13. Экспериментальные данные по сравнению в лабораторных условиях булата с легированной и инструментальной сталями

Здесь приводятся результаты испытаний, проведенных в Самарском государственном техническом университете.

 Методика

В качестве образцов для испытаний были взяты заготовки одного из лучших современных кузнецов-оружейников В. Коптева (Тула) и патриарха современных кузнецов В. Басова (Суздаль). Заготовка Басова представляли собой полосу дамасской стали полученной и термообработанной по типовой технологии (закаленной и отпущенной). Коптевское изделие было получено в свежезакаленном состоянии. Никакому отпуску до нас оно не подвергалось.

Образцы из заготовок вырезались в продольном направлении на отрезном станке абразивным кругом и затем сошлифовывались до требуемых размеров на плоскошлифовальном станке. Охлаждение на всех этапах осуществлялось триэтиламиновой эмульсией. Так как заготовки для клинков практически никогда не достигают толщины 10 мм, то для ударных испытаний вырезались призматические образцы размером L x B x H = 55 x 10 x 5 мм, т.е. тип 3 по ГОСТ 9454-78.

Известно, что ударная вязкость не обладает инвариантностью к размерам образца. Поэтому мы применяли контрольные образцы. Последние были изготовлены из закаленной стали ШХ15СГ и имели те же размеры (тип 3 по ГОСТ 9454-78). При испытаниях на копре, кроме параметра KCU, определялся угол загиба при ударе.

Вырезанные образцы отпускались при температуре 400 °C в электропечи в течение 2 ч. Эта температура отпуска выше типовой для клинков (последние кузнецы отпускают обычно при порядка 300-350 °C). Так было сделано в целях более простого сравнения результатов тестов с табличными данными. Кроме того, температура в 300 °С находится в зоне отпускной хрупкости. Согласно [9], троститная структура является оптимальной для клинков.

Несколько образцов Коптева последовательно отпускались при 150, 250 и 400 °C, что давало возможным сравнить изменение их твердости в зависимости от температуры отпуска с подобной для углеродистых сталей. Твердость по Викерсу измерялась при нагрузке 1 и 10 Н.

Химический состав определялся качественно на стилоскопе. В связи с гетерогенностью, а также из-за наличия сильной текстуры ограничились лишь качественным фазовым рентгеновским анализом, который проводили на дифрактометре ДРОН-2,0 в Co-излучении как до, так и после отпуска. Анализ проводился после электролитической полировки и травления в растворе на основе ортофосфорной кислоты. При металлографическом изучении также использовался 4-% раствор HNO₃ в этиловом спирте.

При испытании на растяжение применялись образцы с размерами рабочей части 3,6x5,8x26 мм ("короткий") и 2,65x3,65x74 мм (в последнем случае удлинение измерялось на базе 35 мм, которая соответствует "длинному" образцу данного сечения). Первый из этих двух образцов был вырезан из изделия Басова, а второй - Коптева.

Так как после разрыва второго образца одна из его половинок имела достаточные размеры, то после нового отпуска она была снова испытана на разрыв. Скорости нагружения при испытании на растяжение равнялись 2 мм/мин, 10 мм/мин и 1 мм/мин соответственно. Кроме предела упругости s _т, условного предела прочности s _в, относительного удлинения образца после разрыва e и относительного сужения образца после разрыва y , которые определялись по стандартным методикам, по делительным сеткам определялось среднее истинное удлинение образца e_у = ln (l_у / l₀) вне шейки.

Известно, что сильная пластическая деформация может несколько понизить температуру полиморфного превращения. Поэтому утверждение Басова, что дамасскую сталь нужно закаливать с пониженных температур могло бы быть обоснованным.

Для проверки этой гипотезы мы провели дилатометрическое исследование образца вырезанного из изделия Басова. Скорость нагрева в дилатометре была около 60 °C/мин. Такая высокая для дилатометрических исследований скорость нагрева потребовалась, чтобы предотвратить отжиг дислокационной структуры.

Результаты исследований

Анализ химического состава стали показал, что кроме углерода и, разумеется, железа, образец Коптева содержит порядка 0,25 % Mn. В образцах Басова 0,5 % Mn и 0,3 % Cr. Таким образом, по химическому составу их можно отнести к простым углеродистым сталям.

Макроструктура

В поперечном сечении изделия Коптева насчитывается около 300 слоев - волокон. Это оптимум по современным представлениям. Изделие Басова также насчитывает нескольких сот волокон. В частной беседе Басов говорил о значительно большем их числе, но это не подтвердилось.

Толщина волокна в изделии Коптева более однородна, чем у Басова. В последнем имеются довольно большие гомогенные участки с высокой твердостью площадью до 1 см². Эти участки разделены волокнами низкой и примерно одинаковой твердости. Таким образом, что изделия Коптева и Басова представляет собой дамаск совершенно разной морфологии: первый образован перевитыми волокнами разной твердости, второй - участки ("пятна") высокой твердости помещенные в матрицу из перевитых волокон близкой и низкой твердости.

Фазовый анализ

Все образцы до отпуска имели двухфазную a и g структуру. После отпуска при 400 °C g -фаза исчезла. Все это обычно для углеродистых сталей, температура полного распада остаточного аустенита в которых 300 ° C.

Дилатометрия

Никакого сдвига точки Ac₁ в дамасской стали по сравнению со сталью 20 не обнаружено: в обоих случаях превращение начиналось при 750 °C, что нормально для таких скоростей нагрева.

Надо отметить однако, что мы испытывали образец в термообработанном состоянии, т.е. после закалки и 400 °C отпуска. А такая обработка может снять эффект сдвига полиморфных точек.

Температура точки Ac₃ не определялась, так как из-за гетерогенности дамасской стали и высоких скоростей нагрева в дилатометре, использованных нами, определение последней не имело смысла.

Механические испытания.

 Твердость

Очень неравномерная твердость наблюдалась в исследованных образцах дамасской стали. Даже в пределах одного волокна. Изменение твердости в зависимости от температуры отпуска приведено на рис. 1. Легко видеть, что нет существенных различий в изменении твердости твердых волокон дамасской стали при отпуске и углеродистой стали с 1% C.

Поведение волокон дамасской стали низкой твердости более соответствует стали с 0,35%C. Тогда как известно, что в дамасске обычно применяют значительно более низкоуглеродистую сталь. Очевидно, это связано с диффузией сюда углерода во время обработки.Твердость зон в изделии Басова отличалась значительно: при низкой и близкой друг к другу твердости волокон, в заготовке имелись "пятна" высокой твердости (вплоть до 6,3 ГПа после отпуска при 400 °C). Это значительно больше, чем для углеродистой стали после такого отпуска. Оптическая спектрометрия подтвердила отсутствие легирующих элементов в "пятнах". Возможно, это результат высокого ковочного наклепа. Но подробно причина этого не выяснялась.

Ударная вязкость

Данные полученные при испытании на копре сведены в табл. 1. Там же приведены типичные значения твердости. Для сравнения в табл. 2 дана выписка на некоторые типичные современные стали. Видно, что ударная вязкость исследованных образцов дамасской стали находится на уровне инструментальных углеродистых и низколегированных сталей.

Табл. 1. Данные испытаний на ударную вязкость.

1.     слои с высокой/низкой твердостью;

2.     значения (HRc) получены переводом из твердости по Викерсу;

3.     имеются участки с твердостью HV 6,3 ГПа;

4.     среднеквадратичное отклонение.

Табл. 2. Требования к механическим свойствам некоторых сталей по соответствующим стандартам.

* данная сталь и ее легированные разновидности применялись для фабричной массовой выделки большинства сортов холодного оружия, в том числе шашек, кортиков и т.п.

Испытание на растяжение

Результаты испытаний на растяжение приведены в табл. 3. "Короткий" образец (N 1) разрушался вне рабочей части рядом с губками зажимных тисков разрывной машины. Кроме того, в его изломе наблюдалось значительное расслоение. Потому относящиеся к нему данные, особенно параметр y , нельзя признать полностью достоверными. Из-за недостатка материала мы, к сожалению, не имели возможности повторить испытание.

Табл. 3. Результаты испытания на растяжение.

* y - разрушился вне рабочей области и в шейке имеется заметное расслоение;
** - повторное испытание.

Из совокупности результатов приведенных в табл. 3, тем не менее, можно сделать вывод, что прочностные свойства при растяжении исследованных дамасских сталей несколько уступают прочности отпущенной с тех же температур закаленной углеродистой инструментальной стали У7 при практически той же пластичности.

Можно также отметить, что прочность исследованных образцов дамасской стали оказалась несколько ниже прочности старинной булатной стали(предел прочности последней был 1100 ±50 МПа) при примерно равной пластичности. Интересно, что твердость исследованной булатной стали была всего 23 HRc. Очевидно, что прекрасные режущие свойства булата обуславливаются другими причинами и не связаны с твердостью матрицы. Скорее всего, режущими элементами в последней выступают карбиды.

Фрактография

На изломе образцов дамасской стали хорошо видны ступеньки с шагом 0,7 мм, обнаруживается некоторое расслоение на пластины той же толщины. Видны неметаллические включения. По словам мастеров, ступенчатый излом характерен для излома дамасской стали. Отсюда можно сделать вывод о недостаточно высоком качестве сварки, применяемой на конечных стадиях ее фабрикации.

Излом в слоях образца Коптева транскристаллитный, хрупкий. Излом образцов Басова хрупко-вязкий. Тем не менее, между ними не обнаруживается большого различия в ударной вязкости.

Выводы

Из результатов испытаний видно, что образцы современной дамасской стали не превосходят по комплексу свойств твердость-вязкость инструментальные углеродистые и низколегированные стали и значительно уступают высокопрочным сильнолегированным. В случае выхода на лезвие участков повышенной твердости в Басовском изделии это может несколько улучшить режущие свойства по сравнению обычной высокоуглеродистой сталью. Однако хочу заметить, что булатная сталь всё-таки обыкновенная углеродистая, и проигрывая современным легированным сталям, она намного превосходит остальные углеродистые стали.