Оружие из Дамаска и булата

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.

Тем не менее, американским ученым удалось воссоздать технологическую цепочку, используя в качестве опытного образца современные марки сверхвысокоуглеродистой стали. Эксперименты показали, что при температуре 850 °С слитки с содержанием углерода до 1,9% проявляют чрезвычайную пластичность, легко выдерживая деформации обжатия в вальцах. Ниже - микрофотография структуры металла до (слева) и после (справа) прокатки. Структура показана с увеличением в 130 раз (вверху) и в 6 раз (внизу). До прокатки сетка цементита была непрерывной, с одинаковыми размерами ячеек. После обработки сетка разрушилась на отдельные фрагменты и заметно вытянулась в направлении вальцовки. Результат - металл, как и следовало ожидать, приобрел замечательную пластичность.

Здесь необходимо оговориться и подчеркнуть принципиальный момент - литой булат априори обладает внутренним строением, дающим впоследствии пресловутый поверхностный узор, тогда как искусственный сварочный Дамаск обретает узор за счет наслоений.

Издревле знатоки и ценители определяли качество булатных клинков по величине, форме и цвету рисунка. Размер его может быть крупным (достигающим толщины нотных значков), средним (не толще обыкновенного письменного почерка) или едва заметным. По цвету грунта различали три сорта булата - серый, бурый и черный. Чем грунт темнее, а узор контрастнее, тем выше ценился булат. Черный грунт бывает в твердых булатах с особо высоким содержанием углерода. Кроме того, различали еще отливы, красные и золотистые, которые клинок давал (или не давал) в косых лучах света. Более всего ценился крупный, золотистый узор по черному или красноватому фону. Впрочем, цветовая гамма в значительной мере обусловливалась способом вытравки и рецептурой растворов, о чем речь пойдет ниже.

Согласно классификации П. П. Аносова, главнейшие сорта булата таковы:

Полосатый…Шам и Эски-Шам;

Струистый…Шам;

Волнистый…Куш-Гынды, Кирк-Нардубан, Сари-Гынды, Кара-Табан;

Сетчатый…Табан, Хороссан, Кара-Хороссан, Нердебан, Кермани, Деши;

Коленчатый…Эркек-Табан, Лагори-Хороссан, Баяц-Хороссан, Лагори-Нейрис;

Хороссан» - название персидской провинции, «Табан» означает сетчатый булат, «Шам» - турецкое название Сирии, «Куш-Гынды» - «индийская волна», и так далее.

Вот два примера поверхности истинного булата:

Полосатый рисунок состоит из прямых линий, почти параллельных между собой. Это низший сорт.

Струйчатый рисунок имеет криволинейные включения между параллельными линиями. Это средний сорт. Если кривых линий больше, чем прямых, говорят о волнистом булате. Если кривые линии простираются по всем направлениям, а прямолинейные участки совсем коротки - это сетчатый рисунок. И, наконец, рисунок, проходящий по всей ширине клинка и повторяющийся по его длине, именуется коленчатым. Сетчатый и коленчатый - наилучшие сорта. Ритмичный повтор узора образует пресловутую «лестницу Магомета», своеобразный «знак качества» изделия.