Легенды о булатных клинках, секретах технологии их получения и удивительных свойствах, имеют многовековую историю. Общепринятой считается теория, что секрет технологии изготовления булатных клинков был утерян. Перечень ученых, в т.ч. известнейших металлургов (от П.П. Аносова до Н.Ф. Тавадзе и Ю.Г. Гуревича), занимавшихся восстановлением технологии булата, настолько велик, что нет необходимости его перечислять. Не вызывает сомнения факт получения булатных клинков тем же П.П. Аносовым (образцы его булата хранятся в музеях). Тем не менее, один из его последователей, Н.И. Беляев, спустя полвека (в 1911 г.) написал: «Грустно сознавать, что современная наука не вооружена настолько, чтобы ясно и определенно ответить на вопросы: что такое булат с его непременным спутником узором и чем, собственно, объясняются те высокие механические свойства, какими обладают изделия, изготовленные из булата».

Эти слова отнюдь не стали менее актуальными в наши дни. Например, положительные результаты работ В.Р. Назаренко не только не стали базой или основой для каких-то дальнейших шагов в направлении разгадки тайн булата, но и сам автор подвергся гонениям в Институте проблем материаловедения, в том числе и потому, что предлагаемая им технология существенно отличается от современных металлургических процессов. Несмотря на исключительно высокий уровень знаний, накопленный в металлургии и материаловедении в наши дни (по сравнению, конечно, с периодом появления булатных клинков), многообразие предлагаемых технологических решений неправдоподобно велико. Не подвергая сомнению квалификацию ученых (в т.ч. известных зарубежных, таких как Шерби, Верховен и др.), невольно начинаешь сомневаться, а существует ли вообще секрет булатной стали? Тем более что сохранившиеся древние клинки в ряде случаев были тщательно изучены с помощью современных методов исследования, однако сведений о каких-то удивительных свойствах получено и опубликовано не было.

Многочисленные голословные утверждения об исключительно высоком сочетании упругости, прочности, вязкости булата всерьез воспринимать нельзя. Подобные высказывания были позволительны 100 или 200 лет назад, а современные методики экспериментов позволяют и должны были бы все это представить в виде конкретных численных значений механических свойств металла.

Однако тайна булата, безусловно, существует. Существует просто потому, что предания о легендарных режущих и боевых свойствах булатных клинков написаны, образно говоря, кровью тысяч воинов, погибших в те далекие времена. Это оспорить нельзя. А значит вывод один: современное материаловедение искало и продолжает искать пути разгадки булатной стали там, где ее нет, т.е. в традиционных представлениях о структуре и свойствах сталей. В этой ситуации вопрос получения булатной стали становится делом случая, и не воспроизводится в дальнейших экспериментах. Такая судьба, как можно полагать, была уготована и работам П.П. Аносова. Ведь это были уже не средние века, и результаты его исследований сохранились не только в виде образцов булата, но и в подробном описании применявшихся технологических приемов выплавки, ковки, термообработки…

Завершая краткий обзор состояния проблемы на сегодняшний день, уместно процитировать академика Л.Ф. Верещагина: «То, что случайно найдено путем эксперимента и еще не осмыслено, не понято людьми, принадлежит им только наполовину... Примерно то же случилось и с дамасской сталью. Случай дал ее в руки человеку, случай и отнял». Добавим — случай продолжает ее (булатную сталь) давать, а затем снова отнимает.

***

Принципиальные отличия булата от других сталей

Сущность требований к современным металлургическим технологиям получения стали (без учета экономической составляющей) в целом можно сформулировать следующим образом: максимально возможная однородность и равномерность структуры, измельчение зерна и карбидов сфероидизированной формы, отсутствие макро— и микродефектов. Огромный экспериментальный материал и теоретические представления материаловедения убедительно показывают, что это главный и практически единственный путь повышения конструктивной прочности, снижения удельного потребления сталей и, в конечном итоге, экономической эффективности. Булатная сталь уже на макроуровне (узор) совершенно не соответствует этим требованиям, однако, как мы полагаем, никакого противоречия здесь нет. Все дело в принципиально отличных условиях эксплуатации. Подавляющая часть производимой в мире стали идет на несущие конструкции в строительстве, корпусы и узлы деталей машин и механизмов и т.п. Требования к материалам, применяющимся в подобных условиях (назовем их статическими), хорошо изучены, методики инженерных расчетов необходимых механических свойств разработаны, соответствующие оценки в баллах микро— и макроструктуры заложены в стандарты и технические условия.

Существует, однако, класс материалов (среди них инструментальные стали), условия эксплуатации которых существенно отличаются от рассмотренных выше. Назовем такие условия динамическими. Хотя четко очерченной границы между статическими и динамическими условиями нет, различия достаточно очевидны. В последнем случае — это экстремальные кратковременные силовые (иногда и тепловые) нагрузки, одновременное комбинированное воздействие совершенно различных физических процессов (применительно к резанию — адгезия, усталость, абразивный износ, коррозия и т.п.).

Применительно к инструментальным сталям и процессам резания (а именно этот вопрос нас интересует) стойкость или долговечность фактически становится не свойством инструментального материала, а характеристикой сложной нелинейной динамической системы. «Станок-приспособление-инструмент-деталь». Несмотря на кардинальные отличия условий эксплуатации, до последнего времени для прогнозирования работоспособности материала в динамических условиях используются те же критерии, которые прекрасно себя проявили в статике. Авторы на своем личном научном и практическом опыте работы с инструментальными сталями убедились в бесперспективности этого подхода. Однако до последних десятилетий ХХ века ничего другого в материаловедении просто не существовало.

Ситуация коренным образом начала изменяться с появлением двух совершенно новых, взаимосвязанных между собой научных направлений:

а) синергетики как теории самоорганизующихся систем (И. Пригожин);

б) представлений о фракталах, как о самоподобных структурах, описывающих все реальные природные объекты (Б. Мандельброт).

Упрощенно можно говорить, что синергетика описывает поведение динамических систем, находящихся под внешним воздействием, а фрактал — это некий геометрический или графический образ такой системы. Для нас важным является то, что в условиях динамических внешних воздействий такая система обладает свойством приспосабливаться к возникающим новым условиям, и за счет этого ее устойчивость значительно превосходит таковую у статических, статистически однородных систем.

Возвращаясь к резанию, необходимо сказать, что на эмпирическом уровне этот эффект (приспособление) известен и применяется давно. Отметим, в частности, явления приработки режущей кромки и самозатачивания, наростообразование. Не всегда это удается реализовать, но в положительном случае стойкость может возрастать в десятки и более раз. Наконец, рекламируемая сегодня некоторыми фирмами заточка лезвия ножей с профилем микропилы — не что иное, как геометрический фрактал Коха, известный математикам уже почти сто лет. Для объединения всех этих известных эмпирических фактов (и многих других) понадобилась новая научная концепция синергетики и фрактальных представлений, в рамках которой они (факты) становятся естественным следствием.

Таким образом, тайна булата, по нашему мнению, заключается в том, что в древности эмпирически и неосознанно или вследствие знаний, данных высшими силами, человек создал первый рукотворный фрактальный объект — булатную сталь. Ведь непременный спутник булатного клинка — узор — это и есть фрактал. Более того, красота и сложность узора (в терминах современной математики — размерность фрактала) служили критерием оценки качества клинка. От этого зависела жизнь воина и, надо полагать, древние интуитивно знали, как выбрать лучшее оружие.

В рамках предлагаемой концепции становится очевидным, что попытки восстановить (или разгадать) древнюю технологию получения булата, как набор или последовательность металлургических операций, бесперспективны. Устойчивость и приспособляемость нелинейных динамических систем имеет своим продолжением высокую чувствительность к внешним воздействиям, при этом по достижению определенных условий система в т.н. точке бифуркации разрушается и переходит в состояние статистического хаоса. Иными словами, даже удачно воспользовавшись древними технологиями, но, не понимая сути, булатная сталь в очередной раз случайно будет получена и в который раз секрет будет утерян...

Некоторые общие требования к технологиям получения булатной стали.

Синергетика, как теория самоорганизующихся систем, — наука молодая. Ее результаты во многом выглядят как математические модели и носят общий характер. Фракталы, как элемент структуры, еще только входят в современное материаловедение. Поэтому ожидать разработки каких-то конкретных и однозначных технологий получения булата на основе новой концепции рано. Несмотря на это, попробуем выработать некоторые общие положения.

1. Наиболее очевидным фрактальным объектом, наблюдаемым в сталях на макроуровне, является дендритная структура слитка после затвердевания. Хорошо развитые дендриты имеют степень ветвления вплоть до осей четвертого порядка. Полагаем, что именно получение таких структур в процессе выплавки и кристаллизации стали является необходимым условием любых булатных технологий.

2. На этапе горячей пластической деформации развитые дендриты должны быть сохранены как целостные структурные элементы при, естественно, значительном изменении своего внешнего вида. Собственно, характер узора будет зависеть от направления и степени деформации слитка. Главным, однако, является следующее обстоятельство. В процессе горячей обработки слиток с его дендритной структурой рассеивает прикладываемую энергию за счет пластической деформации, т.е. является диссипативной системой. Увеличение температурно-силового воздействия выше некоторого предела приведет к разрушению фрактальной структуры и переходу в статистически однородное состояние. Поэтому выбор температурного режима ковки, степени деформации за проход, количество выносов — должны решаться экспериментальным путем для каждого отдельно взятого состава стали.

3. Содержание примесей и легирующих элементов в булатной стали должно быть ограничено. Любые неметаллические включения (сульфиды, оксиды и т.п.), нерастворимые при нагреве под ковку, снижают пластичность металла, требуют увеличения силовых нагрузок и, как следствие, приближают систему к состоянию перехода в статистический хаос. По таким же соображениям должно быть ограничено введение карбидообразующих элементов (вольфрам, молибден, ванадий, хром). Их суммарная концентрация не может быть больше пороговой, при которой образуются специальные карбиды, нерастворимые в интервале температур горячей деформации.

Рассмотренные положения представляют собой лишь самый общий перечень технологических и технических ограничений, учет которых необходим для изготовления булатной стали. Варианты конкретных решений могут быть совершенно разными, как, собственно, и узоры на булатных клинках, дошедших до наших дней. Каждый исследователь может искать свой путь, осознавая, что разгадка булата лежит на уровне нового научного мировоззрения, а не в копировании и восстановлении древних технологий или технологии П.П. Аносова. Именно в этом направлении успешно ведет работы

Научно-технический центр «Булат НВР», образцы изделий которого можно видеть на иллюстрациях.

В заключение считаем необходимым отметить, что современные металлургические технологии, цель которых — повышение производительности и удешевление стали, не могут рассматриваться как способ промышленного производства булата. А значит, изготовление клинков или другой продукции из булатной стали, пока остается уделом энтузиастов и увлеченных людей.