Во всяком компактном материале, например в легированных сталях и сплавах, нагрузку воспринимает материал в целом. Поэтому возникшая трещина быстро распространяется и приводит к хрупкому разрушению металла. Чем выше прочность материала, тем меньше его сопротивление хрупкому разрушению. В композиционном материале трещина, возникшая при разрушении прочного волокна или пластины, гасится мягкой матрицей. Поэтому наряду с высокой прочностью такие материалы обладают и высокой вязкостью, и в этом отношении они также как бы продолжают традиционные свойства булатной стали.
Любая доэвтектоидная сталь после закалки по определенному режиму может иметь феррито-мартенситную структуру. Но это еще не композиционный материал. Как же превратить его в композит? Для этого необходимо, чтобы участки мартенсита были слоистыми, то есть имели соизмеримые размеры в двух направлениях и намного меньший размер в третьем. Такую структуру получают при помощи термомеханической обработки.
Для получения композиций с направленной феррито-мартенситной структурой доэвтектоидную сталь прокатывают при температуре, обеспечивающей ей двухфазную структуру — аустенит и феррит (рис. 2). Непосредственно после прокатки сталь закаливают, и слои аустенита превращаются в мартенсит, а феррит остается в прежнем состоянии. Это и приводит к образованию композиции из слоистого мартенсита, расположенного в мягкой ферритной матрице.
Так же как и булатная структура, структура композиционной феррито-мартенситной стали обеспечивает увеличение ее прочности более чем в 2 раза по сравнению с обычной сталью такого же состава. Так же как и в булате, прочные, твердые слои мартенсита соединены с мягкой пластичной ферритной матрицей, и в связи с этим композиционная сталь имеет более высокую вязкость и смещение порога хрупкого разрушения к более низким температурам.
Знаменательно, что идеи Д. К. Чернова о возможности получения булатной структуры, используя структуру эвтектоидного или эвтектического типа, практически полностью воспроизведены в так называемых эвтектических и эвтектоидных композициях. Получение этих композиций связано с использованием различных фазовых превращений в сплавах, в частности с кристаллизацией жидкости (эвтектическое превращение) или с превращением в твердом состоянии (эвтектоидный распад). В результате эвтектического превращения в системе образуются две или более твердые фазы, выпадаемые одновременно в виде механической смеси, называемой эвтектикой.
Одним из наиболее изученных и перспективных способов создания композиционных сплавов такого типа является направленная кристаллизация. Этот способ обеспечивает достаточно резко выраженную физически неоднородную структуру со строгой ориентацией фаз в пространстве. В эвтектических композициях реализуется идеальная структура — высокопрочные нитевидные кристаллы армируют пластичную и вязкую матрицу.
Не может быть сомнений в том, что, если бы П. П. Аносову предъявили такую структуру, он ее тотчас же назвал бы булатом…
Твердые, как алмазы
Очень высокая прочность и большая твердость материала достигается в искусственных композициях, которые еще в большей степени повторяют структуру булата. Принцип их создания давно известен. Подобно тому как в природном бамбуке мягкая целлюлозная матрица упрочняется жесткими и прочными нитями окиси кремния, принцип создания искусственных композиций заключается в сочетании (соединении) разнородных материалов. Еще в Древней Греции при строительстве Парфенонского храма широко использовались комбинированные материалы. Мраморные колонны храма армировались железными стержнями. В XVI веке при постройке храма Василия Блаженного в Москве знаменитые русские зодчие Барма и Постник применяли каменные плиты, армированные стальными полосами. Давно известен железобетон, который состоит из бетона, работающего на сжатие, и стальной арматуры, работающей на растяжение.
Новые композиционные материалы отличаются от обычных традиционных сплавов прежде всего булатной неравновесной структурой и очень высокими механическими свойствами.
Длительное время в качестве инструмента для обработки твердых материалов использовали алмаз. В производстве лампочек накаливания для волочения вольфрамовой нити применяли исключительно алмазные фильеры. Особенно дорого стоили алмазные фильеры для протяжки проволок больших диаметров. Естественно, что дорогостоящие и дефицитные алмазы всячески старались заменить каким-либо другим по возможности равноценным и дешевым материалом.
В начале XX века появились исследования, показывающие, что алмаз можно заменить твердыми и тугоплавкими, но более дешевыми карбидами металлов. Лучше всего для этой цели подходил карбид вольфрама. Попытки применить литой карбид вольфрама но дали положительных результатов — изделия имели низкую прочность и высокую хрупкость. Дальнейшие поиски показали, что хрупкость карбида вольфрама можно несколько уменьшить при сохранении высокой твердости посредством добавления железа, никеля и лучше всего кобальта. В 1923 году в Германии патентуется способ спекания карбида вольфрама с применением в качестве цементирующей связки кобальта до 10 %. В более поздних патентах содержание кобальта увеличивается ДО 20 %.
Положительный опыт использования твердых сплавов при волочении вольфрамовой проволоки открыл широкий путь для применения этого материала не только для фильер, но и в других областях техники в качестве твердосплавного режущего инструмента. Так, изделие, предназначенное для одной узкой цели — производства лампочек накаливания с вольфрамовой нитью, — получило совершенно непредвиденное вначале универсальное значение.
Впервые спеченный твердый сплав для режущего инструмента был получен на основе монокарбида вольфрама и кобальта в 1923–1925 годах германской фирмой «Осрам» по патенту немецкого инженера Шрёттера. В 1926 году промышленное производство таких сплавов под названием «видиа» было начато фирмой «Крупп». Видиа оказался очень хорошим материалом для металлорежущих резцов, наконечников для напайки на сверла, пластинок для фрез, пил, зенкеров и разверток. Благодаря новому композиционному материалу оказалось возможным обрабатывать резанием такие стали и чугуны, из которых раньше можно было получать изделия только ковкой или литьем. Новый материал, как в свое время быстрорежущая сталь, произвел революцию в машиностроении.
В Советском Союзе появление спеченных инструментальных твердых сплавов относится к 1929–1930 годам, когда на Московском электроламповом заводе были изготовлены первые образцы такого сплава на основе карбида вольфрама и кобальта под названием «победит». Второй советский сплав на хромомарганцевожелезной основе был самым дешевым твердым сплавом из всех известных в мире. Долгое время, вплоть до Великой Отечественной войны, он был известен под названием «сталинит» и имел большое распространение. Его широко применяли для наплавки деталей с целью предохранения от сильного износа при истирании, особенно для покрытия зубьев врубовых машин, всевозможных дробящих механизмов, экскаваторов, шнеков. Одна из марок этого сплава (сталинит-2) по сопротивлению истиранию превосходила лучший зарубежный сплав — вокер.
Современная технология получения твердых сплавов состоит в следующем. Порошки карбида вольфрама и кобальта тщательно перемешивают, формуют в заготовки и спекают в вакууме при температуре 1400–1500 °C. При этой температуре появляется жидкая фаза па основе кобальта, которая «склеивает» частицы карбида и обеспечивает получение компактного материала. Так же как и железо в булате, добавка кобальта к карбиду позволяет получить материал, обладающий одновременно высокой твердостью и достаточной прочностью и вязкостью.