Атомы чистого железа расположены строго определенным порядком, образуя структуру феррита. Если посмотреть в некий волшебный микроскоп, то мы увидим, что феррит имеет симметричную, объемно-центрированную кубическую решетку, где вовсе нет свободных мест для размещения атомов углерода, а в микроскопе обыкновенном поверхность такого железа выглядит белой пустыней.
Но если сталь является сплавом железа с углеродом, то позвольте спросить - где этот самый углерод находит себе пристанище, коль скоро в кристаллической структуре железа места для него не предусмотрено? Секрет в том, что углерод и не пытается внедряться в плотно сбитые кубы атомов железа, а образует более или менее развитые прослойки, состоящие из карбида железа, именуемого цементитом (Fe3C). В результате мы получаем своеобразную мешанину из феррита и цементита, называемую перлитом. Шлифованный и протравленный срез такого образца имеет красивый перламутровый блеск, отсюда и термин. В сыром, не закаленном виде сталь обладает либо перлитной, либо комбинированной ферритно-перлитной зернистой структурой.
При нагревании происходит перегруппировка атомов, в результате чего при температурах свыше 727 °С наш образец приобретает уже иную кристаллическую структуру, именуемую аустенитом. Она представляет собой кубическую решетку с атомами железа в центре каждой грани, при этом атомы углерода (показан темным) могут свободно внедряться между атомами железа.
Проще сказать, здесь углерод как бы растворяется в железе, но это твердый раствор. Механические свойства аустенита весьма заманчивы - он обладает высокой прочностью в сочетании с пластичностью. Увы - чудесная структура нестабильна, и живет лишь в узком диапазоне высоких температур. Если позволить детали медленно остыть, то аустенит вновь превратится в перлит, что широко используется на практике, когда готовые изделия подвергают процедуре отжига. При этом выравнивается кристаллическая структура и снимается внутреннее напряжение.
Однако, обеспечив стремительную потерю тепла порядка 300 °С/сек (например, путем погружения раскаленной детали в какую-нибудь жидкость), мы лишим капризный аустенит возможности обратного перевоплощения, и он от злости закостенеет, сделавшись твердым и хрупким мартенситом. Микрошлиф данной структуры имеет типичное игольчатое строение.
В этом суть закалки - охладить сталь с такой скоростью, чтобы аустенит не вернулся в исходное состояние перлита. Чем ниже скорость охлаждения, тем больший процент аустенита будет потерян. Соотношение «перлит- мартенсит» и определяет конечные механические свойства после термообработки. Если деталь, изготовленную из качественной углеродистой стали (например, У10), разогреть до температуры свыше 800 °С, а затем резко погрузить в холодную воду, то мы получим почти чистую мартенситную структуру. В таких случаях говорят, что сталь закалена «насухо». Так калят напильники, и каждому известна их твердость и хрупкость. Разумеется, обладающий такими качествами клинок будет звонким и крепким, но разлетится от первого же удара или с легким щелчком треснет пополам при малейшем изгибе.
Все попытки придать ему хоть сколько-нибудь пластичности будут иметь успех исключительно за счет пропорциональной потери твердости. Добавки некоторых элементов (например, марганца) в совокупности с нагревом до температур выше 1000°С и последующим форсированным охлаждением в ледяной воде позволяют частично стабилизировать структуру аустенита. Такие стали обладают удивительной прочностью, стойкостью к истиранию и ударным нагрузкам. Из них, например, делают элементы гусениц танков. Популярная в среде отечественных оружейников рессорная сталь 65Г как раз является марганцевой, однако ее закалочная твердость не превышает значения 50-55 HRC (если не поступаться вязкостью).
Таким образом, поколение за поколением оружейники играли и играют на тонкой грани компромисса между одной и другой крайностями. Конечно, есть целые этнические группы (народности севера, африканские масаи), традиционно и с успехом пользующиеся практически сырым железом, которое не ломается, легко выправляется буквально на колене и затачивается о любой встречный камень. Но абсолютное большинство мастеров пускались на самые изощренные хитрости в стремлении обеспечить своему детищу твердость и вязкость одновременно. Теперь эта каверзная задача довольно успешно решается во множестве марок легированных сталей. Для тех, кому иностранное слово показалось ругательством, поясню - ряд химических элементов (никель, вольфрам, молибден, марганец, медь, титан и др.) обладают способностью резко и целенаправленно менять свойства стали, улучшая ее характеристики. При этом в количественном отношении такие присадки, именуемые легирующими, выражаются порой сотыми долями процента, и их вовсе не следует забрасывать в плавильную печь кубометрами. Но благодаря им все мы сегодня знакомы с нержавеющими, жаропрочными, жаростойкими, химически пассивными и другими удивительными марками стали.
Применительно к холодному оружию представляет интерес то, что легирующие добавки измельчают и уплотняют структуру металла, обеспечивая стойкость к ударам и общую вязкость без заметных потерь твердости. Именно незримому содержанию в местных рудах едва ощутимых количеств молибдена, хрома и вольфрама обязаны своими легендарными качествами пресловутые японские мечи, а также сабли и шашки, которые делались в некоторых районах Северного Кавказа. Тем удивительнее феномен классического булата, в котором кажущаяся не разрешимой задача не только решена в незапамятные времена, но закрыта целиком и полностью, окончательно, потому что лучшие сорта булата давали максимально возможную для стали твердость при сохранении столь же максимальной пластичности. Илимов, проводивший доскональное исследование этого вопроса по поручению академика Гесса в сороковые года XIX века, писал следующее: «Отполированный и закаленный конец полоски крошил лучшие английские зубила, тогда как отпущенный легко принимал впечатления (то есть оттиски. Прим. автора) и отсекался чисто и ровно. Полоска была с одного конца закалена, а с другого отпущена; она сгибалась без малейшего повреждения, издавала чистый и высокий звон». (Илимов, 1841 г).
В 1868 году один из столпов отечественной металлургии, профессор Д. К. Чернов, заявил, что «лучшей сталью, которая когда-либо изготавливалась в любой из стран, неоспоримо, был булат». Данные, полученные современными американскими учеными, однозначно подтвердили, что по сочетанию вязкости и прочности рядом с булатом не может быть поставлена почти ни одна из нынешних сталей, включая высоколегированные.
