Начнем с того, что сталью называется сплав железа с углеродом при концентрации последнего до 2,14% а сплав того же железа с тем же углеродом при концентрации углерода более 2,14% - это уже чугун.
В качестве небольшого отступления, в чугуне углерод присутствует не только в составе сплава, но и в виде графита, между зернами цементита, и в зависимости от формы этих включений графита, зависящих от технологии плавки, сильно различаются свойства чугуна. Включения графита могут быть в виде шариков, в виде пластин, в виде замысловатых древовидных структур и т.д. и т.д. Но чугун нельзя ковать, это его коренное отличие от стали.
Вернемся к стали. Овладение сталью было, на мой взгляд, второй НТР, сопоставимой с овладением огнем. Наши предки совали в огонь все, что попадалось под руку и таким образом (если придерживаться эволюционной точки развития человечества) овладели технологией плавки меди, в том числе и добычу ее из различных руд.
На следующем этапе человечество научилось добывать из руды железо. Железо оказалось более полезным предметом в хозяйстве, чем медь, особенно в ратном деле и первое его массовое применение было именно при изготовлении оружия, в чем наши предки, надо отдать должное, немало преуспели.
В силу особенностей материала, железный меч мог быть изготовлен большей длинны, чем бронзовый, который при неправильно выбранной длине изделия, просто ломался при ударе. Отсюда, надо полагать, и пошла легенда про «меч-кладенец», который рубит все остальные мечи. Ничего удивительного, это всего лишь свойство материала.
Но вернемся к понятию «Сталь». Если посмотреть на образец стали в микроскоп, да и просто в мощную лупу, то отчетливо видно, что сталь имеет зернистую структуру. Эта зернистая структура и есть самый большой секрет стали.
Металлурги выделяют четыре вида этих зерен, в зависимости от кристаллической решетки и содержания углерода. Не будем забивать голову терминами и нюансами, рассмотрим сам процесс, как они образуются. Тут было бы неплохо перейти к ночному кошмару нерадивых студентов технических специальностей, диаграмме железо-углерод, но ввиду технических сложностей опишу эту диаграмму словами.
Итак, как указывалось выше, сталь – это сплав железа с углеродом, концентрация которого не превышает 2,14%. В расплавленном состоянии железо может содержать и больше углерода, а вот сам процесс застывания стали сродни некому таинству.
При понижении температуры расплава из него сначала начинают выкристаллизовываться кристаллы железа с очень низкой концентрацией углерода, углерод выдавливается в окружающий расплав. На следующем этапе происходит кристаллизация кристаллов с большей концентрацией углерода, причем соотношение концентрации углерода в первом и во втором случае, равно как и сама концентрация углерода в этом железе – величина постоянная. При дальнейшем понижении температуры из расплава выделяются кристаллы уже с третьей, большей по отношению к первым двум, концентрацией углерода. И наконец, на последнем, четвертом этапе охлаждения расплава кристаллизуются кристаллы уже четвертого типа. Все они между собой перемешаны. Данное описание сильно условно, поскольку картинка очень сильно меняется в зависимости от первоначальной концентрации углерода в расплаве и скорости охлаждения. В общем случае стоит помнить главное, чем больше концентрация углерода в кристаллах, тем они более твердые, есть и другие различия, например по магнитным свойствам, но это ж не учебник.
Именно данное свойство кристаллизации железа и позволило нашим предкам создать легендарную оружейную сталь – булат.
