Из жара в холод
Углерод, который проникает в железо, не появляется из ниоткуда – он изначально должен присутствовать в том куске стали, который мы хотим закалить. Для этого во время варки стали (а её именно варят, как суп, только при гораздо более высокой температуре, в огромных печах) в неё добавляют нужные вещества, в том числе и углерод, и попутно удаляют вредные примеси, точно так же, как повар убирает из супа мелкие кости, снимает накипь и добавляет соль и специи. По окончании варки готовую сталь разливают в формы и дают остыть – получается слиток, состоящий из железа, углерода и некоторых других веществ, улучшающих свойства нашего будущего ножа. В таком слитке углерод хоть и присутствует в необходимом нам количестве, но он не растворён в частицах железа, а расположен между ними, причём расположен хаотично, как попало, то есть наши сумки на аэродроме, оставаясь пустыми, просто пересыпаны картошкой и нам не составит труда вытащить из этой кучи картошки любую из них. Для растворения углерода в железе наш слиток необходимо нагреть до определённой температуры (около 740…850 градусов) и выдержать некоторое время. Этот процесс очень похож на растворение поваренной соли в воде – в стакане очень холодной воды мы вряд ли сможем растворить даже чайную ложку соли, сколько бы мы её ни перемешивали. Но если в этот же стакан налить кипяток, то в нём эта ложка соли без труда растворится за несколько секунд. Добавим ещё ложку соли – растворилась, добавим ещё – опять растворилась, ещё, ещё… В результате мы получим очень соленую воду, в которой соль уже не сможет больше растворяться, как бы мы не старались. Если теперь мы оставим наш рассол спокойно остывать, то через некоторое время увидим, как соль начнёт выпадать в виде кристаллов, и чем сильнее будет остывать наш стакан с рассолом, тем больше соли выпадет в осадок, то есть, при охлаждении вода в стакане будет становиться всё менее солёной, поскольку соль будет выделяться из воды и выпадать в стакан в виде кристаллов. Давайте теперь попробуем охлаждать наш пересоленый кипяток не постепенно, а резко, чтобы он за несколько секунд превратился в лёд. В этом случае мы не увидим никаких кристаллов выделившейся соли – она просто не успеет вырасти в кристаллы и выпасть в осадок, в результате чего мы получим очень солёный лёд. К чему же мы затеяли этот солёный эксперимент? Да к тому, что растворение углерода в железе, равно как и выпадение его обратно при медленном охлаждении происходит точно также, как и соль в воде – природа этих процессов одинакова и изменить её мы не в силах. Отсюда следует простое правило – чтобы закалить сталь, то есть сделать её более прочной и твёрдой, её необходимо нагреть до определённой температуры, выдержать какое-то время (чтобы углерод успел полностью раствориться в железе) и затем резко охладить. Именно при резком охлаждении углерод не успеет выделиться из железа (картофелины не успеют повыскакивать из сумок) и наш будущий нож станет твёрдым и прочным. Нужно сказать, что для каждого сорта стали существует своя особая температура, которую называют температурой закалки или закалочной температурой, при превышении которой сталь теряет свои свойства, а пониженная температура не позволяет углероду начать растворяться в железе. Для наиболее распространённых в настоящее время сталей отечественного производства закалочная температура находится в пределах 740…860 градусов, но для каждого сорта стали она строго определена и для достижения нужного результата должна выдерживаться с высокой точностью.
После закалки сталь приобретает высокую твёрдость, но вместе с тем становится и очень хрупкой, иногда буквально как стекло. Автор этих строк имел возможность лично в этом убедиться – в процессе изготовления одного из инструментов уже закалённая пластина случайно упала на каменный пол и рассыпалась на 7 частей. Для устранения этого крайне нежелательного явления металл после закалки необходимо подвергнуть так называемому отпуску, то есть нагреть до температуры, ниже закалочной и выдержать в этом состоянии некоторое время (обычно 1—2 часа). Во время отпуска некоторая часть углерода выделяется из железа (из наших сумок на аэродроме выскакивает несколько картофелин) и наша стальная пластина, хоть и теряет немного твёрдости, но зато избавляется от стеклянной хрупкости. Чем выше температура отпуска, тем больше углерода сможет выделиться из частичек железа и расположиться между ними, соответственно тем ниже окажется твёрдость нашего изделия. При повышении температуры отпуска примерно до 700…750 градусов и последующем медленном охлаждении мы дадим возможность углероду, который растворился в железе при закалке, полностью выделиться из частиц железа и в результате получим такой же мягкий кусок стали, что и до закалки – произойдёт так называемый высокий отпуск. Если при закалке без отпуска сталь становится очень твёрдой и одновременно чрезвычайно хрупкой, а при высоком отпуске – теряет набранную твёрдость, то вполне логично будет предположить, что существуют и промежуточные состояния стали, при которых наверняка найдётся устраивающий нас компромисс между твёрдостью и прочностью (отсутствием хрупкости). Благодаря многочисленным экспериментам изготовителей ножей, методом проб и ошибок была найдена та самая золотая середина, при которой наш нож, оставаясь достаточно твёрдым, уже практически избавился от стеклянной хрупкости и стал прочным и вполне надёжным. Говоря о твёрдости, мы должны представлять то, по сравнению с чем наш нож твёрдый или насколько он твёрдый. Другими словами, нам нужно знать, где по твёрдости располагается наш нож между чем-то мягким и чем-то очень твёрдым. Когда-то очень давно мастера – оружейники определяли твёрдость своих изделий, царапая их стеклом или натирая речным песком: глубина царапин позволяла приблизительно судить о качестве закалки. Сегодня подобные методы не применяются, а твёрдость различных материалов определяется на специальных приборах, с высокой точностью и самое главное – твёрдость конкретного образца имеет численное выражение по особой шкале и мастер может сразу определить, насколько он приблизился к желаемому результату. Пора и нам с вами познакомиться с этими приборами, и узнать, какие методы определения твёрдости существуют на сегодняшний день.