойкими можно получить сочетание хорошей твердости, прочности, износоустойчивости при достаточной коррозионной стойкости. Некоторые стали очень тверды, но в тоже время хрупки, хотя и обладают повышенной износоустойчивостью. Сочетая их с более вязкими, но менее твердыми сталями, возможно добиться замечательных результатов. В принципе, смысл работы мастера состоит в том, чтобы пожертвовав каким-то  излишним свойством, улучшить то свойство, которое более необходимо в данном случае, а не создать некую гипотетическую суперсталь. Иногда,  например, пожертвовать способностью закаливаться до высоких значений.

Сталь Р6М5 обладает повышенной твердостью (до 65 HRC) и хорошей износоустойчивостью, в тоже время при такой термообработке она малопластична  и не обладает хорошей ударной вязкостью. Сочетая её, например  с 12Х13, можно получить ударную вязкость под 60кгс/см2, что намного выше ударной вязкости многих  популярных ножевых марок, при сохраненной твердости около 60 HRC, причем в данном случае можно также достичь очень высокой износоустойчивости при повышенной коррозионной стойкости. Найти недорогую сталь, обладающую такими параметрами, наверное сложно. В данном случае относительная простота изготовления с относительно невысокой  стоимостью делает дамаски и булаты вполне конкурентоспособными на рынке клинковых сталей.

Другим очень важным свойством слоистых или волокнистых стальных композитов, является более высокая способность сопротивляться распространению трещин по сравнению с гомогенными сталями. При движении трещины в композите происходит ее торможение слоями или волокнами, у  вершины трещины при расслоение уменьшаются напряжения, и для развития процесса разрушения требуется повторное зарождение трещины, а как известно энергии для зарождения трещины требуется значительно больше, чем энергии для ее распространения. Не даром композитные материалы с древнейших времен  использовались именно в  длинноклинковом оружии.

Сравнивая свойства гомогенных и композитных сталей, нужно учитывать не одно и не два, а целый комплекс свойств, и главное - понимать смысл, который мастер вложил в тот или иной клинок. Однако так же необходимо заметить, что бездумное сочетание материалов, погоня за слоистостью или красотой не только не улучшает, а может и значительно ухудшить свойства тех материалов, которые в нем использовались. Например, сварив в пакете нержавейку с низкой ударной вязкостью с быстрорезом  в расчете на коррозионную стойкость при приличной твердости, можно достичь при этом желаемых результатов, но получить хрупкую сталь, не приняв  в расчет возможно низкую ударную вязкость обеих сталей и склонность нержавейки некоторых  марок к охрупчиванию.  Варя слиток или пакет мастер должен понимать, каких структур или свойств он добивается и для чего. Какие параметры материала хочет улучшить, а какими пожертвовать. Вероятно, только такой подход поможет достичь необходимых результатов. Каких ошибок, с моей точки зрения,  следует избегать при создании узорчатых сталей, возможно,  расскажу позже. Считаю что это отдельная, большая тема

http://www.bladesmagic.spb.ru/kirpi/a_bulat2007.htm
Ged
 


Вернуться в Технический центр



Кто сейчас на конференции

Зарегистрированные пользователи: Bing [Bot], DRPE, Yandex [Bot]