О закалке стали 2

То, что закалка изменяет свойства стали не заметить трудно. И в соответствии с житейской логикой, если изменяются одни свойства, то, скорее всего, меняются и другие. Поэтому изменение свойств стали после закалки в головах наших предков значительно расширило свои границы.

Закалка стала обрастать мифами и легендами. Действительно, что мог подумать какой-нибудь солдат из афинского войска глядя на то, что одна рана после пореза заживает быстро, а другая, даже меньшая, гноится и воспаляется?

Если в  середине 19 века акушера, профессора Игнаца Филиппа Зиммельвейса «просвещенные европейцы» насильно упекли в психушку и забили там до смерти за то, что он предложил врачам хорошенько мыть руки перед операцией, то что говорить о жителях далеких эпох? Микробы – это точно не про греков.

Приведу немного цитат из седьмой главы ремесленного трактата 12 века под авторством Абу-л-Фазл Хубайши Тифлиси (Персия) «Описание ремесел».

«Закаливание меча. Если кто-либо захочет так закалить клинок, что он будет рубить все что им не ударить и станет очень острым, пусть смешает желчь барана с мочой осла и закаливает в этой смеси клинок. После этого клинок будет рубить все, что не ударить и станет очень опасен».

Все эти заморочки и пляски древних вокруг обычной закалки - только из-за низкого качества стали, ее неоднородности и, зачатую, малого содержания углерода.  Что такое углерод и как он влияет на свойства стали старые мастера, конечно, не знали. Однако давали вполне вменяемые рецепты, не понимая основ и механизмов происходящих при этом процессов. Из упомянутой выше книги.

«Превращение мягкого железа в сталь. Если кто-либо захочет превратить мягкое железо в сталь, пусть сначала его расплавит, а когда оно расплавится на огне, смешает корки кислого граната и желтого миробалана и посыплет этим — железо превратится в хорошую сталь».

Здесь вполне внятно описан процесс науглероживания стали, где в качестве карбюризатора использованы корки граната. Как собственно и моча – раствор солей увеличивающих скорость охлаждения закаливаемого изделия.

Жаль только, что железо расплавить в то время было нельзя – технологии не позволяли. Засыпать все в тигель и науглеродить – да, кинуть корки в расплав железа – нет.

Все рецепты мастера тщательно хранили, потому как от этого зависели их заработки и, значит, благосостояние.  Пишут, что знаменитый японский мастер Масамуне тут же отрубил руку своему приемному сыну Самонджи, от чего тот умер. Отрубил за то, что Самонджи во время закалки мастером клинка сунул руку в воду, чтобы узнать ее температуру. Еще пишут, Мастер Масамуне был очень добрым человеком.

Еще парочка рецептов от Хубайши Тифлиси, чтобы понять всю глубину тех изысканий. 

«Закаливание любого клинка. Если кто захочет так закалить клинок, чтобы место куда он ударил, не заживало бы и превратилось в свищ, пусть смешает кровь собаки, человеческую мочу и сок лука-порея и пропитает этим старых хлопок. Затем накалит на огне клинок, обернет этим влажным хлопком и составит на три дня в горячем навозе. Потом пусть вынет и пользуется».

На первый взгляд кажется бессмыслицей, однако навоз – это очень агрессивная среда, заставляющая сталь усиленно корродировать. В появившиеся микропоры попадает питательная среда из состава обмазки и навоза, в которой активно размножаются патогенные микробы.

Это вам напоминание про «полезность» дола на кухонных ножах или тех охотничьих ножах, которыми время от времени разделывают пищу.

Кстати, рецепт закалки топора для незаживающих ран отличается от рецепта закалки ножа. Разительно. Рецепт закалки острия копья тоже не плох.

«Если кто захочет закалить копье так, чтобы раненый им за час почернел от раны и погиб, пусть возьмет осиные яйца, сожжет их, смешает с кровью осла и все это прокипятит в воде. Потом станет закаливать в этом наконечник». И, конечно, рецепт закалки меча для таких ран совершенно другой.

В книге собрано более десятка рецептов закалки стали. Можно как-нибудь рассмотреть их все и поискать зерна рациональности…

Еще рецепт зонной закалки, но уже не такой старинный как прошлые.

«Как известно, стали можно придать путем особой закалки такую твердость, что она будет резать стекло, подобно алмазу. Но не всем известно, что существует очень простой способ для придания стали такой твердости. Шило, лезвие ножа или другой инструмент накаливаются добела и тотчас же погружаются в обыкновенный сургуч на одну секунду. Эту операцию повторяют беспрерывно, выбирая каждый раз для погружения свежее место в сургуче, до тех пор, пока сталь не остынет и не будет больше входить в сургуч. Тогда процесс закалки считается законченным. Остается снять приставшие частицы сургуча. При употреблении закаленного таким способом острия или лезвия из стали рекомендуется каждый раз смачивать их скипидаром».

Думаю, дефицитный сейчас сургуч можно попробовать заметить парафином, так как температура плавления  у них примерно одинаковая около 60 у сургуча и 65 – 80 у парафина. Правда плотность разная.

Современные мастера не отстают от мастеров прошлых веков и придумывают все новые и новые рецепты, для своих дамасков и ламинатов. Эти изыскания оплачивает в конечном итоге покупатель. Покупатель всегда все оплачивает. 

Вот, взять к примеру известные и популярные «канатные тесты» на результаты которых покупатель и ориентируется. Он думает, глядя на результат тестов, что купит себе у победителя прочный нож, который не будет тупиться дольше других? А вот фигушки. Давайте разбираться, так как заголовок статьи к этим тестам имеет самое прямое отношение.

Вообще, среднестатистический пользователь почему-то думает, что «канатный тест» придумали мудрые ученые. А это совершенно не так. Ученые, да и известные мастера, как раз предостерегают людей ориентироваться на результаты нарезки канатов. И причин тут даже не одна, а целых две. Серьезных таких причин.

Так как пока никто не взял на себя обязанности летописца истории нашей современной ножевой индустрии, то попробую побыть им немного.

Итак, всего лишь двадцать лет назад никаких таких канатных тестов не было. Мастеровой народ и любители ножей тихо-мирно поживали себе на форумах и неспешно обсуждали всякие пришедшие в голову мысли – свои и коллег. Ножевой мир тихо варился в собственном соку, словно папоротники в болотах девонского периода палеозойской эры.

И тут бац…Нет, не метеорит, а так называемые «дамаско-булатные войны» – первая и вторая.  Умолчу пока об их причинах, как и об основных участвующих сторонах, нам главное - результаты этих жестоких сетевых баталий. У каждой войны есть результат, и у этих войн он был, причем довольно значимый.

Во-первых, уютно угнездившуюся на ножевом Олимпе публику из известных мастеров спустили немного пониже - они стали ближе к народу. Во-вторых, в России резко увеличился интерес к булатам, что повлекло за собой появление целой плеяды новых мастеров работающих как с дамаском, так и с булатом.

В-третьих, чувствительный пинок расслабившимся мэтрам заставил их зашевелиться и выдавать на гора уже совершенно другие по качеству и сложности работы.

В общем, ножевой мир всколыхнулся и задумался, а что же мы делаем? Вот тут и возникла идея проверки ножей на качество. Предлагались самые разнообразные варианты от забугорных тестов типа прокатки режущей кромки по латунной трубке (одно время популярный тест), до рубки проволоки и постройки специальных механизмов.

Думали, думали и придумали резать ножом что-то такое, что быстро его затупит. В качестве такого материала был выбран… а вот и не угадали – войлок. Все резали войлок и делились результатами друг с другом. Однако, валенки быстро закончились, да и войлок у энтузиастов часто был не той системы, поэтому народ опять напряг мозги.

В итоге кто-то шибко умный посоветовал канат. Желающие могут покопаться в архивах ножевых форумов и найти точную дату данного события. Предлагаю этот день сделать всенародным праздником и выходным.

Первые публичные тесты прошли в Москве при небольшом скоплении народа. Результаты многих озадачили, так как в тестах участвовали клинки от известных мастеров и они первые места не заняли, как ожидалось. Это был шок. Все чесали репу и тихонько обсуждали случившееся. Мастера искали оправдания, хотя надо было просто забить и послать.

Один публичный тест, другой и тут кое-кто просёк, что это же золотое дно! Нахрена годами набирать авторитет, пробираясь к вершине Олимпа, когда туда можно пройтись прямо по головам наших мэтров ими же любезно подставленными. И люди пошли…

Этот лохотрон выглядел так: собираем кучу ножей известных мастеров и брендов, делаем свой нож для резки канатов - и мы в дамках. Покупатель видит, что наш нож перерезал всех и идет к нам, а вот тут-то мы и продаем ему за дорого (мы же крутые победили мэтров) всякую лабуду.

И ведь прокатывало. Потом, правда, в сети появлялись робкие вопросы  купивших такие ножи: «А почему они не режут?». Только кто их слушал?

Мастера – не дураки, эффективных менеджеров раскусили быстро и на такие соревнования тоже стали выставлять свои канаторезательные ножи. Случались и казусы – закаленные до ужаса клинки ломались об мягкий канат. В итоге у нас появился новый вид спорта – резка канатов.

Для победы в нем требуется особый инструмент – специально закаленные ножи. То, что кроме как резать что-то относительно мягкое такими ножами ничего нельзя, это никого не смущало и не смущает – главное победа и имя в первых строчках рейтинга. Чтобы набрать большую твердость не так давно некоторые шли на всякие ухищрения, и даже обрабатывали сталь в жидком азоте.

Маркетинг набирал обороты…

Частенько то, что их ножи участвуют в тестах, мастера даже не знали. Более того: как точили их ножи, у кого взяли, для чего данный нож предназначался никого не волновало – главное чтобы клеймо стояло. Да и о результатах тестов их участники (посредством своих ножей) порой случайно узнавали от клиентов или же еще кого-то.

Как сделать нож-победитель для резки канатов? Не сложно – нужно закалить его на максимально возможную твердость. Желательно если клинок будет из легированной карбидообразующими элементами высокоуглеродистой стали. Угол заточки можно делать большим, так как проверяется не качество реза, а его продолжительность. То, что ножом будет трудно заточить карандаш – не важно: канат-то он будет пилить очень долго.

Если такой нож уронить на бетонный пол, то он, скорее всего, расколется. Но низкая прочность окупается износостойкостью лезвия. В поход такой нож брать тоже не стоит, но кто сейчас в походы ходит? Настоящие такие - дней на несколько в отрыве от цивилизации?

А вот что писал профессор Колчин, советский историк и археолог о том, каким должен быть хороший нож. Ориентируясь на эти упомянутые качества мастера и проигрывали канатные тесты, пока за ум не взялись.  

«Переходя к технологии изготовления, определим, каким техническим требованиям должен отвечать нож в эксплуатации.  Этих требований три. Первое – максимальная твердость острия лезвия, способная удерживать остроту, второе – вязкость клинка, позволяющая лезвию при изгибах и ударах не ломаться, и третье – возможность восстановления затупленного лезвия».

Получается, что благодаря тестированию на канате у нас в ноже осталось только одно ему нужное требование – максимальная твердость острия». Хорошо это? Нет, конечно, но других ориентиров у покупателей нет. Интересуясь свойствами клинка, покупатель ориентируется только на твердость. Это заставляет изготовителей гнаться за ней, как за убегающим горизонтом и конца этой гонки не видно, потому как окружающая среда все меньше требует от ножа двух следующих качеств: ударной вязкости и способности к быстрой заточке.

Гай Плиний Старший (род в 22-24 году н.э.) «Естественная история…» (1810 г. издания)

«Железные рудокопи находятся почти везде… Разности железа многочисленны… Некоторые земли дают токмо мягкое, к свинцу подходящее железо, другие хрупкое и рудянистое, коего в употреблении на колеса и гвозди избегать должно… (запомните эти слова). Иное скорее ржавеет... Между всеми же имеет преимущество Серическое железо… второе место  заслуживает Пароское.  Другие виды железа не переделываются в чистую сталь, но получают примесь мягчайшего железа… Тончайшие железные вещи обыкновенно закаливаются в масле, дабы от воды они соделались до хрупкости крепкими». 

Заметили, никакой заморочки с закалкой. Закаливали, как и сейчас, обычно или в масле или в воде. И даже древние греки знали, что крепкий нож может быть хрупким, только вот современным покупателям это невдомёк. Или не нужно совсем – ему и так пойдет. Это в прошлом требовались и другие свойства оружия.

Об этом писал в середине 19 века поручик Максимов в своем наставлении «О распознании достоинства холодного оружия».

«…Здешние клинки, не уступая ни в чем знаменитым азиатским. Разве только затейливостью узора, в некоторых, очень важных отношениях имеют большое преимущество, так например гибкость, вязкость и упругость. Обыкновенные качества здешнего оружия, совершенно чужды азиатскому. Все достоинство которого заключается в твердости и красоте узоров.

Но одна чрезмерная твердость клинка, достигающая иногда до того, что искусные бойцы перерубают ими оружейные стволы, в неопытных руках не принесет пользы, даже может быть вредна, ибо при избытке твердости металл может быть хрупок и тогда от случайного удара плашмя клинок разобьется на несколько кусков. Я был свидетелем подобного случая, бывшего в 1846 году в Собственном конвое Его Величества с знаменитою турецкою саблей, принадлежавшей моему товарищу, сыну шамхала Тарковского.

Твердость клинка может быть безусловно полезна в одном только роде холодного оружия в кинжале, но и тут гибкость никогда не будет лишняя».

А вот что пишет о твердости в своей книге «Секреты булата» наш известный мастер-оружейник Л.Б. Архангельский.

«Сама по себе высокая твердость не обеспечивает прочность клинка, ни стойкость его лезвия. (В самом деле, стекло твердое, но из-за полного отсутствия эластичности не прочное, поэтому делать из него сабли и ножи не следует)… Только сочетание твердости и прочности придает лезвию клинка в холодном оружии необходимую стойкость к истиранию и ударам». Кроме того, клинки должны иметь и некоторую упругость».

Были попытки сделать в канатных тестах вторую часть – испытание на излом и ударную вязкость, но, по понятным и описанным выше причинам это не прижилось. Действительно, какая такая ударная вязкость, если мы большей частью режем огурцы и помидоры не выходя из дома? Кстати, помидорный тест тоже есть.

Да стоит открыть любой учебник, как мы прочитаем:

 «Предел прочности возрастает одновременно с ростом твердости до 48 – 52HRC, дальнейшее увеличение твердости вызывает резкое падение предела прочности. Это связано с изменением механизма разрушения. На первом этапе роста твердости разрушение вязкое, оно предваряется пластической деформацией, осуществление которой требует затрат энергии; на втором этапе разрушение хрупкое. Твердость режущих инструментов значительно выше 48 - 52HRC, поэтому повышение твердости материала, используемого для изготовления режущего инструмента, всегда сопровождается снижением прочности.

Прочность и ударная вязкость используемого материала должна назначаться из принципа достаточности – не должно быть выкрашивания режущей кромки и, тем более, поломки инструмента».

Рис. 1.4. Зависимость предела прочности (о_в) и ударной вязкости (КС) от твердости (схема)

«Одновременное повышение и твердости, и прочности для инструментальных материалов реализуется весьма ограниченно. Это может быть достигнуто только для сталей и только до определенного уровня твердости. 

Для прочих инструментальных материалов — сталей высокой твердости, твердых сплавов, режущей керамики, СТМ повышение твердости сопровождается снижением прочности. Это связано с изменением механизма разрушения. На первом этапе роста твердости разрушение вязкое, оно предваряется пластической деформацией, осуществление которой требует затрат энергии; на втором этапе разрушение хрупкое.

Зависимость между твердостью и ударной вязкостью принципиально одинакова для всех материалов. Увеличение прочности приводит к снижению ударной вязкости (см. рис. 1.4).

Эти закономерности определяют принцип выбора прочности и ударной вязкости инструментальных материалов. Эти характеристики должны назначаться из принципа достаточности — необходимо предотвратить локальное (например, сколы режущей кромки) и, тем более, полное разрушение инструмента (поломка)».

«Трещиностойкость характеризует способность материала сохранять свою работоспособность (не разрушаться) при наличии трещины. Чем выше твердость инструментального материала, тем меньше его трещиностойкость».

Так  зачем клинку нужна твердость?

При резании режущая кромка ножа в результате работы подвергается истиранию и абразивному износу. Абразивный износ измеряется объемом V материала сошлифованного с единицы поверхности данным абразивом за единицу времени в данных условиях.

Существует определенная связь между износом V  и микротвердостью H материала. Износ хрупких материалов, (а закаленная кромка ножа особенно для соревнований по резке каната материал хрупкий), обратно пропорционален квадрату их твердости.

То есть, износ тем меньше, чем больше твердость. А это значит, что закаленным на большую твердость клинком можно сделать больше резов. 

Вот только износостойкость не всегда польза. Затачивание основано на износе кромки до нужной толщины под влиянием абразива. Если кромка тверже абразива – заточить нельзя. Чем тверже нож – тем дороже абразив и дольше заточка. Как и чем затачивать твердый нож в полевых условиях? Да даже дома не все это смогут сделать сами.

Получается, что продолжи мы канатный тест во времени используя заточку по ходу испытаний, совсем не факт что выиграет тот нож, который победил на первом этапе. Пока его заточат, менее твердый успеет не только восстановить кромку, но и сделать некоторое количество резов. И чем дольше будут продолжаться соревнования, тем меньше шансов будет у твердых ножей  – с каждым разом его правка будет занимать все больше времени. И в итоге нож придется нести в мастерскую, а более мягкий в это время будет продолжать резать.  

Если бы гонки «Формулы-1» продолжались до первой заправки или первой смены колес, они точь в точь походили бы на тесты по резке каната. И в итоге мы увидели бы на трассе не привычные мощные болиды,  а легкие шаткие трехколесные конструкции на велосипедных шинах. Вот в эту сторону пока и движется наша ножевая индустрия.

Как можно графически представить совокупные свойства ножа в зависимости от трех  предъявляемых к нему требованиям?

Твердость – Т, затачиваемость – З и прочность – П, примем площадь круга и как нибудь оценим - дадим на каждое свойство пять единиц. В итоге сбалансированный по свойствам нож у нас будет иметь 15 единиц этих свойств.

Увеличим твердость ножа. Увеличить можно только за счет других своств. Поэтому добавляя единицу к твердости мы по единице отнимем у прочности и затачиваемости. В итоге получим в ноже уже не 15, а 14 единиц своств.

Добавив еще единицу твердости, получим только 13 единиц общих свойств.  Вообще-то давно пора было открыть закон сохранения свойств, так как свойства стали есть по сути энергия удерживающая структуры в стабильном состоянии. И выглядеть наша секторная диаграмма свойств должна так:

А дальше последует самое сложное и самое интересное: научно-практическая часть. В которой попробую на пальцах объяснить то, что нарисовано в этом, как многим кажется, кошмаре: