При нагревании происходит перегруппировка атомов, в результате чего при температурах свыше 727 °С наш образец приобретает уже иную кристаллическую структуру, именуемую аустенитом. Она представляет собой кубическую решетку с атомами железа в центре каждой грани, при этом атомы углерода (показан темным) могут свободно внедряться между атомами железа.
Проще сказать, здесь углерод как бы растворяется в железе, но это твердый раствор. Механические свойства аустенита весьма заманчивы - он обладает высокой прочностью в сочетании с пластичностью. Увы - чудесная структура нестабильна, и живет лишь в узком диапазоне высоких температур. Если позволить детали медленно остыть, то аустенит вновь превратится в перлит, что широко используется на практике, когда готовые изделия подвергают процедуре отжига. При этом выравнивается кристаллическая структура и снимается внутреннее напряжение.
Однако, обеспечив стремительную потерю тепла порядка 300 °С/сек (например, путем погружения раскаленной детали в какую-нибудь жидкость), мы лишим капризный аустенит возможности обратного перевоплощения, и он от злости закостенеет, сделавшись твердым и хрупким мартенситом. Микрошлиф данной структуры имеет типичное игольчатое строение.
В этом суть закалки - охладить сталь с такой скоростью, чтобы аустенит не вернулся в исходное состояние перлита. Чем ниже скорость охлаждения, тем больший процент аустенита будет потерян. Соотношение «перлит- мартенсит» и определяет конечные механические свойства после термообработки. Если деталь, изготовленную из качественной углеродистой стали (например, У10), разогреть до температуры свыше 800 °С, а затем резко погрузить в холодную воду, то мы получим почти чистую мартенситную структуру. В таких случаях говорят, что сталь закалена «насухо». Так калят напильники, и каждому известна их твердость и хрупкость. Разумеется, обладающий такими качествами клинок будет звонким и крепким, но разлетится от первого же удара или с легким щелчком треснет пополам при малейшем изгибе.
Все попытки придать ему хоть сколько-нибудь пластичности будут иметь успех исключительно за счет пропорциональной потери твердости. Добавки некоторых элементов (например, марганца) в совокупности с нагревом до температур выше 1000°С и последующим форсированным охлаждением в ледяной воде позволяют частично стабилизировать структуру аустенита. Такие стали обладают удивительной прочностью, стойкостью к истиранию и ударным нагрузкам. Из них, например, делают элементы гусениц танков. Популярная в среде отечественных оружейников рессорная сталь 65Г как раз является марганцевой, однако ее закалочная твердость не превышает значения 50-55 HRC (если не поступаться вязкостью).
Таким образом, поколение за поколением оружейники играли и играют на тонкой грани компромисса между одной и другой крайностями. Конечно, есть целые этнические группы (народности севера, африканские масаи), традиционно и с успехом пользующиеся практически сырым железом, которое не ломается, легко выправляется буквально на колене и затачивается о любой встречный камень. Но абсолютное большинство мастеров пускались на самые изощренные хитрости в стремлении обеспечить своему детищу твердость и вязкость одновременно. Теперь эта каверзная задача довольно успешно решается во множестве марок легированных сталей. Для тех, кому иностранное слово показалось ругательством, поясню - ряд химических элементов (никель, вольфрам, молибден, марганец, медь, титан и др.) обладают способностью резко и целенаправленно менять свойства стали, улучшая ее характеристики. При этом в количественном отношении такие присадки, именуемые легирующими, выражаются порой сотыми долями процента, и их вовсе не следует забрасывать в плавильную печь кубометрами. Но благодаря им все мы сегодня знакомы с нержавеющими, жаропрочными, жаростойкими, химически пассивными и другими удивительными марками стали.