ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫPrint ISSN: 1994-6309 Online ISSN: 2541-819X
Цель работы: определение механических свойств булатной стали, а также установление основных недостатков и преимуществ клиночных изделий древности по сравнению с современными высокоуглеродистыми инструментальными сталями. Материалы и методы исследования. Объектом исследования были выбраны инструментальная сталь У15А и булатная сталь Ds15P. Химический состав материалов определяли с помощью оптико-эмиссионного спектрометра типа ARL 3460. Структурные исследования осуществляли на растровом электронном микроскопе Zeiss EV050 XVP с системой зондового микроанализатора EDS X-Act и оптического микроскопа серии МЕТАМ РВ-21-2. Строение избыточной карбидной фазы изучали с помощью просвечивающего электронного микроскопа типа TEI Tecnai G2 20 TWIN. Твердость структурных составляющих определяли с помощью микротвердомера Model 402MVD. Результаты и обсуждения. Научных работ по определению механических свойств булатных сталей очень мало. Это связано с тем, что большинство качественных клинков из булатной стали хранятся в государственных музеях или в частных коллекциях. Авторы работ сходятся во мнении, что булатные стали с содержанием углерода от 1,3 до 2,3 % обладают легендарной упругостью и вязкостью при достаточно высоком содержании фосфора в составе этих сталей. В статье сравниваются механические свойства современной углеродистой инструментальной стали и булатной стали (genuine Damascus steel). Подтверждено, что слоистая структура восточной булатной стали Ds15P (genuine Damascus steel), сформированная карбидными слоями шириной не более 75 мкм в трооститной матрице, отличается от гомогенной структуры современной углеродистой инструментальной стали У15А. Микротвердость карбидных слоев в булатной стали составляет 920 HV, микротвердость трооститных слоев - 475 HV. Карбидные слои в булатной стали состоят из цементита продолговатой формы. Продолговатые избыточные карбиды по морфологическому признаку напоминают овал с утолщением в средней части. Размеры карбидов в поперечном сечении составляют около 3…4 мкм, в продольном сечении не превышают 9…12 мкм, отношение осей составляет 1/3. Установлено, что кромка лезвия булатного клинка представляет собой микропилу, состоящую из параллельных карбидных и трооститных слоев. Проведены сравнительные испытания на сохранение остроты режущей кромки лезвия стали У15А и булатной стали Ds15P. Установлено, что при небольших усилиях реза булатная сталь (Ds15P) показывает большее число резов по сравнению со сталью У15А. Выявлено, что в слоистой структуре булатной стали Ds15P распространение усталостной трещины от момента ее возникновения до полного разрушения, происходит за большее количество циклов, чем в гомогенной структуре стали У15А. Булатная сталь Ds15P показала двухкратный запас усталостной долговечности по сравнению с современной высокоуглеродистой сталью У15А.
Суханов Дмитрий Александрович
Плотникова Наталья Владимировна
Долгова Светлана Васильевна
Суханова Лариса Николаевна
Голиков Александр Юрьевич
Архангельский Леонид Борисович
1. Бируни А.Р. Собрание сведений для познания драгоценностей (минералогия). – Л.: Изд-во Акад. наук СССР, 1963. – 520 с.
2. Гаев И.С. Булат и современные железоуглеродистые сплавы // Металловедение и термическая обработка металлов. – 1965. – № 9. – С. 17–24.
3. Zschokke В. Du Damasse et des Lamés de Damast // La Revue de Metallurgie. – 1924. – N 21. – P. 639–669. – DOI: 10.1051/metal/192421110639.
4. Panseri C. Damascus steel in legend and in reality // Gladius. – 1965. – N 4. – P. 5–66. – DOI: 10.3989/gladius.1965.188.
5. Mechanical properties and microstructure of heat-treated ultrahigh carbone steels / H. Sunada, J. Wadsworth, J. Lin, O.D. Sherby // Materials Science and Engineering. – 1979. – N 38. – P. 35–40.
6. Wadsworth J., Sherby O.D. On the Bulat–Damascus steels revisited // Progress in Materials Science. – 1980. – N 25. – P. 35–68.
7. Sherby O.D., Wadsworth J. Damascus steel // Scientific American. – 1985. – N 252 (2). – P. 112–120. – DOI: 10.1038/scientificamerican0285-112.
8. Sherby O.D., Wadsworth J. Ultrahigh carbon steels, Damascus steels, and superplasticity // 9th International Metallurgical and Materials Congress, Istanbul, Turkey. – United States, 1997. – P. 1–22. – DOI: 10.2172/555400.
9. Processing, structure, and properties of a rolled, UHC steel plate exhibiting a damask pattern / E.M. Taleff, B.L. Bramfitt, Ch.K. Syn, D.R. Lesuer, J. Wadsworth, O.D. Sherby // Materials Characterization. – 2001. – Vol. 46. – P. 11–18. – DOI: 10.1016/S1044-5803(00)00087-5.
10. Голиков И.Н. Дендритная ликвация в стали. – М.: Металлургиздат, 1958. – 206 с.
11. Электронно-микроскопические исследования Булатной стали / Ф.Н. Тавадзе, Б.Г. Амаглобели, Г.В. Инанишвили, Т.В. Этерашвили // Сообщения Академии наук Грузинской ССР. – 1984. – № 3 (113). – C. 601–604.
12. Тавадзе Ф.Н., Амаглобели Б.Г., Инанишвили Г.В. Механические свойства булатной стали // Сообщения Академии наук Грузинской ССР. – 1984. – № 3 (113). – C. 589–592.
13. Verhoeven J.D., Jones L.L. Damascus steel, Part II: Origin of the Damask pattern // Metallographe. – 1987. – Vol. 20. – P. 153–180. – DOI: 10.1016/0026-0800(87)90027-9.
14. Verhoeven J.D., Pendray A.H., Gibson E.D. Wootz Damascus steel blades // Materials Characterization. – 1996. – Vol. 37. – P. 9–22. – DOI: 10.1016/s1044-5803(96)00019-8.
15. Verhoeven J.D., Pendray A.N., Dauksch W.E. The key role of impurities in ancient Damascus steel blades // Journal of Metallurgy. – 1998. – Vol. 50. – P. 58–64. – DOI: 10.1007/s11837-998-0419-y.
16. Verhoeven J.D. Pattern formation in wootz Damascus steel swords and blades // Indian Journal of History of Science. – 2007. – Vol. 42.4. – P. 559–574.
17. Таганов И.Н. Закат легенд о булате // Калашников. – 2009. – № 11. – C. 92–97.
18. Sukhanov D.A. Influence of phosphorus impurity on the structure and nature of the destruction of the genuine Damascus steel // International Journal of Engineering Technologies and Management Research. – 2018. – Vol. 5 (4). – P. 26–37. – DOI: 10.5281/zenodo.1244689.
19. Sukhanov D.A., Plotnikova N.V. Influence of the distribution of excess carbides on the properties of genuine Damascus steel // Materials Sciences and Applications. – 2019. – Vol. 10. – P. 118–136. – DOI: 10.4236/msa.2019.102010.
20. Application of the divorced eutectoid transformation to the development of fine-grained, spheroidized structures in UHC steels / T. Oyama, O.D. Sherby, J. Wadsworth, B. Walser // Scripta Metallurgica. – 1984. – Vol. 18. – P. 799–804.
21. Morphology of excess carbides Damascus steel / D.A. Sukhanov, L.B. Arkhangelsky, N.V. Plotnikova, N.S. Belousova // Journal of Materials Science Research. – 2016. – Vol. 5 (3). – P. 59–65. – DOI: 10.5539/jmsr.v5n3p59.
22. Sukhanov D.A., Plotnikova N.V. Wootz: cast iron or steel? // Materials Sciences and Applications. – 2016. – Vol. 7. – P. 792–802. – DOI: 10.4236/msa.2016/711061.
23. Суханов Д.А., Архангельский Л.Б., Плотникова Н.В. Природа угловатых карбидов в булатной стали // Металлург. – 2017. – № 1. – C. 112–117.
24. Суханов Д.А., Архангельский Л.Б., Плотникова Н.В. Механизм образования эвтектических карбидов типа Fe2C в структуре булатной стали // Металлург. – 2018. – № 3. – C. 57–64.
25. Суханов Д.А. Конструктивная прочность многослойных сталей // Состояние, проблемы и перспективы восстановления технологии производства Дамасской стали, булата и металлических композитов: сборник докладов и материалов I Международного научно-практического семинара: «Дамасская сталь. Булат. Металлические композиты. Теория и практика». – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. – № 1. – C. 83–104.
Исследования выполнены в ЦКП ССМ НГТУ. За помощь в проведение совместных научно-исследовательских работ, авторы выражают глубокую благодарность сотрудникам кафедры «Материаловедения в машиностроении» Новосибирского государственного технического университета и сотрудникам завода Металлоконструкций ОАО «АСК».
Механические свойства булатной стали / Д.А. Суханов, Н.В. Плотникова, С.В. Долгова, Л.Н. Суханова, А.Ю. Голиков, Л.Б. Архангельский // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 4. – С. 113–126. – DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.4-113-126.
Sukhanov D.A., Plotnikova N.V., Dolgova S.V., Sukhanova L.N., Golikov A.Yu., Arhangelskiy L.B. Damask steel mechanical properties. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2019, vol. 21, no. 4, pp. 113–126. DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.4-113-126. (In Russian).
