Японский меч: мифы и реальность, часть 2

(Предыдущая часть статьи.)

Тамахагане

Клинок японского меча после полировки, видны различия в структуре стали

Клинок японского меча после полировки, видны различия в структуре стали

Японский меч изготавливается из традиционным образом полученной стали, называемой тамахагане. Клинок в разных областях содержит углерод в различной концентрации. Сталь складывается в несколько слоёв и обладает зональной закалкой. Это широко известные факты, о них можно прочитать практически в любой популярной статье о катане. Попробуем выяснить, что же это значит и какое влияние оказывает.

Для получения ответов на данные вопросы понадобится экскурс в металлургию. Излишне углубляться не будем. Многие нюансы в данной статье не упоминаются, некоторые моменты намеренно упрощаются.

Свойства материала

Почему вообще мечи делаются из стали, а не, скажем, из дерева или сахарной ваты? Потому, что для создания мечей сталь как материал обладает более подходящими свойствами. Более того, для создания мечей сталь обладает наиболее подходящими свойствами из всех доступных человечеству материалов.

toyОт меча требуется не так уж и много. Он должен быть прочным, острым и не слишком тяжёлым. Но совершенно необходимы все эти три свойства! Недостаточно прочный меч быстро сломается, оставив своего владельца без защиты. Недостаточно острый меч окажется малоэффективным в нанесении противнику повреждений и тоже не сможет защитить своего владельца. Слишком тяжёлый меч в лучшем случае быстро вымотает владельца, в худшем – вообще окажется непригодным для ведения боя.

Теперь подробно разберёмся с этими свойствами.

В процессе эксплуатации мечи подвержены мощным физическим воздействиям. Что произойдёт с клинком, если ударить им по цели, какой бы она ни была? Результат зависит от того, что за цель и как ударить. Но также он зависит и от устройства клинка, которым мы бьём.

В первую очередь меч должен не сломаться, то есть он должен быть прочным. Прочность – это способность предметов не ломаться от внутренних напряжений, возникающих под воздействием внешних сил. На прочность меча в основном влияют две составляющие: геометрия и материал.

С геометрией всё в общем понятно: лом сломать труднее, чем проволоку. Однако, лом сильно тяжелее, а это не всегда желательно, поэтому приходится идти на ухищрения, минимизирующие массу оружия при сохранении максимума прочности. Кстати, можно сразу же заметить, что все разновидности стали обладают примерно одной плотностью: приблизительно 7,86 г/см3. Поэтому уменьшение массы достижимо только геометрией. О ней поговорим позже, пока что займёмся материалом.

Помимо прочности, для меча важна твёрдость, то есть способность материала не деформироваться при внешнем воздействии. Недостаточно твёрдый меч может быть очень прочным, но он не сможет ни колоть, ни резать. Пример такого материала – резина. Меч, сделанный из резины, практически невозможно сломать, хотя и можно разрубить – опять сказывается недостаток твёрдости. Но, что более важно, его лезвие слишком мягко. Даже если изготовить «острый» резиновый клинок, то резать он сможет разве что сахарную вату, то есть ещё менее твёрдый материал. При попытке резать хотя бы дерево лезвие из острого, но мягкого материала просто согнётся вбок.

Но твёрдость не всегда полезна. Зачастую вместо твёрдости нужна пластичность, то есть способность тела деформироваться без саморазрушения. Для наглядности возьмём два материала: один с очень низкой твёрдостью – всё та же резина, а другой с очень высокой – стекло. В резиновых или кожаных сапогах, динамически изгибающихся вслед за ногой, можно спокойно ходить, а вот в стеклянных ну никак не получится. Стеклянным осколком можно резать резину, но резиновый мяч с лёгкостью разобьёт оконное стекло, не пострадав.

Материал не может одновременно обладать высокой твёрдостью и при этом быть пластичным. Дело в том, что при деформации тело из твёрдого материала не меняет форму, подобно резине или пластилину. Вместо этого оно сначала сопротивляется, а затем ломается, раскалываясь – так как ему необходимо куда-то деть энергию деформации, которая в нём накапливается, и оно не способно погасить эту энергию менее экстремальным образом.

При низкой твёрдости молекулы, составляющие материал, связаны не слишком жёстко. Они спокойно двигаются относительно друг друга. Некоторые мягкие материалы после деформации принимают оригинальную форму, другие – нет. Упругость – это свойство возврата первоначальной формы. Например, растянутая резина соберётся обратно, если только не переборщить, а пластилин сохранит ту форму, которую ему придадут. Соответственно, резина деформируется упруго, а пластилин – пластично. Кстати, твёрдые материалы скорее упруги, чем пластичны: они сначала не деформируются, потом слегка деформируются упруго (если здесь отпустить, то вернут форму), а затем ломаются.

Разновидности стали

FeC

Диаграмма железо-углерод

Как уже говорилось выше, сталь – это сплав железа и углерода. Точнее, это сплав, содержащий от 0,1 до 2,14% углерода. Меньше – железо. Больше, вплоть до 6,67% – чугун. Чем больше углерода, тем выше твёрдость и при этом ниже пластичность сплава. А чем ниже пластичность, тем выше хрупкость.

На самом деле, конечно, всё не так просто. Можно получить высокоуглеродистую сталь, которая будет пластичнее низкоуглеродистой, и наоборот. Металлургия – это гораздо больше, чем одна диаграмма железо-углерод.  Но мы уже договорились упрощать.

Сталь, содержащая очень мало углерода – это феррит. Что такое «очень мало»? Зависит от различных факторов, в первую очередь от температуры. При комнатной температуре это где-то до половины процента, но нужно понимать, что не следует искать излишней чёткости в аналоговом мире, полном плавных градиентов. Феррит близок по свойствам к чистому железу: он обладает низкой твёрдостью, деформируется пластично и является ферромагнетиком, то есть притягивается к магнитам.

При нагреве сталь меняет фазу: феррит превращается в аустенит. Самый простой способ понять, дошла ли нагретая стальная заготовка до аустенитной фазы – поднести к ней магнит. В отличие от феррита, аустенит не обладает ферромагнитными свойствами.

Аустенит отличается от феррита иной структурой кристаллической решётки: она шире, чем у феррита. Все же помнят про тепловое расширение, верно? Вот тут оно так и проявляется. Благодаря более широкой решётке, аустенит становится прозрачным для отдельных атомов углерода, которые могут до известной степени свободно путешествовать внутри материала, оказываясь прямо внутри ячеек.

Конечно, если разогреть сталь ещё выше, до полного расплавления, то в жидкости углерод будет путешествовать ещё свободнее. Но сейчас это не так важно, тем более что при традиционном для Японии методе получения стали полного расплавления не происходит.

kitchenПри остывании расплавленная сталь сначала становится твёрдым аустенитом, а затем превращается обратно в феррит. Но это общий случай, для «обычных» углеродистых сталей. Если же добавить в сталь никель или хром в количестве 8-10%, то при охлаждении кристаллическая решётка останется аустенитной. Так делаются нержавеющие стали, фактически – сплавы стали с другими металлами. Как правило они проигрывают обычным сплавам железа и углерода по показателям твёрдости и прочности, поэтому мечи делают из «ржавеющей» стали.

С современными металлургическими технологиями вполне возможно получение нержавеющей стали, сравнимой по твёрдости и прочности с качественными образцами исторической углеродистой стали. Хотя современная углеродистая сталь всё равно будет лучше, чем современная нержавейка. Но, на мой взгляд, основной причиной отсутствия нержавеющих мечей является рыночная инерция: клиенты оружейников не хотят приобретать мечи из «слабой» нержавейки, плюс многие ценят аутентичность – несмотря на то, что это, по сути, фикция, о чём говорилось в предыдущей статье.

Получение тамахагане

Берём железную руду (сатецу-магнетит) и запекаем. Хотели бы полностью расплавить, но не получится – татара не справится. Но ничего. Нагреваем, доводим до аустенитной фазы и продолжаем греть до упора. Добавляем углерод, просто всыпая в печку уголь. Снова насыпаем сатецу и продолжаем запекать. Некую часть стали расплавить всё же удаётся, но не всю. Затем даём материалу остыть.

При остывании сталь пытается изменить фазу, превратившись из аустенита в феррит. Но мы же добавили значительное количество неравномерно распределённого угля! Атомы углерода, свободно перемещавшиеся внутри жидкого железа и нормально существующие внутри широкой аустенитной решётки, при сжатии и смене фазы начинают выдавливаться из более узкой ферритной решётки. С поверхности-то ладно, выдавиться есть куда, просто в воздух – и хорошо. Но в толще материала деваться особенно некуда.

В результате перехода железа из аустенита частью остывшей стали будет уже не феррит, а цементит, или карбид железа Fe3C. По сравнению с ферритом это очень твёрдый и хрупкий материал. Чистый цементит содержит 6,67% углерода. Можно сказать, что это «максимальный чугун». Если углерода в каком-то участке сплава окажется больше, чем 6,67%, то он не сможет разойтись в карбид железа. В этом случае углерод так и останется в виде вкраплений графита, не прореагировав с железом.

Перлит

Перлит

Когда татара остывает, на её дне образуется стальной блок весом около двух тонн. Сталь в этом блоке неоднородна. В тех областях, в которых сатецу граничит с углём, будет даже не сталь, а уже чугун, содержащий большое количество цементита. В глубине сатецу, вдали от угля, окажется феррит. В переходе от феррита к чугуну – различные структуры железоуглеродистых сплавов, которые для простоты можно определить как перлит.

Перлит – это смесь феррита и цементита. При охлаждении и фазовом переходе из аустенита в феррит, как уже говорилось, из кристаллической решётки выдавливается углерод. Но в толще материала выдавливать его особенно некуда, только из одного места в другое. Из-за различных неоднородностей при охлаждении получается, что часть решётки этот углерод выдавливает, превращаясь в феррит, а другая часть принимает, превращаясь в цементит.

Перлит с малым содержанием углерода, видны зоны феррита без полосок цементита

Перлит с малым содержанием углерода, видны зоны феррита без полосок цементита

На срезе перлит выглядит как шкура зебры: последовательность светлых и тёмных полосок. Чаще всего цементит воспринимается более белым по сравнению с тёмно-серым ферритом, хотя всё зависит от условий освещения и наблюдения. Если углерода в перлите достаточно мало, то полосатые области будут сочетаться с чисто ферритными. Но это всё тоже перлит, просто низкоуглеродный.

Стены печи разрушают, а стальной блок разбивается на куски. Эти куски постепенно дробятся до совсем небольших кусочков, придирчиво осматриваются, по возможности очищаются от шлака и лишнего углерода-графита. Затем они нагреваются до мягкого состояния и расплющиваются, получаются плоские слитки произвольной формы, напоминающие монетки. В процессе материал сортируется по качеству и содержанию углерода. Наиболее качественные кусочки-монетки идут на производство мечей, остальные – куда попало. С содержанием углерода всё достаточно просто.

Феррит, полученный из тамахагане, по-японски называется хочо-тецу (包丁鉄). Правильная англоязычная запись – “houchou-tetsu” или “hōchō-tetsu”, возможно без дефиса. Если искать как “hocho-tetsu”, то ничего хорошего не найдёте.

Перлит – это как раз и есть тамахагане. Точнее, словом «тамахагане» называется как вся полученная сталь в целом, так и её перлитная составляющая.

Твёрдый чугун из тамахагане называется набе-гане (鍋がね). Хотя названий для чугуна и его производных в японском несколько: набе-гане, сентецу (銑鉄), чутецу (鋳鉄). Если интересно, то вы сами можете разобраться, когда какое из этих слов правильно применять. Не самое важное в нашем деле, если честно.

Тамахагане: вывод

"Монетка" тамахагане, бывают и ещё мельче

«Монетка» тамахагане, бывают и ещё мельче

Традиционный японский способ выплавки стали не является чем-то высокосовершенным. Он не позволяет полностью избавиться от шлаков, неизбежно присутствующих в традиционно добытой руде. Однако, с главной задачей – получением стали – вполне справляется. На выходе получаются маленькие кусочки железоуглеродистых сплавов, похожие на монетки, с различным содержанием углерода. В дальнейшем производстве меча участвуют различные сорта сплавов, от мягкого и пластичного феррита до твёрдого и хрупкого чугуна.

(Продолжение.)

Оставить комментарий