Две с гаком тысячи лет назад римский механик и архитектор Витрувий изрек глубокую мысль: Всякая вещь должна непременно обладать тремя качествами – Полезностью, Прочностью, Красотой.
Действительно, вещь должна быть для чего-то нужна, быть полезной, выполнять некую функцию, для которой она и была создана. Для исправного выполнения этой самой функции она должна обладать прочностью, т.е. служить надежно и долго. Красота…красота понятие глубокое, и здесь мы не будем его пристально рассматривать. Вскользь отметим, что красота является неким отражением функциональности, и в некоторых вещах красота выходит на первый план, совпадая с полезностью.
Сегодня при сравнении узорчатых сталей всех типов с промышленными сталями обычно сравнивают самую лучшую легированную сталь с каким-нибудь весьма заурядным дамаском, упуская из виду условие соблюдения одинаковости хим.состава, игнорируя своего рода формулу химсостав+структура=свойства. Это так же ошибочно, как сравнение достижений атлетов разных весовых категорий, поскольку даже великолепно тренированного борца-легковеса тяжеловесный середнячок просто «задавит жиром».
Действительно, в древности дамаск состоял из сваренных кузнечной сваркой стали для напильников и мягкого железа, при среднем содержании углерода в этой смеси 0.6-0.8%, а в том же напильнике углерода было в два раза больше, 1.2-1.5%. Это и дало повод появиться утверждению, что дамаск всегда хуже, чем лучшая сталь в его составе. На это я столь же категорично отвечал, что дамаск всегда лучше, чем сталь одного с ним состава. Как обычно бывает с категорическими утверждениями, они верны, но далеко не всегда. Или лишь иногда.
Что ж, посмотрим. В наиболее общем виде прочностные характеристики узорчатого металла определяются средним содержанием углерода, который и является главным легирующим элементом. Так же, как и в обычных сталях, твердость и режущие свойства возрастают именно с повышением его содержания. Очевидно, что если в дамаске или булате будет, например, только 0,3% углерода, то ожидать от него твердости напильника не приходится при любой, самой хитрой ковке и закалке.
Значит, прямой путь к повышению режущих свойств – усиление хим. состава. Но здесь есть свои скрытые подводные камни, требующие для их преодоления четкого понимания сути происходящих процессов в металле. Так, металл с 0.5-0.6%С используют главным образом там, где нужна повышенная прочность при простом использовании - в ударных клинках мачете и тяжелых походных ножах. Сложнее, если требуется своего рода инструмент для точной работы на кухне или на охоте. Дамаск с 1.2-1.5% С режет в разы дольше и лучше, но и сломать такой твердый нож, выкрошив лезвие или отломив острие при небрежной работе, совсем не трудно, поэтому высококлассным ножам требуется своего рода высококлассный пользователь.
Гоночный болид. 1.2-1.5% С
Спорт-кар. 0.9-1.1% С
Универсал-седан. 0.7-0.8% С
Внедорожник. 0.5-0.6% С
Аналогия класса авто и среднего содержания углерода в дамаске
А теперь посмотрим на дамасскую сталь, на дамаск, именно как на сталь с узорами. Красоту и гармоничность ее узоров и их связь с прочностью пока оставим в стороне, хотя авторитетный Аль-Кинди уже 1200 лет назад сказал, что глядя на узорчатую сталь видишь её как снаружи, так и внутри. И это верно, потому что наружный узор клинка является отображением его внутренней структуры.
Дамасский клинок Марии Архангельской. Красиво, прочно, остро.
Встречается мнение любителей сверхсовременных сталей, что дамаск, его узор, это только красота и декорация. Да, сейчас нередко делают чисто декоративные клинки, где на первое место в качествах выходит именно декор, сложность и замысловатость узора, его цветовая гамма, а режущие и прочностные свойства просто не рассматриваются.
Особенно это касается т.н. «торцовой мозаики» - подробно о ней здесь https://dzen.ru/a/aSxW6TmaMndNT9TM
https://dzen.ru/a/aTBHaZMsNGSMGWYu )
Сейчас рассматривать ее прочностные свойства мы не будем за ненадобностью, и вкратце укажу лишь на то, что основным фактором ее НЕпрочности является наличие большого количества поперечных сварочных швов. А прочность такого шва как правило всего 0.5-0.7 от прочности основного металла, т.е. эти поперечные швы можно рассматривать как своего рода надрезы поперек клинка. Гнуть и стучать - нельзя.
Крученые варианты намного прочнее, и в старину такими клинками и стучали по шлемам, и даже порой гнули буквально дугой. Как сказано в описании 10-го века Худуд ал-Алам - "Книга о пределах мира от востока к западу»: «от русов вывозятся мечи, которые можно сгибать пополам (дугой) и когда руку отнять, они возвращаются в прежнее положение."
Подробнее об этом здесь https://dzen.ru/a/aR3Uy3pIYRmRf4ei
Узор боевого турецкого ятагана
В классическом же слоистом дамаске от узора зависят именно практические свойства – прочность клинка и его способность к резу. И это доказанный факт. Так, в самом начале 2000-х годов были проведены масштабные испытания дамасских клинков одной формы и размеров, но с разным количеством слоев и с разным узором. Дамаск был сварен из двух марок стали - чисто углеродистой У8 (материал для зубила) и очень твердой хромовольфрамовой ХВГ, применяемой для длинных свёрел и разверток. Сравнение производилось резкой пенькового каната и, по советской традиции, рубкой железной гвоздевой проволоки.
Испытания проводились в моей мастерской преподавателями московских металлургических ВУЗов и по их результатам были написаны (и защищены) дипломные работы студентов.
И результаты эти были весьма показательными. Так, больше половины дамасских клинков показали результаты, уступающие показателям контрольных клинков из сталей, входящих в состав дамаска. Так что же, тезис «дамаск всегда хуже лучшей стали в его составе» оказался верным? Да, но как и было ранее сказано, лишь отчасти, то есть не всегда. Оказалось, что при некотором сочетании количества слоев и типа узоров часть клинков из дамаска превзошли «свою» лучшую сталь на 20-25%. А это много, учитывая более мощный химический состав стали.
Более того, дамаск – это своего рода металлокомпозит, а в композитах есть правило для расчета свойств. Формула проста – сумму показателя свойства материала А плюс показатель материала Б делим пополам (если материалы в равных долях) и получаем показатель свойства композита. Если сталь А отрезала 100 раз, сталь Б 200, то дамаск из них, по идее, должен отрезать (А+Б)\2, т.е. 150 раз. Но! Все дамаски резали больше, с некоторой значительной дельтой.
Показательно еще и то, что дамаски с крупнозубчатым узором на режущей кромке, продолжали приемлемо резать даже тогда, когда кромка затупилась настолько, что ее торец блестел, а на лезвии образовался видимый глазом волнистый макрорельеф. Итого, в формуле химсостав+структура=свойства дамаск при несколько уменьшенном первом пункте резко повышает влияние структуры металла, его узора.
Здесь я жестко наступлю на собственную руку, которая стремится далее описывать характер возникающего микрорельефа на лезвии, его зависимость от количества слоев и характеристик сталей дамаска, рисовать схемы износа слоев при образовании той самой микропилы... ибо я пишу здесь популяризаторскую, обзорную статью, а не диссертацию с рейтингом копирований и публикаций. Может быть, позже?
Пока всё, идем далее.
Остроту клинка в узком смысле слова определяют чисто геометрические параметры клинка, а именно угол заточки и радиус завершения его режущей кромки. Очевидно, что толстая кромка с трудом внедряется в разрезаемый материал, но в то же время она более успешно сопротивляется чисто механическим нагрузкам при ударах или усиленном давлении во время резки твердых материалов. Идеально тонкого ее завершения при заточке, так сказать «в ноль», на практике не добиться, поэтому под микроскопом на самой кромке можно разглядеть некую площадку, ширина которой и определяет степень остроты. Можно заточить клинок так, что первоначально эта ширина будет составлять всего 1-2 десятых доли микрометра – именно до такой остроты в 19-м веке затачивались дорогие бритвы фирмы Вилкинсон, которыми можно было разрезать волос вдоль.
В процессе работы кромка изнашивается и увеличение усилия при резе, затупление клинка, становится ощутимым при толщине завершения около 30 микрометров. Очевидно, что чем крупнее зерно и карбиды в металле клинка, тем сложнее добиться тонкого, острого завершения режущей кромки.
И здесь важнейшую роль играет макро- и микроструктура металла, потому что острота клинка сосредоточена на последних нескольких долях миллиметра режущей кромки.
Существуют два основных механизмы затупления - это абразивное истирание и механическое смятие или скалывание. Истирание играет главенствующую роль тогда, когда материал клинка имеет максимально однородную структуру, без включений крупных карбидов. Примером могут служить клинки из пружинных и углеродистых стали с 0.6-0.8% углерода, шарикоподшипниковой ШХ15 и ей подобных. Режущую кромку из таких сталей можно остро заточить на весьма малый угол без заметной потери ее прочности.
Смятие имеет место в случае мягкой режущей кромки, которая получается либо вследствие малого содержания углерода в стали, либо из-за применения мягких режимов термообработки.
Скалывание наиболее ярко проявляется в случае использования стали с включениями крупных карбидов. В высокоуглеродистых сталях, особенно легированных, нередки карбиды неправильной формы размером от 20 до 50 мкм. При выходе таких крайне твердых и хрупких глыб на режущую кромку толщиной всего в 1-5 мкм они будут крошиться либо выламываться целиком уже при небольших усилиях реза, образуя грубую пилообразную структуру. Скалывание прекращается, когда толщина завершения режущей кромки станет соизмеримой с размером карбидов. Очевидно, что в этом случае надо увеличивать начальную толщину кромки.
Зависимость угла заточки от структуры стали
Следовательно, наиболее хорошими прочностными и режущими свойствами обладают мелкозернистые металлы с максимально равномерно распределёнными по объему твердыми мелкими карбидами. В обычной промышленной инструментальной стали хорошей считается средняя величина зерен и карбидов 10 мкм, отличной – в 1-5 микрометров.
В неоднородном же по своей природе дамаске размер зерна и карбидов зависит главным образом от количестве слоев сталей различного состава, которое в обычном дамаске составляет 250-350 при их толщине в 15-20 микрометров. Учитывая, что границы слоев являются весьма труднопреодолимыми препятствиями для роста зерна, то становится очевидным автоматическое измельчение зерна в дамаске до самого мелкого, встречающегося в сталях. То же происходит и с карбидами, средний диаметр которых в несколько раз меньше толщины слоя. При уменьшении толщины слоев узорчатого металла его зерна и карбиды как бы перетираются, дробятся между жерновами в виде стыков слоев. Таким образом, в дамаске формируется мелкая и сверхмелкая зернистая структура сталей, входящих в состав пакета.
Размер зерна сначала уменьшается до самого мелкого, встречающегося в обычной стали, а затем, когда размер зерна станет соизмеримым с толщиной слоя, зерну становится «тесно» в границах слоя и оно может дробиться на т.н. субзерна. При дальнейшем уменьшении толщины слоев вроде бы должны начать дробиться сами субзерна, чей размер около 0,1 мкм и металл которых имеет практически неискаженную, бездефектную кристаллическую решетку.
Однако есть несколько обстоятельств, смазывающих эту идеальную картину. Из-за диффузии углерода границы слоев размываются и при наращивании количества слоев с многочисленными нагревами до высоких температур постепенно происходит полное выравнивание состава. Условным пределом толщины слоев в обычном дамаске является размер в 5 мкм, что соответствует примерно 1000 слоев в клинке. Дальнейшее необдуманное наращивание количества слоев без применения специальных мер не имеет смысла.
Схема деградации слоев дамаска. Из диссертации Д.А. Суханова
По мере уменьшения толщины слоев до критического уровня размер зерна становится равным толщине отдельного слоя и оно приобретает форму своего рода плоского граненного блина. Поперечные стыки зерен в каждом слое имеют относительно разрыхленное кристаллическое строение, в эти стыки-квазитрещины легко внедряется углерод из соседних слоев и слои прерываются. При дальнейших циклах нагрева и деформации слоистая структура сохраняется лишь фрагментарно.
Об этом подробнее написано здесь: https://dzen.ru/a/aQuXPtogx17wjtTx
Схема диффузии углерода через границы зёрен при разрушении слоев
На сохранность четких границ слоев сильнейшее влияние оказывает состав металла, поэтому прямой путь - в рациональном легировании. Карбидообразующие элементы, такие как вольфрам, ванадий, молибден связывают углерод в стальных слоях, тем самым уменьшая его подвижность.
Для проверки влияния легирующих элементов на сохранность слоев методом прокатки в вакууме был сварен экспериментальный дамаск, состоящий из пластин железа и быстрорежущей стали с 18% вольфрама. Оказалось, что композит имел резкие границы слоев даже при толщине слоя в несколько тысячных долей миллиметра. В контрольном же образце из пластин железа и кремнистой (2% Si) пружинной стали уже при толщине слоя в одну десятую долю миллиметра произошло почти полное выравнивание состава по углероду. При этом не связанный с углеродом в карбиды сравнительно малоподвижный кремний остался на своем месте в объемах бывших стальных пластин, образовав видимый при травлении узор.
Используя этот опыт, обычным методом кузнечной сварки под флюсом я изготовил дамаск с содержанием углерода 1.2% и толщиной четко оформленных слоев всего около 1 мкм, т.е. тысячной доли миллиметра. Под микроскопом была видна красивая субмикронная карбидная структура. Рациональное легирование и минимальное количество сварочных и деформационных нагревов до минимально допустимых температур – вот общий путь.
Слои дамаска с толщиной около 1 мкм и их внутренняя структура
Некоторое время я был весьма доволен этим своим достижением, но при поиске способов дальнейшего уменьшения толщины слоев оказалось, что учеными уже были проведены многочисленные работы в этой области. Исследователи применяли разные методы, в том числе используя межслойные прокладки из непреодолимых для диффузии углерода металлов, и им удалось получить слоистые композиты с толщиной слоев всего в несколько сотых долей микрометра. Нанотехнологии в прямом смысле слова…
По мере приближения к таким толщинам слоев свойства композита становились все более аномальными. Следовательно, это путь к последующему полному разрушению кристаллического строения металла вплоть до его аморфного состояния. А свойства аморфных металлов, т.н. «металлических стекол», поистине фантастические. Эта область исследований крайне интересна и обширна, но все же имеет весьма отдаленное отношение к классической дамасской стали. Образно говоря, такие композиты похожи на обычный дамаск как самолет на птицу…
Здесь об этом подробнее: https://dzen.ru/a/aLCEStJqNm2-wT9E
Настойчиво повторим про прямую связь вида макроструктуры, узора, и режущей способности дамасского клинка. Смятие или напротив, скалывание выходящих на кромку слоев сталей разной толщины, с разным химсоставом и твердостью, оказывают сильнейшее влияние на способность к резанию. Причем для резки мягких материалов с небольшим усилием оптимальным будет один тип структуры-узора, для усиленного строгания твердого дерева другой, а для бритья - третий. И здесь решающим фактором является квалификация мастера, его опыт и знания. По словам Платона, отличие ремесленника от мастера в том и состоит, что ремесленник знает как, а мастер понимает зачем.
Итак, в грамотно изготовленном и обработанном дамаске металл может иметь макро-и микроструктуру, позволяющую достичь очень высокой остроты и прочности лезвия.
Твердость позволяет резать стекло - многие десятки раз
Прочность - рубить гвозди на куски
Острота - строгать волос в стружку
На этом пока остановимся, а далее и позже, во второй части, рассмотрим свойства другого типа дамасской стали - тигельного булата.
---------------------------------------------------------------------------------------
Почта tigram.korolev@mail.ru
Сайт arhangelskie.com
Донат для помощи каналу,
карта СБ 2202 2069 2303 8132
Карта TINKOFF 5536 9138 9251 7489