Сайт Ильи Куликова

Кафедрой металловедения СПб ГТУ (ЛПИ) совместно с Государственным Эрмитажем проведены исследования колюще-рубящего оружия из различных кладов. В настоящей работе приводятся данные, касающиеся обоюдоострого меча из погребения в Ясинове Херсонской губернии, датируемого VII в. н. э.

Эти сведения о булатной стали полезны потому, что они дополнительно свидетельствуют о важности равномерности распада и роли распределения более прочной (карбидной) фазы в "мягкой" преимущественно ферритной матрице. Следует отметить, что вопросы железных изделий и природы булата получили достаточное освещение в отечественной и зарубежной литературе [21-31, 35-36].

Материал исследования и схема вырезки образцов. Для исследования была представлена часть клинка обоюдоострого меча, примыкавшего к рукояти. Общий вид фрагмента меча, включая место крепления рукояти, представлен на рис. 1.14. На границе "б" и "в" меч был полностью разрушен, но плотно соединяется по месту коррозионно-механического излома.

Рис.1.14

Образцы для разнообразных исследований (макро- и микроструктура, макро- и микротвердость, химический анализ, рентгеноструктурный и микрорентгеноспектральный анализы, термическая обработка и т. д.) брали из участка "г" меча (см. рис. 1.14). Для предотвращения нагрева образцы разрезали электроэрозионным методом в ванне с керосином или маслом.

Макроисследования. Представленные фрагменты меча были поражены коррозией. Кроме общей коррозии были язвы различной протяженности и глубины. Однако сквозного разъедания металла меча не было выявлено. Меч был изготовлен из металла одной плавки, т. е. был монолитным, а не сваривался кузнечной сваркой из отдельных полос металла. Монолитность меча была доказана и специальным поперечным резом. При оценке поверхности невооруженным глазом, а также при макроисследовании с помощью небольшого увеличения был обнаружен продольный узор (рис. 1.15).Этот узор похож на узоры, описанные в работах [21, 23], булатных мечей различного изготовления (рис. 1.16) [21].

Рис.1.15 Макроструктура меча (микрошлиф сделан с поверхности): направленный вдоль меча узор

Рис.1.16

Как видно из рис. 1.15 и других макроисследований, этот узор волнообразен и направлен вдоль меча, что определяется принятой операцией ковки. Исследуемое колюще-режущее оружие является обоюдоострым мечом, по-видимому, утоняющимся в конце его.

Химический анализ. Определение углерода производили на анализаторе СS-244 фирмы ЛЕКО. Из взятой стружки выполнено пять параллельных определений (при калибровке прибора по фирменному стандартному образцу стали) и четыре параллельных определения (при калибровке прибора по стандартному образцу из чугуна Ч-1А). Были получены следующие результаты: I вариант - 1.89%; II вариант - 1,91 %. Таким образом, среднее массовое содержание углерода в исследуемом мече равнялось 1,90 %, т. е. по современной классификации это заэвтектоидная сталь с весьма высоким содержанием углерода, близкая по химическому составу к обычным чугунам.

Определение легирующих элементов производили микрорентгеноспектральным анализом на установке Camebax с полированной поверхности шлифа по одиннадцати точкам, причем на каждой сканированием растром с площади 100Х100 мкм. Чувствительность прибора (масс, доли, %): молибден-0,090; титан-0,060; алюминий-0,010; кремний - 0,010; вольфрам - 0,1; железо -0,040; хром - 0,06; никель - 0,030; медь - 0,040; марганец - 0,060.

В стали почти нет легирующих элементов. Не обнаружено содержания молибдена, вольфрама, ванадия и алюминия. Максимальное содержание титана (масс, доли, %) - 0,017; кремния - 0,051; хрома -0,028; никеля-0,036; меди-0,026; марганца - 0,060. Следовательно, исследуемый меч был изготовлен из нелегированного материала. Расплавленный металл также почти не имел раскислителей: кремния, марганца и алюминия. Определение содержания серы производили по той же методике, что и углерода. Среднее содержание ее было на уровне 0,012%. Как следует из описания, исследуемый булат является высокоуглеродистой нелегированной сталью. Учитывая большой его уков (о нем свидетельствует структурная направленность в сердцевине и особенно снаружи), он довольно гомогенизирован, т. е. нет оснований полагать, что изучаемый материал относится к чугунам. Известны булат и среднеуглеродистый, и даже малоуглеродистые [21-23]. Есть булаты и легированные, но это уже специальные - конструкционные материалы.

Рентгеноструктурный анализ. Рентгеноструктурный анализ выполняли на установке ДРОН-3 с монолитного материала. Была снята рентгенограмма в диапазоне углов 23-125° непосредственно с плоскости поперечного шлифа. Этот способ не совсем точен, но и не требовалось высокочувствительного .анализа. При рентгеноструктурном анализе обнаружены только феррит, аустенит (при явном преобладании альфа железа) и карбид железа (цементит) и следы а-Fe2Оз, Количественный рентгенофазовый анализ связан с большими трудностями, вызванными наложением всех дифракционных линий феррита на дифракционные линии цементита.

При массовом содержании углерода 1,9 % с учетом того, что углерод полностью выведен из твердых растворов в виде вторичного, эвтектоидного и третичного цементита, количество цементита должно быть в пределах 28,5%. Остальная (матрица) часть исходного металла представляет собой феррит и аустенит. Рассмотрим эти составляющие более подробно. Количество аустенита в металле исследуемого меча находится на уровне 10 -15%, причем на острой части меча его меньше. Следовательно [32 ], количество остаточного аустенита есть функция содержания углерода и его должно быть больше в исследуемом материале. Известно увеличение мартенсита в аустенитной стали типа 18-8 при холодном ее деформировании или при охлаждении в азоте. В аустенитной же стали с 12 %-ным содержанием никеля (при значительном содержании углерода) мартенсит не образуется как при холодной деформации, так и при охлаждении в область низких температур. Известна и обработка холодом, при которой часть остаточного аустенита переходит в мартенсит.

Следовательно, количество остаточного аустенита - это функция не только содержания углерода, но и легирующих элементов. От соотношения элементов-ферритизаторов и элементов-аустенизаторов зависит устойчивость аустенита, а следовательно, количество остаточного аустенита. Степень же стабильности последнего определяется и режимом термической обработки.

Таким образом, булат мог быть и чисто ферритным, ферритно-мартенситным и ферритно-аустенитным с различным содержанием аустенита. В рассматриваемом материале специалист булатного производства приемами ковки и температурой ее конца, а также скоростью охлаждения после окончания ковки мог регулировать не только его фазовый состав, но и количество остаточного аустенита. Следует полагать, что вторая основная фаза анализируемого булата - феррит содержит очень мало углерода. Последними нашими работами было показано, что кроме отпуска мартенсита (постепенное снижение твердости с ростом температуры и выдержки при ней) имеется и твердение мартенсита, т. е. на стадии предвыделения цементита FeзС происходит твердение последнего [8, 15]. Общая (макро-) твердость при этом может достигать HRCэ 69,5, т. е. соизмерима с твердостью цементита HRCЭ 70 -72 [10, 33]. Показано также [8, 15], что после твердения может начаться и разупрочнение металла. Для этого требуется при низких температурах весьма большое время. Описанное выше относится к твердению мартенсита закаленной высокоуглеродистой инструментальной стали.

Следует полагать, что в изучаемом булате матрица выделит избыточный третичный цементит, ибо для этого хватает времени (10 -21x10 в шестой степени ч). Таким образом, феррит в изучаемом мече содержит очень мало углерода, по сути дела является железом. Следовательно, изучаемый материал состоит из ферритной основы (при небольшом содержании аустенита) и карбидов FeзС. Микроисследование. Предполагалось, что узор меча зависит от формы расположения цементита. Другими словами направленность цементитных частиц, определяемая умением мастера, обусловливает их расположение и форму выделений. Анализ предшествующего материала подвел к такой гипотезе, и последующие микроисследования как бы контролируются этой идеей. Но к этой идее мы подходим подробно исследуя материал в различных сечениях и направлениях.

В центре меча видна определенная направленность темных и светлых выделений в ферритно-аустенитной матрице. Если рассматривать и острую часть меча (рис. 1.17), то при увеличении 100 наблюдается больший уков, т. е. при этом уже видно, что направленность это есть расположение карбидов FeзС. На периферии более крупные карбиды, чем в центре. При большем увеличении (рис. 1.18)

хорошо видны карбидные строки и между ними находятся более темные участки -вкрапления более мелких карбидов FeзС. Вид крупных карбидов FeзС, их строчечность представлены и на рис. 1.19.

Хорошо видно, что темные выделения - это более мелкие карбиды FeзС в матрице. Следовательно, по нашему мнению, узор булата формируется формой и расположением карбидов в ферритной (ферритно-аустенитной) матрице, что подтверждается вышеупомянутыми микроснимками.

На рис. 1.20 и 1.21

представлен карбидный узор в продольном направлении (вдоль меча). В зависимости от принятого увеличения наблюдаются светлые и темные выделения цементита. В центре меча уков меньше, и поэтому карбиды FeзС имеют менее выраженную направленность. Но несмотря на величину укова, нигде не было обнаружено сетки вторичных карбидов. Уместно отметить, что нигде явно не обнаруживалось и наличие не полностью рекристаллизованных зерен.

Проведенное исследование микроструктуры с учетом ранее перечисленных данных показывает, что узор булата определяется формой и расположением карбидных выделений . При просмотре нетравленого шлифа в отраженном свете (светлое поле) наблюдали мелкие включения оксидов и редкие сульфиды, беспорядочно распределенные по всей площади шлифа.

Макро- и микротвердость. Прежде чем оценить твердость исследованного булата и его структурных составляющих, рассмотрим некоторые известные данные. Из рис. 1.22

следует, что твердость низкоуглеродистого феррита соответствует НВ 80 -100 кг/мм . Твердость аустенита при комнатной температуре (аустенитные стали типа 18-8) находится на уровне 150-180 кг/мм , твердость цементита, как уже отмечалось, равна НКСЭ 70-72 (НВ 900-950). Это указывает на резкую дифференциацию структурных составляющих.

Перлит (механическая смесь феррита и цементита) имеет твердость НВ 160-300 кг/см . Для примера взят перлит эвтектоидной стали марки У8. Исходная булатная сталь имеет твердость НВ 80 -100 кг/см (рис. 1.22). Если рассматривать макротвердость, то твердости цементита (НО8000 Н/мм , крупные включения) соответствует различная микротвердость на более мелких участках (рис. 1.23).

Это указывает, что более мелкие выделения цементита при замере микротвердости продавливаются и фиксируемая твердость при это находится на уровне 2000-6000 Н/мм2 (см, рис. 1.19). В межкарбидных пространствах микротвердость определяется захватыванием карбидов. И она находится на уровне менее 2000 Н/мм2.

Таким образом, исследуемый металл весьма анизотропен как по сечению, так и в направлении ковки. При этом анизотропность свойств сильно выражена и определяется величиной деформации. Отсутствие данных по кратковременным прочностным (Сигма в; Сигма о,2) и пластическим (б, Пси) свойствам определяется техническими причинами (ограничением заказчиком количества исследуемого материала) и не дает возможности оценить вклад в их величину рассмотренных выше факторов.

Таким образом, установлено, что узор булата определяется формой и расположением цементита, т. е. уковом и способами ковки и термической обработки, определяемыми изготовителем. Механические свойства (рубящие и колющие, упругие, пластические и т. д.) определяются как степенью расположения карбидов, их формой и ориентацией, так и состоянием матрицы (ферритная, ферритно-аустенитная и т. д.). Необходимо дальнейшее исследование по структурно-физическим аспектам булатных изделий.

Но при этом уже можно отметить следующие положения. Обнаруженная "анизотропия" в некоторой мере, является ложной, ибо все карбиды, независимо от их природы, формы и размеров (округлые, пластинчатые, крупные, мелкие, вытянутые и т. д.) находятся в "мягкой" матрице. Как ранее уже было доказано, феррит булата, независимо от содержания в нем углерода, является относительно мягкой фазой по сравнению с твердой (режущей) - цементитом.

Изготовители булатного клинка это, по-видимому, хорошо знали и всегда стремились к тому, чтобы однородно распределенные твердые частицы находились в мягкой матрице. Чередование слоев с большим и меньшим содержанием высокопрочных цементитных частиц достигалось не только кузнечной сваркой пластин различного химического состава, но и применением монолитного металла, В этом случае приемами деформации обеспечивалось требуемое в контактирующих слоях (большое и малое) содержание цементита. Это, в свою очередь, обеспечивало и булатный узор.

Таким образом, исследуемую булатную сталь (как и булатный чугун) можно отнести к материалам с относительно равномерным однородным распределением в пределах слоя выделившихся частиц цементита в мягкой матрице. Но в пределах слоев будет и анизотропия, обусловленная как требованиями работоспособности, так и необходимостью получения нужного узора. Можно отметить, что в угоду получения требуемого узора карбиды перераспределялись и как бы "вытягивались" в направлении длины меча. Это нарушало однородность в распределении карбидов и, безусловно, изменяло изотропное состояние металла меча. Но требуемая величина общей пластичности такого конгломерата как необходимой и локальной пластичности сохранялась, что обеспечивало мягкую матрицу при твердых вкрапленных частицах карбидаFeзС [34]. Считаем при этом необходимым отметить, что предотвращение преждевременного хрупкого разрушения предусматривает сохранение в материале во времени необходимого запаса пластичности, позволяющего осуществить релаксацию полей напряжений от скоплений дислокаций и других несовершенств путем передачи деформации в соседний объем, а не путем образования зародыша хрупкой трещины.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Паршин А. М. Структура, прочность и пластичность нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов, применяемых в судостроении,- Л.: Судостроение, 1972,-288 с.
2. Станюкович А. В. Хрупкость и пластичность жаропрочных материалов.- М,: Металлургия, 1967-- 199с.
3. Масленков С. Б. Легирование и термическая обработка жаропрочных сплавов.-МиТОМ.-1977.-№ 10.-С. 15-19.
4. Лапин А. Н., Паршин А. М. Особенности структурных превращений в аустенитных хромоникелевых сплавах и влияние их на длительную пластичность//Вопр. судостроения. Сер.: Металловедение.-Л.: Судостроение.- 1978,-Вып. 27.-С. 3-13.
5. Физическое металловедение/Я. С. Уманский, Б. Н. Финкельштейн, М. Е. Блантер и др.- М.: Металлургиздат, 1977.-724 с.
6. Паршин А. М., Ушков С. С., Ярмоловнч И, И. Растрескивание титановых а + бета-сплавов при термической обработке // Технология легких сплавов. - М.: ВИЛС.-1974.-№ 1.-С. 53-59.
7. Охрупчивание к самопроизвольное растрескивание закаленного титанового а + бута-сплава при старении/И. В. Горынин, А. М. Паршин, С. С. Ушков, И. И. Ярмолович//Тр. III Междунар. конф. по титану. - М.: Мир. -1976.-С. 330-336. 40 '
8- Паршин А, М. Структура, прочность и радиационная повреждаемосгь коррозионно-стойких сталей и сплавов.- Челябинск: Металлургия, 1988.- 656 с.
9. Паршин А, М" Разуваева И. Н., Ушков С. С. Структура, прочность и пластичность дисперсионно-упрочняемого бета-сплава титана и рациональные области его использования.- Л.: ЛДНТП, 1973- 28 с.
10. Геллер ГО. А. Инструментальные стали. 5-е изд.- М,: Металлургия, 1983.-526 с. П. Гуляев А. П., Лебедева Е. А. Исследование стали марки XI2Ф. - М.: ЦБТИ, 1952.- 39 с.
12. Криштал М.А. Диффузия в металлах и сплавах//МиТОМ. - 1973.- № 3.-С. 71-78.
13. Лашко Н. Ф. Физико-химические методы фазового анализа сталей и сплавов.-М.: Металлургия, 1970.- 476 с.
14. Влияние равномерности распада твердого раствора в высокохромистой стали Х12Ф1 на комплекс свойств / Н. Б. Кириллов, Т. К. Маринец, В. В. Обу-ховский, И. А. Ординарцев // Пробл. материаловедения теплоэнергетического оборудования атомных электростанций.- Л.: ЛГТИ.- 1984.- С. 74-78.
15. Физнческие аспекты твердения мартенсита в инструментальных сталях / Ю.М, Иванов, М. А. Жукова, Е. В. Новиков, Е. 3. Степанов //Повышение качества, надежности и долговечности изделий из конструкционных, жаропрочных, порошковых и инструментальных сталей и сплавов.-Л.; ЛДНТП.- 1986.- С. 41-44.
16. Медовар Б. И. Сварка жаропрочных аустенитных сталей и сплавов.-М.; Машиностроение, 1966.-429с.
17. Илиев К. Современные методы обработки высокопрочных материалов /-/ МиТОМ.-1983.-№ 10.-С. 54-58.
18. Инструментальные стали: Справ. /Л. А-Позняк, С. И. Тишаев, Ю. М. Крын-чен ко и др.-М.: Металлургия, 1977.- 168с.
19. Позняк Л. А., Скрынченко Ю. М., Тишаев С. И. Штамповые стали.- М.: Металлургия, 1980.-244 с.
20. Гуляев А. П., Малинина К. А., Саверина С. М. Инструментальные стали; Справ., 2-е изд. - М.: Машиностроение, 1975,- 272 с.
21. Голиков И. Н. Дендритная ликвация в стали.- М.: Металлургиздат, 1958.- 206 с.
22. БогачевИ. Н. Секрет булата.-М.: Свердловск: Машгиз, 1957.-91 с.
23. Гуревич Ю. Г. Загадка булатного узора.- М.: Знание, 1985.- 191 с.
24. Великий русский металлург (к 100-летию со дня смерти П. П. Аносова) //Сталь.-1951.-№6.~С. 483-486.
25. Назаренко В. Р. Изучение структуры и свойств булатной стали // Литейное производство.- 1986.- № 7.- С. 4-5.
26. Перещепинский клад (к выставке Сокровища искусства Древнего Ирана, Кавказа, Средней Азии).- Л.: Государственный Эрмитаж, 1972,- 20 с.
27. Вознесенская Г. А. Техника обработки железа и стали //Т. Б. Б а р ц е в а, Г. А. Вознесенская, Е, Н. Черных// Металл Черняховской культуры.- М.: Наука, 1972-С. 8-49.
28. Колчин Б. А. Железообрабатывающее ремесло Новгорода Великого // Тр. новгородской археологической экспедиции. Под ред. А . В. А р ц и х о в с к о го, Б. А. Колчина. Т. 2.-М., Изд-во АН СССР.-1959.-С.7-120.
29. Кузнецов В. А. К вопросу о производстве стали в Алонии//Кавказ и Восточная Европа в древности.-М.: Наука, 1973.-С. 212-216,
30. Рындина Н. В. Металлография в археологии//Археология и естественные науки/Под ред. Б. А. Колчина.-М,: Наука, 1965.-С. 119-128.
31. Вознесенская Г. А. Металл троицкого городища//Археология и естественные науки/Под ред. Б. А. Ко л чина.- М.: Наука, 1965.-С. 129-138.
32. Гуляев А. П. Металловедение. Изд. 6-е. М.: Металлургия, 1986.-534 с.
33. Таран Ю. Н., Новик В. И. О микротвердости цементита//МиТОМ.- 1966.- N5 7.- С. 12-14.
34. Паршин А. М., Шевелысов В. В. Природа повышения вязколластических свойств титанового сплава ВТ22 при термоциклической обработке // Цветная металлургия.- 1989.-№3.-С. 104-109.
35. Гопак В. Д. Ковальська справа у ранних слов'ян в Середньому Поднiлров i //Археология.-София.-№ 17--1975.-С. 15-22.
36. Pieiener R. Zur Technik der Sabel aus den slawisch-awarischen Graberfeldern der Sudslowakei // Rapports du HI Congres Inlernalional d'Archeologie Slave. Bratislava 7-14-IX 1975. - T. 1.- Bratislava, 1979.- C. 625-627.