Серед численних пам’ятників матеріальної культури особливий інтерес являють собою вироби, виготовлені з булатної сталі, яким свого часу приписувалися неймовірні властивості: міцність, пластичність, гнучкість. Ними можна було розрубати металевий пруток, розсікти в повітрі шовкову хустину і, навіть, обвити шаблею талію, після чого вона (шабля) поверталася в попереднє своє положення. Також булатна сталь мала чудовий візерунок на поверхні виробу, який набувала після поліровки і травлення яким-небудь розчином, наприклад, кислотою, лугом, оцтом тощо. До особливостей булату відносили ще й дзвінкий, протяжний звук, який з’являвся після удару металевим прутком по виробу. Якщо давні майстри дотримувалися цих характеристик і не могли оцінити якість вищеназваної сталі за іншими ознаками, наприклад, мікроструктурою, механічними властивостями, твердістю (оскільки в той період людство ще не володіло необхідними знаннями і, звичайно, відповідними приладами), то, починаючи з ХVІІІ ст., з’являється можливість визначати хімічний склад металу. Фахівці починають розрізнювати вироби не лише за відомими ознаками, але й за іншими якостями. Так, наприклад, було зафіксовано, що деякі вироби з булату ламаються взимку, але покращують свої властивості в спеку, і що після кожної битви поверхня виробів з булату стає міцнішою. Останнє спостереження стало основою «кровавого способу» термообробки зброї, наприклад, для її ціанування застосовувалася частіше за все залізно-кров’яна жовта або червона сіль K4 [Fe (CN)6] та K3 [Fe (CN6)]. Якщо посипати такою сіллю поверхню деталі і нагрівати до температури 500°-600°C, то внаслідок дифузії вуглецю і азоту в тонкому шарі виробу пройде ціанування.

Але чому жовту сіль K4 [Fe (CN)6] називають кров’яною? Виявляється, її довгий час отримували після сплаву обвугленої тваринної крові з поташем і залізом.

Більшість охочих до зброї вважала, що вартість булатних клинків була зависокою, але ж вони мали чудову якість. Дехто стверджував, що леза були гнучкими та пружними, інші допускають, що вони були жорсткими й навіть крихкими, проте надзвичайно гострими. Завдяки мусульманським письменикам став очевидним той факт, що південноазіатська сталь виготовлялася в Серендибі (Шрі-Ланка), Йемені, Хоросані, Фарсі (Іран) і Мансурі (Пакистан).

Несподіванкою є і те, що хоча секрет виробництва тигельної сталі був відкритий в Індії, він досить швидко став відомий усьому світові. Тигельна технологія також розвивалась і використовувалася поза територією Індії – в Ірані та Сирії, починаючи з XII ст., а можливо і ще раніше. Мусульмани все ж віддавали перевагу мечам і сталі з Йемена і Квала.

Важко повірити, що європейські ремісники та вчені не були інформовні про те, що на Сході стало вже звичним виробничим процесом.

Хеленус Скотт зазначав, що вуц (сталевий злиток, отриманий у горні) допускає жорстке гартування, його використовують, щоб різати залізо, каміння, для різьблення, виготовлення терпухів, пилок та інших цілей, де потрібна виняткова твердість, і що ця речовина не витримує нагрівання більше, ніж до легкого почервоніння, а відтак потребує надто ніжного поводження в кузні, та що його неможливо зварити з залізом чи сталлю.

Пірсон порівнює текстуру вуца з «цементною зварною сталлю», яка була нагріта і злегка прокована, та зазначає, що вона «безумовно є переплавленою масою, а зерна на зламі такі, які я ще ніколи не бачив в цементній сталі перед куванням або плавкою». Першими представниками, що працювали з імпортною індійською сталлю, були Г.Б. Делла-Порта з Італії (80-ті роки XVI ст.) і Джозеф Мексон з Британії (70-ті роки XVII ст.). Припускалося, що серед дослідників індійського вуца були також Меріме, Бріоль, Крівеллі, Холланд, Вілкінсон, де Лінь, Сміт, Аносов.

На підставі робіт Стодарта і Фарадея Бреан дійшов висновку, що східний булат являє собою литу сталь, яка містить більше вуглецю, ніж європейські сталі. Слідом за Бреаном про велику кількість вуглецю в булаті висловлюється Фабер дю Фор. Аносов перевірив досліди Фарадея і провів систематичне дослідження впливу легуючих елементів – марганцю, хрому, титану, золота, платини, срібла та інших – на макроструктуру сталі. Було визначено, що булатна сталь є сплавом заліза і вуглецю. Аносов довів, що властивості сталі залежать від кількості вуглецю, який суттєво впливає на її твердість. Вчені, які працювали зі зразками вуца, цікавилися здебільшого його структурою і хімічним складом, в той час як працівники музеїв і володарі колекцій неохоче піддавали свої цінні мечі випробуванням, внаслідок яких відбувалося руйнування зразка.

В таблиці 1 подано хімічний склад вуца, виготовленого в різних країнах (наданий Хенрі).

В таблиці 2 надані властивості металу шести мечів, які випробував Цшокке в 1924 році, з них четверо східні (вірогідно, дамаські, але певно не з індійської сталі),а два інші – європейського виготовлення. Результати, наведені в таблиці 2, свідчать не на користь східних клинків. З таблиці бачимо, що східні зразки були не в загартованому стані (твердість відповідає металу після нормалізації).

В таблиці 3 наведено хімічний склад металу, який досліджувався в попердній таблиці.

Примітка до таблиці 3. «Східний дамаський» – зброя з європейських колекцій, яка не має визначеного походження, все суто дамаське. Золінгова сталь також використовувалася для виготовлення мечів. Перша – візерунчата дамаська, виготовлена за секретною технологією, друга – сучасна європейська сталь для виготовлення мечів високого гатунку.

Точних хронологічних даних, коли вуц (wooz) з Індії з’явився в Європі, немає, але до кінця XVIII ст. загальноєвропейський інтерес до екзотичної сталі виріс до такої позначки, що його слід було б назвати масовим дивацтвом. В наукових колах досить несподівано почали займатися дослідженнями, які захопили провідних вчених того часу. Вчені пішли далі, спробувавши сплавлювати вуц з дорогоцінними металами. Ця ідея була впроваджена, а «срібна сталь», яка мала перевагу в благозвучності і романтичності, стала найпопулярнішою назваю на ринках. Вірогідно, першою публікацією про лабораторні дослідження вуца, яка розпалила широкий непідробний інтерес, стала праця Джорджа Пірсона «Опыты и наблюдения исследования природы некой стали, изготовляемой в Бомбее, так называемого вуца», яка з’явилася в 1795 р. Пірсон виявився першим, хто надрукував свої результати і першим ввів термін «вуц». Хенус Скотт з Бомбея був ініціатором досліджень і саме він прислав зразки круглих «балабушок», діаметром п’ять дюймів і товщиною один дюйм, якими скористався Пірсон.

Аналіз зразків булатної сталі в 1841 р. зробив Ілімов, який зазначив кількість елементів у вагових відсотках: вуглець – 1,13; кремній – 0,50; сірка – 0,14; мідь – 0,30; алюміній – 0,05; срібло – сліди; решта – залізо. Несприятливим явищем став виявлений у зразку індійського булату графіт, що, на думку дослідників, значно погіршував властивості сталі, такі як міцність і пружність. Аносов відмічав, що поява графіту в зразках булату можлива лише при порушенні технології виробництва сталі. Але твердження вченого і твердження інших дослідників, які дотримуються цієї думки й сьогодні спростовані автором цієї статті: наявність графітових включень не тільки не погіршує властивості сталі, а навпаки, покращує їх, особливо зносостійкість, яка перевищує зносостійкість легованих сталей в 1,5 – 5,0 разів, а інколи і в 12 разів, як це спостерігалося при різці поліетиленової плівки товщиною 3 мкм на заводі «Дорхіммаш» об’єднання «Пластик» (м. Москва) в порівнянні зі сталлю 65Х13, яка застосовується серійно при різці цієї плівки.

І.С. Гаєв наводить дані випробовування толедського клинка, який мав добру пружність на розтягування. Наслідки досліджень І.С. Гаєва виявили, що за своїми властивостями толедська сталь не перевершує сучасну промислову вуглецеву інструментальну сталь марки У8А (толедська сталь мала вуглецю 0,8%). В цій праці Гаєвим підтверджується думка Аносова про те, що в формуванні структури і досягненні високих властивостей сталі вирішальну роль відіграє вуглець. На думку багатьох дослідників з сучасної точки зору булатна сталь в порівнянні з легованими сталями не показує нічого видатного. Ще в 1911 р. М. Беляєв писав: «Як зразки взагалі, булатні вироби не представляють в даний час щось особливе». Але при цьому він віддавав належне булату, як найбільш досконалому зразку вуглецевої сталі, яка вироблялася коли-небудь.

Найбільш цікавим в проблемі досліджень булатної сталі є питання про походження булатного візерунку. На Заході першим звернув увагу на структуру булатної сталі Вілкінсон, який вирізняв візерунок на сталі від структури сталі «...візерунок на них ледве помітний, кристали були дуже малі». Європейські майстри намагалися досягти зовнішньої схожості з булатом, витравлюючи на поверхні клинка штучні візерунки, які легко стиралися. Візерунки на справжньому булаті не зникають при поліруванні або точінні – вони залишаються незмінними. Навіть тоді, коли метал переплавити, візерунок знову з’явиться, але буде мати іншу форму, ніж мав до цього. Давні майстри, які володіли багатим досвідом виробництва і обробки булатної сталі, розуміли, що в штучного булату не може бути зв’язку з візерунком металу, його структурою та властивостями, і відрізняли штучний візерунок від візерунку справжнього булату.

Можна ще наводити приклади проведених досліджень як на Заході, так і в Росії, а також в Україні, де цією проблемою займався професор Дніпропетровського гірничо-металургійного інституту А.П. Виноградов, який опублікував свою працю в журналі «Техніко-економічний вісник» 1924 р., (т. 4) під назвою «Походження булатного візерунку», фактичні дані якого мало чим відрізняються від поглядів Чернова і Беляєва. Але перейдемо до досліджень кінця XX – початку XXI ст., які проводилися в колишньому Радянському Союзі і в США. З праць, що видавалися в США, можна дізнатися лише про хімічний склад і технологію виготовлення сталі, а щодо механічних властивостей, то в жодному матеріалі (патенті), статті вони не наводилися, бо кінцеві наслідки своїх праць американці не розголошують. Не менш цікавою ніж американські роботи є праця Тбіліського інституту металургії – кандидатська дисертація Б.Г. Амоглобелі (захистив в 1984 р.), науковим керівником якої був академік Грузинської академії наук Ф.Н. Тавадзе, а також дослідження автора, які він проводив з 1965 року. В 1984 р. автор отримав перше авторське свідоцтво під назвою «Спосіб виготовлення булатної сталі». Якщо грузинські вчені взяли за основу свого дослідження зразки холодного озброєння з музеїв Грузії і Азербайджану, вивчаючи їх мікро- і макроструктури та механічні властивості (і на підставі чого розробили технологічний процес одержання булату в лабораторних, умовах), то автор проводив роботи, починаючи з виплавки сталі і завершуючи впровадженням булату у виробництво замість легованих сталей, сплавів і наплавочних матеріалів. Результат випробування виробів з виготовленого автором булату в промислових умовах показав, що стійкість до зношування булату перевищує стійкість до зношування легованих сталей.

За своєю мікро- і макроструктурою булат, виготовлений автором, не відрізняється від американського та грузинського булатів. Але на механічних властивостях (американці їх не надають) того чи іншого булату треба зупинитися окремо. Перш за все наведемо хімічний склад сталі, з якої виготовлено озброєння, надане музеями Грузії, Азербайджану і приватними колекціонерами.(таблиця 4).

Механічні властивості виробів з булатної сталі представлені в таблиці 5.

В таблиці 6 представлені механічні властивості булату, одержаного грузинськими вченими, в залежності від швидкості охолодження злитка.

В усіх випадках, незалежно від кількості вуглецю, при охолодженні злитка зі швидкістю 0,1°С/сек пластичність його на 5-8% вища, ніж при охолодженні зі швидкістю 0,5°С/сек, а міцність, навпаки, нижча. Ступінь деформації булату складає близько 70%. Термічна обробка – нормалізація з температурою нагрівання зразків 800°С.

З висновками грузинських вчених можна погоджуватись і не погоджуватись, як і з висновками інших вчених, бо булатна сталь – це не вуглецева інструментальна сталь чи легована сталь. Булат – це метал, якість якого залежить не лише від хімічного складу, але й від техноголії виготовлення, в яку необхідно вкладати душу, серце, розум і майстерність плавильника, коваля (прокатника), фахівця по термічній обробці. Багато залежить і від кваліфікації майстрів, що виготовляють холодну зброю, деталі машин чи інструмент з булатної сталі. Підтвердженням цього є дослідження властивостей булату, що проводилися в Інституті проблем матеріалознавства, Інституті металофізики, на заводах «Більшовик» (м. Київ), «Дніпроспецсталь» (м. Запоріжжя) та інших інститутах і заводах України.

В таблиці 7 наведені механічні властивості булатної сталі з кількістю вуглецю від 0,83 до 2,47%.

Позначення ан, fн, рн – кут, стріла і зусилля вигину відповідно. В дужках надана твердість в НВ.

Аналізуючи показники механічних властивостей після різних видів термічної обробки булатної сталі, можна зробити висновок: у семи випадках з двадцяти межа міцності не зафіксована, при цьому в п’яти випадках у булата, який піддавався гартуванню у воді. Відомо, що структура металу після гартування у воді – мартенсит, який є крихким, крім того, булат з кількістю вуглецю більше 2,0% не має межі міцності навіть при проведенні термічної обробки – відпалу і нормалізації.

Особливий інтерес являють дані по куту зламу і зусиллям вигину, якщо порівняти дані таблиці 7 з даними таблиці 2. В таблиці 2 наведені дані сталі після нормалізації (відомо, що давні майстри піддавали своєрідній термічній обробці вироби з булату – нормалізації). В таблиці 7 – після гартування у воді і маслі. Кут зламу в таблиці 2 і зусилля вигину дорівнюють від 17 до 78 градусів, а від 11,5 до 30,0 т/см2, відповідно, а в таблиці 7 ці дані дорівнюють від 3 до 114 градусів і від 500 до 700 т/см2. Звичайно ці дані не можна вважати ідеальними для порівняня, бо об’єкти дослідження проходили різні види термічної обробки, але дані таблиці 7 підкреслюють перевагу булатної сталі, в порівнянні з булатом, отриманим давніми майстрами.

Не можна не звернути увагу на дані механічних властивостей булатної сталі з кількістю вуглецю 0,83% (таблиця 7), які значно перевищують механічні властивості булатної сталі з кількістю вуглецю 1,05%. Слід звернути увагу на вплив вуглецю на поверхневий натяг рідкого заліза при температурі 1500°С, (мал. 1). Найбільший поверхневій натяг відзначається при кількості вуглецю 0,8%. Відомо, що високі фізико-механічні властивості металу обумовлені структурно-чутливими властивостями рідкого розплаву (густиною, поверхневим натягом, кінематичною в’язкістю). При більш високих показниках властивостей структурно-чутливих розплавів підвищуються показники механічних властивостей твердого металу.

Академік Ф.Н.Тавадзе визначив кривизну на шаблях давніх майстрів, висота якої складала 11-15 см, в залежності від кількісті вуглецю – 1,17-1,50% і конструкції виробу. НТЦ «Булат НВР» виготовив два мечі з кількістю вуглецю 1,05%, на одному з яких було теж виміряно висоту кривизни (мал. 2). Крім того, було випробувано на кривизну смуги товщиною 1,1 мм довжиною 315 мм з кількістю вуглецю 2,27%. Результати вигинів (кривизни) наведені в таблиці 8.

Наведені дані властивостей булату давніх майстрів і сучасних дослідників підтверджують, що сьогодні ми можемо одержувати вироби з булату не гірші, а можливо ще й кращого гатунку, порівняно з давніми.