Пластичность металлов,

или

интимная жизнь дислокаций

Выше мы говорили о том, как можно повысить вязкость упругих материалов, подчиняющихся закону Гука вплоть до момента разрушения. Описанный в главе 4 механизм является практически единственным для получения полезной вязкости неметаллических материалов, и, как мы уже говорили, живая природа, по-видимому, целиком уповает на него, по крайней мере в своих достаточно жестких материалах, таких, как древесина и кость. Другое дело вязкость металлов - она не имеет, насколько мне известно, аналогий в живых организмах. Механизм сопротивления металлов хрупкому разрушению обычно называют пластичностью.

Пластичность определяется тем, насколько форма кривой напряжение-деформация отклоняется от закона Гука. В главе 3 мы уже подробно говорили о концентрации напряжений, этом проклятии для инженеров, с которым должна бороться вязкость. Как правило, в оценках концентрации исходят из того, что материал следует закону Гука. Мы говорим о концентрации напряжений, но все вычисления дают нам, по существу, концентрацию деформаций. Следовательно, если мы нашли в результате расчетов, что в непосредственной близости от кончика трещины деформация материала раз в 200 больше, чем средняя деформация в конструкции, то мы полагаем далее, что местное напряжение также в 200 раз выше среднего. Мы говорим, что в этом случае коэффициент концентрации напряжений равен 200. Однако эти рассуждения верны лишь в том случае, если для материала вблизи кончика трещины соблюдается закон Гука.

Металловеды пользуются классическим способом торможения трещины, который основан на свойстве материала пластически деформироваться. Этим свойством как раз и обладают металлы. Небольшие отклонения от закона Гука, связанные, например, с формой кривой сил межатомного взаимодействия (глава 1), здесь бесполезны, так как локальные деформации у кончика трещины обычно в сотни раз превосходят среднюю деформацию. Существует несколько разновидностей отклонений от закона Гука. Может быть, полезно поэтому рассмотреть вначале материал, в котором практически отсутствует сопротивление распространению трещин.

 

Чем плохи вязко-упругие материалы

Если оставить густую жидкость под постоянной нагрузкой, то через достаточно длительный промежуток времени она может практически неограниченно деформироваться. Иными словами, она будет течь. Подобно болотной топи, такая жидкость потечет, если вы будете на нее давить долго, но она успешно сопротивляется внезапным кратковременно действующим нагрузкам. Наиболее густые жидкости трудно отличить от твердых тел. К такого рода веществам относятся вар и гудрон, конфета ириска и различные пластики.

Мы уже говорили, что ириску довольно легко расколоть, а вот медленным приступом ее можно не одолеть и большей силой. То же самое относится и к вару и, что уж совсем плохо, к пластикам. Дайте пластикам время, и они будут действительно очень вязкими: они потекут вокруг головки трещины, и концентрация напряжений снизится Но как конструкционные материалы они объединяют в себе худшие качества как пластичных, так и хрупких материалов. Если их медленно нагрузить, то через некоторое время они начинают течь во всем объеме, постепенно уходя от выполнения своих прямых задач. Под внезапной нагрузкой они неспособны вовремя деформироваться и их поведение походит на поведение твердого стекла. А коль скоро побежала трещина, она вскоре достигает такой скорости, за которой механизм пластического течения уже не сможет успевать, - и материал раскалывается.

Такие материалы, как древесина и армированные пластики, при больших напряжениях тоже немного ползут, то есть ведут себя на манер вязко-упругих материалов, и это, конечно, их недостаток. Кроме того, они не вполне “гуковские”: их кривая напряжение - деформация выглядит так, как показано на рис. 47. Однако отклонения от закона Гука слишком малы, чтобы как-то понизить хрупкость этих веществ, поэтому они должны полностью полагаться на слабые внутренние поверхности, тормозящие трещины.

Рис. 47. Кривая напряжение - деформация типичного неметаллического конструкционного материала (например, древесины или стекловолокна). Отклонение от закона Гука определяется, как правило, не формой кривой межатомных сил, а небольшими эффектами ползучести.

 

Торможение трещин дислокациями и коррозия под напряжением

Дислокационный механизм обеспечивает весьма удачную комбинацию упругости при малых деформациях с интенсивным течением - при больших. Типичная кривая напряжение - деформация для пластичного металла схематически показана на рис. 48. Упругая деформация в таких металлах составляет намного меньше 1%. Далее их поведение напоминает пластилин, они текут при почти постоянном напряжении до удлинений 50% и более (на самом деле локальные деформации бывают значительно большими). На этом участке пластического течения материал не разупрочняется. С увеличением деформации напряжение не возрастает; но, с другой стороны, металл серьезно и не повреждается. Средняя рабочая деформация, сознательно допускаемая в технических конструкциях, редко превышает примерно 0,1%, а поскольку металл может течь локально до 100% и более, то допустимы концентрации деформаций в кончике трещины что-нибудь около 1000.

Рис. 48. Кривая напряжение-деформация для пластичного металла

На рис. 49 видно, что по обе стороны от кончика трещины есть малые области очень большого сдвига - концентрация напряжений сдвига. Напряжения здесь достаточны, чтобы заработали источники дислокаций, и, действительно, новые дислокации рождаются здесь в изобилии. В двух главных плоскостях, торчащих из трещины, словно уши, под 45° к ее поверхности, возникает сдвиг, и самая опасная концентрация напряжений снимается. Грубо говоря, это равносильно округлению головки трещины. Следовательно, хотя гриффитсов баланс энергии (глава 4) остается в пользу распространения трещины, механизм, движущий ее, оказывается бессильным из-за отсутствия нужной концентрации напряжений.

Рис. 49. Концентрация касательных (сдвиговых) напряжений у кончика трещины.

Таким образом, трещине не удается подрастать по чисто механическим причинам, и материал будет в безопасности, пожалуй, практически в 99% случаев. Работая с материалами, мы должны всегда помнить, что не существует четких и ясных линий раздела между химией, физикой и теорией упругости. Эксперты в своих замках из слоновой кости любят проводить это разделение, но ведь межатомные- то связи о них ничего не ведают. Связь может быть разрушена химическим, физическим или механическим путем, а также любой комбинацией этих способов. Упруго натянутая связь более уязвима по отношению к физическим и химическим воздействиям. По этой причине области с высоким напряжением особенно слабо сопротивляются растворителям и коррозионным средам.

Мы уже подчеркивали, что в вязких материалах баланс энергии обычно остается в пользу распространения трещины. Трещина стоит на месте лишь потому, что из-за снижения концентрации напряжений отсутствует и механизм распространения. В то же время, хотя рождение многочисленных дислокаций сильно понизило напряжения у головки трещины, оно не сбросило их полностью.

Более того, сильно исковеркан и жизненный путь находящихся здесь атомов, и сохранились деформации микрообъемов. Поэтому связи между атомами в этой области более чем где-либо чувствительны к воздействию агрессивных растворов и хнмикалиев, которым случится соприкоснуться с материалом. Вот почему металлы, вязкие на воздухе и в других сухих газах, могут растрескаться под нагрузкой, если их замочить в морской воде. То же самое случается и на химических заводах. Причем без нагрузки металлы могут служить годами в той же самой коррозионной среде, а время действия роковой нагрузки может быть и очень большим, и очень малым. В этом отношении некоторые латуни могут оказаться ловушками для несведущих любителей.

 

Пластичность кристаллов

Пластичность металлов имеет два чрезвычайно полезных следствия. Во-первых, она затрудняет распространение трещин, а во-вторых, делает металл ковким. Последнее означает, что куску металла можно придать нужную форму путем горячих или холодных операций ковки, прессования, гибки. Вообще говоря, для обработки металлов давлением (ковки, прокатки) способность к течению должна быть больше, чем для того, чтобы обеспечить сопротивление материала развитию трещин. Но обработке подвергается, как правило, нагретый металл, а в таком состоянии практически все кристаллы намного более пластичны.

Пластичность - исключительная привилегия кристаллов, поскольку истинные дислокации могут существовать только в виде нарушений идеальной кристаллической решетки. Большинство твердых тел обладают кристаллической структурой, и дислокации присутствуют почти во всех кристаллах. С другой стороны, в подавляющем большинстве кристаллов при комнатных температурах дислокации либо недостаточно подвижны, либо характер их подвижности не тот.

Почти все кристаллы содержат дислокации, порожденные самой природой кристаллизации. Но эти дислокации распределены по всему объему материала более или менее равномерно, а концентрация напряжений у кончика трещины - явление очень резко выраженное и локализованное, и их, этих врожденных дислокаций, расположенных в непосредственной близости к трещине, для такого сдвига, который бы сгладил ситуацию, обычно не хватает даже если эти дислокации очень подвижны. Следовательно, нужно, чтобы масса новых дислокации возникла прямо на месте происшествия, их должна породить сама концентрация напряжении. Более того, размножение должно идти очень быстро, иначе материал будет уязвимым в случае ударных нагрузок.

В реальном материале трещины совсем не похожи на плоские картинки на листе бумаги, это сплюснутые объемные клиновидные поры, пытающиеся втиснуться в трехмерный материал. Поэтому для того, чтобы должным образом уменьшить концентрацию напряжений, необходим сдвиг в пяти плоскостях.

Число кристаллов, которые удовлетворяют всем перечисленным условиям сразу, очень мало: какая-нибудь дюжина металлических кристаллов из тысяч существующих кристаллических веществ. Сегодня ни один неметаллический кристалл (подозрительное исключение составляет хлористое серебро) мы не можем считать истинно пластичным.

Хотя за последние тридцать лет проделана огромная работа по изучению дислокаций и существует поистине необъятное количество как теоретических, так и экспериментальных сведений, нам все еще полностью не понятно, что определяет подвижность дислокаций в раличных веществах. Но все же, наверное, будет полезно рассказать о некоторых более понятных сторонах этого явления.

Прежде всего, легкость, с которой межатомная связь может быть разрушена и восстановлена, для разных веществ весьма различна. А ведь мы знаем, что каждый раз, когда дислокация прыгает на один шаг, должны рваться старые связи и устанавливаться новые. В этом отношении наиболее гибкими должны быть такие связи, которые обеспечивают одинаковое притяжение во всех направлениях. Здесь на первое место нужно поставить металлическую связь, а за ней - ионную. Наихудшей будет, наверное, ковалентная связь, которая часто бывает в высшей степени направленной. Она имеет характер типа “все или ничего”. К сожалению, ковалентная связь в то же время является и наиболее прочной, и наиболее жесткой, и наиболее желательной из всех химических связей. Но при нормальной температуре дислокации в ковалентных кристаллах малоподвижны.

Очень важную роль играет также кристаллическая структура вещества, то есть геометрия взаимного расположения атомов или молекул в кристалле. Если элементарная ячейка (то есть такая минимальная ячейка, простым повторением которой можно “собрать” кристалл) велика, то прыжок дислокации будет, как правило, затруднен. Даже если элементарная ячейка и мала, но упаковка атомов геометрически усложнена, число направлений легкого скольжения будет чересчур ограничено. Обычно кристаллы с кубическим расположением атомов деформируются легче, чем кристаллы с гексагональной упаковкой атомов. Далее, важную роль играют размер ячейки, а также примеси.

Громадное большинство кристаллических веществ не обладает достаточно высокой пластичностью при нормальных температурах, а те кристаллические вещества, которые пластичны, оказываются слишком уж пластичными. Кристаллы чистых металлов (железа, серебра, золота и т.п.) слишком мягки, настолько мягки, что практически их просто нельзя использовать. Поэтому задача металловедения - искусства и науки-заключается главным образом в том, чтобы придать таким кристаллам твердость и прочность, не сделав их при этом слишком хрупкими. Это следует делать, ограничивая движение дислокаций, но в то же время не надо тормозить его слишком уж сильно.

Инженеры любят толковать об “удлинении”, даже используют его в качестве меры пластичности. Это очень грубый практический прием определения величины пластической деформации металла перед полным его разрушением. Величина эта не имеет ничего общего с упругой деформацией при разрыве материала, которая обычно не превышает 1%. Для измерения удлинения на образец наносятся две метки на расстоянии, положим, 5 см; после разрушения образца две половинки его складываются и расстояние между метками измеряется вновь. Если, например, новое расстояние окажется 7,5 см, то говорят, что удлинение равно 50% и т.д. Как и результаты большинства других популярных инженерных испытаний, удлинение очень трудно более или менее стройным образом связать со свойствами пластического течения материала. Точно так же трудно такие результаты использовать. Однако многие инженеры придерживаются стойкой почти религиозной веры в силу таких испытаний, и если вы скажете им, что древесина и стеклопластики, обладая вязкостью, дают нулевое удлинение, то в ответ можете услышать, что именно поэтому они их и не применяют. Как и большинство верований, основанных на эмоциях, эта вера зиждется на страхе, вполне понятном страхе перед хрупким разрушением.

Для большинства металлических сплавов удлинение порядка 5-10% оказывается достаточным для того, чтобы обеспечить удовлетворительную вязкость. Чаще всего на практике используют малоуглеродистые стали, имеющие удлинение до 50-60%, но довольно низкую прочность. Частично это объясняется перестраховкой из-за боязни трещин, но, кроме того, есть еще и две другие причины. Многие конструкции делают из металлических листов, прутков, труб, и обычно бывает очень удобно и дешево придать им нужную форму путем гибки в холодном состоянии. Подгоняя одну часть конструкции к другой, можно также использовать и другие довольно грубые методы. Во время войны мне говорил как-то один сборщик самолетов, что подгонку крыльев “Спитфайеров” к фюзеляжам можно выполнить только при помощи кувалды. Своими глазами я такого никогда не видел, поэтому не могу ручаться за достоверность, но подобного рода вещи случаются, хотя, пожалуй, и не в авиационной промышленности и не в мирное время.

Вторая причина связана с тем, что перераспределение напряжений в конструкции может сгладить опасные напряжения. Дело в том, что иногда бывает очень трудным сколько-нибудь точно определить нагрузки во всех элементах сложной конструкции, а кое-кому это может показаться просто слишком обременительным занятием. Если же материал течет и имеет большой пластический участок, то перегруженный элемент может просто больше деформироваться, что не так уж и опасно для него. Многие инженеры свято верят в такие “самопроектирующиеся” конструкции.

Теперь нам понятны преимущества пластичных металлов в реальном мире с его несовершенствами и соображениями коммерции. Легко объясняется теперь и широчайшее распространение мягких сталей, алюминия, меди. Но вместе с тем с пластичностью связаны и два недостатка. Пластичность даже самых мягких металлов не бесконечна, и так как способов измерить, какая доля пластичности уже исчерпана при изготовлении детали, обычно нет, остается лишь догадываться, сколько же пластичности сохранилось на то, чтобы обеспечивать вязкость в ходе эксплуатации. Когда ломаются изделия массового производства, именно в этом незнании кроется корень зла. Отжиг - операция достаточно прихотливая, к тому же она связана с дополнительными расходами, а малые детальки имеют грошовую цену, поэтому трудно воспротивиться стремлению деформировать металл в таких случаях вхолодную.

Другой недостаток заключается в том, что максимальная пластичность неизбежно сочетается с малой прочностью, поскольку металловеды должны сделать так, чтобы дислокации начали двигаться при малых напряжениях. А в итоге конструкции часто получаются намного тяжелее, чем следовало бы.

 

Краевые и винтовые дислокации

Теория дислокаций чрезвычайно сложна и в конце-то концов наибольший интерес она представляет, по-видимому, для узких специалистов. Однако нам следует упомянуть о двух основных типах дислокаций - краевой и винтовой. Краевая дислокация была введена в обиход Дж. Тэйлором в 1934 году. Она проще и легче для понимания. Как мы уже говорили о ней в главе 3 (рис. 28), она создана, по существу, лишним слоем атомов, вдвинутым в кристалл словно лист бумаги, наполовину вложенный между страницами книги. Краевые дислокации могут возникнуть в процессе образования кристалла. Примером их могут служить так называемые “малоугловые границы”: когда два растущих кристалла встречаются под небольшим углом и соединяются вместе, образуя сплошное тело, линия их соединения оказывается цепочкой краевых дислокаций, которые впоследствии могут, конечно, перебраться на новые места.

Существование винтовых дислокаций предсказал в 1948 году Франк. Они понадобились ему не столько для объяснения механических свойств кристаллов, сколько для объяснения их роста. Переход атомов или молекул из раствора или из пара и более или менее непрерывное осаждение их на растущем твердом кристалле сопровождается изменением энергии системы. Пойдет или не пойдет такой процесс - зависит от так называемого пересыщения, грубо говоря, от того насколько охотно молекулы покидают раствор или пар. Можно, например охладить раствор сахара или соли значительно ниже температуры, при которой должны расти кристаллы, а кристаллы не появятся, пока не окажется для них подходящей поверхности.

Для гладкой плоской поверхности можно вычислить степень пересыщения, которой можно достичь без выпадения материала. Она оказывается довольно большой. Франка занимало, что на практике многие кристаллы растут себе на здоровье при пересыщениях, которые намного меньше теоретически рассчитанных для присоединения атомов к плоской поверхности. И в самом деле, если бы нам всегда пришлось осаждать кристаллы только на плоскую поверхность, многие кристаллы вряд ли вообще были бы получены. Но можно показать, что если поверхность имеет нерегулярность, неровность, такую, как, например, ступенька высотою хотя бы в одну молекулу, - осаждение будет намного легче.

Ступенька дает довольно уютное пристанище блуждающим молекулам, которые стремятся осесть именно здесь. Так и каменщик кладет кирпичи на уступе кладки. И точно так же, как и в случае кирпичной кладки, добавив один элементик, мы не уничтожим ступеньку, а лишь переместим ее вдоль верхушки стены. Этот механизм в действии наблюдали Банн и Эммет в 1946 году. Напомним, что именно так получаются ступеньки, которые ослабляют поверхность усов и других кристаллов (глава 3).

Франк рассуждал примерно так. Допустим, что ступеньки роста существуют. Что же тогда получается, когда движущаяся ступенька доходит до кромки кристалла? По-видимому, она должна исчезнуть, как исчезает уступ на кирпичной стене, когда каменщик достигает конца стены. Если так, то как могла бы возродиться ступенька, чтобы начал расти следующий слой?

Ответ Франка был блестяще прост. Кристаллы никогда не строятся, как дома, из слоев кирпича. Ступенька роста никогда не исчезает на кромке, потому что кристалл строится подобно винтовой лестнице. Значит, кристалл просто “накручивается” сам на себя, все время используя одну и ту же ступеньку. Подобно тэйлоровой гипотезе о краевых дислокациях, идея о винтовых дислокациях покоряла своей логикой, и интуитивно казалось, что она должна быть верной. Так оно и получилось. Вскоре Форти и другие экспериментаторы подтвердили существование винтовых дислокаций (рис. 50).

Рис. 50. Схема винтовой дислокации.

В схеме винтовой лестницы самой труднообъяснимой была ситуация в центре. Здесь, конечно, существует какой-то пробел, нестыковка, образующие некоторую линию по оси винта. Это и есть сама дислокация. Как и в случае краевой дислокации, межатомные связи здесь сильно деформированы, хотя ничего подобного отверстию, в обычном смысле этого слова, нет. Но вот усы довольно часто бывают полыми, трубчатыми. Возможная причина этого в том, что такие усы росли с винтовой дислокацией, ступенька которой была высотой не в одну, а в несколько молекул. Если так, то тогда деформации в ядре дислокации могут быть очень большими. Следовательно, кристалл может предпочесть энергии деформации поверхностную энергию, то есть расти с отверстием посередине.

Как случается с большинством удачных гипотез, с гипотезой о винтовой дислокации перестарались: с нею связывался почти каждый аспект роста почти каждого вида кристаллов. Сегодня, по-видимому, ясно, что многие кристаллы обходятся в своем росте без механизма Франка, но факт остается фактом - очень многие кристаллы используют этот механизм, винтовая дислокация - вполне реальное и очень важное явление.

Совсем не обязательно, чтобы дислокация была целиком краевого или винтового типа. Дислокационная линия может начаться как краевая, а закончиться - как винтовая, и наоборот. А между началом и концом она может быть отчасти винтовой, а отчасти - краевой. В таких случаях говорят, что дислокация имеет винтовую и краевую компоненты. Но правила движения двух типов дислокаций неодинаковы, и в этом одна из причин сложностей поведения реальных дислокаций, представляющих собой обычно искривленные пространственные линии.

Сегодня теория дислокации - тщательно разработанная и поощряемая наука, которая, несомненно, пролила свет на поведение твердых тел, особенно металлов. Теперь мы в значительной мере понимаем реальное поведение металлов. С другой стороны, нельзя сказать, что знания о дислокациях привели к каким-то радикальным усовершенствованиям механических свойств материалов. Что касается металлов, то можно, пожалуй, сказать, что большая часть возможных и важных улучшений была сделана еще традиционными эмпирическими методами, а роль дислокационной теории свелась к объяснению того, почему и как эти улучшения получились.

 

Наблюдение дислокаций

Какой правдоподобной и логичной ни была бы научная гипотеза, для большинства людей она остается все-таки голой абстракцией, пока нельзя будет что-то потрогать собственными руками или увидеть собственными глазами. Косвенных или математических доказательств для них недостаточно. Примером может служить тепловая теория. Из элементарной физики каждый знает, что температура вещества определяется непрерывным и беспорядочным движением его молекул. Но поскольку в том же курсе физики говорится еще, что молекулы слишком малы, чтобы их видеть, а также потому, что ощущения тепла и холода никоим образом не связываются с представлением о движущихся частицах, - мысль о теплоте, как о молекулярном движении, обычно не ощущается нами как реальность.

Ботаник Броун в 1827 году, наблюдая в микроскоп пыльцу некоторых цветов, обнаружил, что она находится в непрерывном приплясывании. Броуновское движение мельчайших твердых пылинок, взвешенных в воде, легко можно увидеть. Капните, например, обычной китайской туши или акварели на предметное стеклышко микроскопа и, накрыв каплю другим стеклом, взгляните на нее при довольно большом увеличении обычного оптического микроскопа. Вы увидите, что частицы помельче носятся в совершенно сумасбродной джиге. Сколько бы вы ни смотрели на этот танец, он будет продолжаться. А за танцем кроется вот что. Сами частицы туши или краски имеют что-нибудь около микрона в поперечнике, то есть они в несколько тысяч раз больше окружающих их молекул жидкости. Молекулы носятся взад-вперед совершенно беспорядочным образом. Наши частицы вовлекаются в эту толчею. Те частицы, что покрупнее, никак не реагируют на толчки, а вот для частиц помельче молекулярные толчки оказываются чувствительными, они прыгают от них в разные стороны так, что все это видно в обычный оптический микроскоп.

После того как вы увидели своими глазами броуновское движение, ваше представление о природе теплоты будет уже совсем иным. Теперь вы можете сказать, что не просто заучили какие-то объективные научные истины, а уже на ты с кинетической теорией тепла. Разница примерно такая же, как читать о заходе солнца и самому наблюдать закат.

То же самое и с дислокациями. Абстрактная теория становилась очень осязаемым явлением. Но как же увидеть дислокации? Прежде всего с помощью химического травления. Мы уже говорили, что деформированные межатомные связи более уязвимы для химических и физических воздействий, чем недеформированные. Следовательно, если протравить кристалл (обычно в кислотном растворе), то места, где дислокации выходят на поверхность, протравятся более интенсивно, чем окружающий материал. В результате на поверхности кристалла появится серия так называемых ямок травления, которые обычно легко просматриваются в оптический микроскоп. Такая техника наблюдения дислокаций очень распространена, и специалисты, наблюдая полученные путем травления оспинки, могут сделать довольно далеко идущие выводы. Одним из ухищрений здесь является раскалывание кристалла надвое. Любая дислокация, существовавшая в кристалле до начала эксперимента и проходившая через плоскость раскола, будет, конечно, одной и той же на обеих половинках. Одна из половинок выбирается как контрольная и травится немедленно, чтобы выявить исходную дислокационную картину, а другая половинка деформируется (либо с нею ставится какой-то другой эксперимент), а уж затем травится. Сравнивая картину ямок травления на двух поверхностях, можно видеть, какие из дислокаций образовались в ходе эксперимента, а какие - передвинулись.

Травление - полезный прием, но его нельзя считать способом прямого наблюдения дислокаций. Следующий шаг в этом направлении был сделан Хиршем в Кэвендишской лаборатории (Кембридж). Он использовал свойство очень тонкой металлической фольги быть практически прозрачной в электронном микроскопе, а вот любые нарушения кристаллической решетки дают темные образования. Поэтому дислокации представляются здесь темными линиями на белом фоне.

Все это хорошо, но было бы интереснее взглянуть на движущуюся дислокацию, а для этого на нее нужно воздействовать, создав какое-то напряжение. Нелегко приложить механическое напряжение непосредственно к фольге, которая настолько тонка, что становится прозрачной для электронного пучка. Поэтому Хирш использовал для нагрева фольги, расширения и, стало быть, нагружения образца энергию самого электронного пучка. Все сработало очень хорошо, и Хирш смог снять кинофильм о дислокациях в движении. Фильм получился очень впечатляющим. Дислокации являли собой таинственную картину суетящихся мышей.

Опыты Хирша, однако, не преследовали цель увидеть индивидуальные атомы или трехмерную шахматную доску кристаллической решетки. Дислокации у Хирша были всего лишь черными линиями деформации на белом или сером фоне. Но, как мне кажется, чего мы действительно хотим, так это увидеть слой атомов, обрывающийся где-то в кристаллической решетке. Однако, прежде чем увидеть дислокацию в кристаллической решетке, нужно бы увидеть … саму решетку. В металлах и в большинстве обычных кристаллов параметр решетки близок к 2 А. А в те времена, о которых я сейчас говорю (середина 50-х годов), самое лучшее разрешение электронного микроскопа было около 10 А. Стало быть, не было никакой надежды увидеть атомные слои обычными средствами. Эту трудность первым преодолел Джим Ментер, работавший в Хинкстон Холле близ Кембриджа. Он приготовил тонкие кристаллики вещества, называемого фталоцианином платины. Молекула этого органического соединения - плоская, примерно квадратная, около 12 А в поперечнике. В середине квадрата - дырка, а в этой дырке в случае фталоцианина платины - атом платины. В кристалле эти плоские молекулы упаковываются так, что расстояние между слоями молекул оказывается 12 А, и центре каждого ряда молекул проходит линия тяжелых атомов платины, стоящих особняком от легких атомов панической молекулы. Таким образом получаются линии платиновых атомов в регулярном кристаллическом расположении, расстояние между которыми 12 А вместо обычных 2 А. Органическую часть молекулы можно считать прозрачной набивкой, которая держит на нужном расстоянии плотные, с неясными очертаниями атомы платины.

Настраивая микроскоп на максимальное разрешение, можно было увидеть решетку этого кристалла. Пожалуй, она была похожа на нарисованные угольком слегка лохматые полосы на более светлом сероватом фоне - что-то вроде строк на телевизионном экране. Бросалась в глаза невероятная регулярность кристалла. При большом, увеличении бесчисленные рыхловатые полоски тянулись идеально прямо. Конца им, казалось, нет. Число слоев было огромным. Миллионы миллионов молекул, каждая точно на своем месте.

Потребовалось внимательно пересмотреть громадное число фотографий, прежде чем была найдена краевая дислокация. Она выглядела точно так же, как ее рисовали вот уже двадцать лет: одна темная расплывчатая полоска оборвалась, а соседние сомкнулись, чтобы ликвидировать зазор (рис. 51). Ментер успел послать эту фотографию Дж. Тэйлору как раз вовремя - к его семидесятилетию.

Рис. 51. Первая прямая фотография краевой дислокации, полученной Дж.В. Ментером. Большой размер молекулы фталоцианина платины позволил увидеть в электронном микроскопе расстояние между атомами.

Нужно сказать, на нас, работавших в Хинкстоне в то время, эти картинки, выходившие мокрыми из фотокомнаты, оказывали магическое воздействие.

Опыты Ментера по визуализации атомных слоев и дислокаций в них с помощью электронного микроскопа были очень убедительными, это сделало их знаменитыми.

Однако существует и другой подход к той же задаче. В главе 3 мы говорили о сделанной Маршем очень чувствительной разрывной машине для усов и других тонких волокон Эта машина может обнаруживать удлинения попядка 4-5 А, что примерно равно разрешению современного электронного микроскопа. Сдвиг, вызванный иничной дислокацией, дает перемещения около 1 А и, следовательно, не может быть замерен на этой машине. Но источник дислокаций порождает их в таком количестве, которого хватает, чтобы произвести перемещение в 100-500 А, а это уже легко может быть зафиксировано машиной Марша.

Когда мы проводим обычное испытание на растяжение образца осязаемых размеров из любого пластичного материала (например, мягкого металла), то получаем диаграмму напряжение - деформация в виде плавной кривой, изображенной на рис. 52, которая хорошо знакома инженерам и металловедам. Если мы возьмем теперь чрезвычайно тонкий, но пластичный образец (например, большой ус) и испытаем его на машине Марша, то получим нечто совершенно другое.

Рис. 52. Обычная кривая напряжение -деформация при испытании макроскопического пластичного образца.

Типичный результат испытания показан на рис. 53. Здесь мы видим упругое удлинение, прерываемое внезапными включениями источников дислокаций. Источники работают совершенно беспорядочно, и вызываемые ими сдвиги протекают практически мгновенно. Именно поэтому диаграмма напряжение-деформация имеет серию ступенек. Дело в том, что на каждом уровне напряжений существуют источники, готовые породить сотни дислокаций. Но эти источники пускаются в ход беспорядочными тепловыми толчками, подобными тем, которыми возбуждаются частицы в случае броуновского движения. То же самое происходит и в большом образце, но в столь многих местах и столь часто, что суммарный эффект выражается плавной кривой. Поведение малого образца с его беспорядочными и внезапными движениями еще раз убеждает нас в реальности дислокаций.

Рис. 53. Кривая напряжение - деформация для очень малого макроскопического образца (уса) материала, испытанного на машине Марша. Пластическое удлинение происходит ступенчато, каждая ступень соответствует работе источника дислокации.

 

Ползучесть и жаропрочность

Следствия из всего сказанного для поведения металлов в рабочих условиях довольно очевидны. Когда металл нагружается намного ниже предела упругости, то есть работает где-то в глубине гуковского участка кривой напряжение-деформация, удлинение материала не подвержено влиянию времени. При необходимости мы могли бы оставлять материал под нагрузкой в течение веков, не вызывая каких-либо деформаций или повреждений материала. Однако вблизи предела упругости материал становится заметно подверженным влиянию как времени, так и температуры. Мы видели, что даже при комнатной температуре тепловые толчки активируют источники дислокаций, так что пластическая деформация со временем накапливается: материал удлиняется, а в некоторых случаях может разрушиться. Иными словами, мы не можем назвать прочность такого материала, пока не укажем также и скорость нагружения или не уточним, как долго будет действовать на материал нагрузка. Следовательно, такие конструкции, как подвесные мосты, нагруженные непрерывно в течение многих лет, должны быть рассчитаны на меньшие напряжения, чем те конструкции, которые нагружаются ненадолго и от случая к случаю. Используемые на практике металлы обнаруживают некоторую ползучесть даже при довольно малых напряжениях, и на это следует обращать внимание, когда важно обеспечить точность размеров.

Нетрудно представить себе, что напряжения, при которых с ползучестью надо считаться, сильно зависят от температуры. В то же время температура часто определяет вид машины в целом. Особенно она важна для тепловых машин, например таких, как газовые турбины. В целом, чем горячее нагретые части машин, тем большего полезного эффекта можно ожидать от всей конструкции, особенно в отношении экономии горючего. Так как железо плавится при температуре, несколько превышающей 1500° C, а есть и более тугоплавкие металлы, то можно было бы подумать, что не существует особых трудностей в эксплуатации машин при температуре, скажем, 1200° C. Ведь это намного ниже температуры плавления. Но дело обстоит далеко не так.

Верно, что железо не плавится ниже 1500° C. Но ведь расплавленный металл течет под действием собственного веса, то есть при ничтожных напряжениях. А стоит нам приложить механическое напряжение, даже совсем малое, как течение и.неизбежное разрушение появляются задолго до плавления. Прочность резко снижается даже при сравнительно быстрых нагружениях (например, при испытаниях на обычных установках). Более того, когда элементы машин подвергаются длительному нагружению в одном направлении (например, турбинные лопатки под действием центробежных сил), мы должны пристально следить за ползучестью.

При кратковременных нагружениях прочность металлов изменяется с температурой приблизительно так, как показано на рис. 54. Можно сказать, что материал умирает медленно, постепенно. В качестве очень грубого рабочего правила, верного для большинства металлов, можно принять, что материал не может использоваться при температурах выше половины его температуры плавления, выраженной в градусах Кельвина (градусы Кельвина = градусы Цельсия+273; см. приложение).

Рис. 54. Зависимость “кратковременной” прочности металла от температуры испытания.

Конечно, можно поднять рабочие температуры сплавов. Для этого нужно тем или иным способом затормозить движение дислокаций. Трудность здесь заключается в том, что большинство добавок, которые можно было бы использовать с этой целью, сами стремятся стать подвижными при высоких температурах. Все это дело чрезвычайно трудное, и, наверное, металловеды неплохо поработали, чтобы достигнуть рабочих температур около 950-1000° C на очень специальных сплавах для турбинных лопаток. Рабочие температуры обычных сталей намного ниже.

Во многих керамических материалах дислокации практически неподвижны при температурах до 1500° C, но эти материалы, как правило, чрезвычайно хрупки при сравнительно низких температурах. Поэтому керамические материалы очень хороши для неподвижных конструкций, например в качестве огнеупоров для печей, где они могут работать под нагрузкой при температурах, поразительно близких к точкам плавления. Но они обычно не годятся для изготовления подвижных деталей машин.

 

Железо и сталь,

или

Гефест средь чертовых мельниц

Древесина и камень всегда были наиболее распространенными материалами конструкций, металлы же - относительно новое приобретение техники. Поэтому все мы осознаем новаторскую роль металлов, хотя, как мы видели, общий тоннаж используемых металлов все еще уступает старым материалам. Но металлы, особенно железо, как нельзя лучше подошли для того рода машин, которые были проклятием и славой промышленной революции. Именно благодаря разработке дешевых методов получения и обработки железа в больших количествах появилась возможность механизации труда. Сталь, как известно, стала дешевым материалом только во второй половине XIX века, когда главные события промышленной революции были уже позади.

Однако, будучи материалом необходимым, железо использовалось в большинстве первых машин, даже в паровых машинах, все же весьма ограниченно. В первом фултоновском пароходе, плававшем по Гудзону, даже котел (невероятно!) был деревянным; нагрев воды производился в отдельном устройстве из железных труб. Правда, американцы считали, что это уж чересчур, но и на американских речных пароходах дерево использовалось тогда в такой степени, которая современному инженеру кажется почти невероятной. А ведь такие пароходы обеспечивали большую часть внутриамериканского грузооборота вплоть до 60-х годов прошлого столетия.

Вообще говоря, использование металлов требует решения двух проблем. Во-первых, металл должен быть получен из руды, этим занимается металлургия. Во-вторых, нужно перевести металл в наиболее полезное состояние с точки зрения твердости, прочности и вязкости; подсказать здесь необходимые пути призвано металловедение. Как мы уже видели, чистые металлы обычно очень мягки, поэтому металловеды занимаются в основном торможением дислокаций, но лишь в такой мере, чтобы упрочнить металл, не вызвав его охрупчивания. Поскольку металлы из руды часто получаются в нечистом виде, их экстракция (извлечение) и последующая обработка должны рассматриваться совместно.

Химические и технологические особенности обработки могут варьироваться очень широко, но в каждом случае цепь остается одной и той же: управление подвижностью дислокаций путем изменения структуры и размеров кристаллов (дислокации могут пересекать границы между отдельными зернами, но для этого они должны преодолеть определенное сопротивление) или с помощью добавок легирующих элементов. Легирование сплавов может дать такой результат, который затормозит дислокации как раз в нужной степени. Очень малые частицы, даже единичные атомы примеси, могут застопорить продвижение дислокационной линии, если эта линия натолкнется на них. Можно вычислить напряжение, необходимое для того, чтобы сначала выгнуть дислокацию в дугу между точками закрепления, а затем и оторвать ее от них. Это напряжение зависит от расстояния между этими точками, которое становится, таким образом, полезным и мощным средством управления свойствами сплава. Почти любая добавка к металлу будет влиять на его механические свойства в лучшую или худшую сторону, а иногда и в ту и в другую сторону сразу: некоторые добавки полезны, когда они рассеяны по всему объему, и вредны, когда, собираясь на границах зерен, серьезно ослабляют металл (см. главу 3).

Если мы возьмем число всех пластичных металлов и умножим его на число возможных механизмов упрочнения, то окажется, что количество взаимосвязей и комбинаций в металловедении будет весьма большим, отчего сам предмет покажется уже очень сложным. Однако для неспециалиста, интересующегося лишь принципами и конечными результатами, все следствия происходящих в металлах процессов можно представить в достаточно простом виде.

Посмотрите на табл. 2 (гл. 10). В нее внесены многие технические металлы, и хотя плотность их весьма различна - от 10,5 г/см3 у молибдена до 1,7 г/см3 у магния, - модуль Юнга, деленный на плотность, удельный модуль Юнга, оказывается для них всех величиной постоянной. Существуют, правда, некоторые широко применяемые металлы и сплавы (например, медь и латуни), для которых удельный модуль упругости немного ниже. Но пластичных металлов с более высокой удельной жесткостью нет. Таким образом, почти все используемые металлы дают ту жесткость, за которую заплачено их собственным весом, - ни больше, ни меньше.

Как уже говорилось, все эти металлы в чистом состоянии очень мягкие, и задача металловедов состоит в том, чтобы поднять их прочность и твердость, не допуская чрезмерного охрупчивания. Если судить по деформации, успехи металловедения отличаются удивительным постоянством. Обычно максимальная упругая деформация, которую можно получить на металле без придания ему недопустимой хрупкости, колеблется около 1%. Однако в большинстве случаев инженеры считают металлы в таком состоянии малопластичными и потому малопригодными и, как правило, вынуждены ограничиться максимальной упругой деформацией между 0,25 и 0,5%, тогда , как остаточное удлинение может доходить до 50-60%.

Следовательно, весьма приближенно все металлы можно считать членами одного семейства с очень схожими удельными жесткостями, удельными прочностямн и удлинениями. Конечно, это очень грубое обобщение, и уж совсем не так стоит вопрос для металловедов, которые упорно продолжают предпринимать попытки получить лучшие комбинации удельной прочности и вязкости (с удельной жесткостью ничего не поделаешь), хотя возможности их здесь довольно ограниченны. Металловеды достигли успехов в попытках сохранить прочность с повышением температуры. Во многих случаях это важнее, чем повышение прочности при комнатной температуре.

Нет нужды описывать здесь специальные металлургические процессы и различные виды обработки всех металлов и сплавов. На эту тему написано множество книг. Однако огромная социальная и техническая значимость железа и стали заставляет рассказать о них немного подробнее. Приступая к делу, я слишком хорошо отдаю себе отчет в размерах и трудностях этого предмета. Возможно перед началом я должен принести какую-то жертву Гефесту, кузнецу и оружейнику Олимпа, единственному технологу, принятому в круг главных богов.

 

Железо

Прочность железа и стали определяется чрезвычайно сильным влиянием углерода, содержащегося в кристалле железа, на движение дислокаций. Конечно, дислокационные явления оказались понятными лишь совсем недавно. Да что там дислокации, даже сравнительно простая химия процесса получения железа из руды была осознана к концу периода промышленной революции. Однако практическая металлургия железа была разработана и без этого, и сейчас она во многом остается традиционным процессом. Подобно тому как текстильное дело с его прядением и ткачеством уходит в доисторические времена, а вклад современных фабрик сводится к механизации и рационализации простых ручных операций, так и производство стали основано сейчас на усложненных схемах, которые сами по себе существуют с незапамятных времен. Именно поэтому процессы черной металлургии лучше всего понимаются на историческом фоне.

Величайшая трудность древних металлургов (исключая, конечно, их научное невежество) была связана с получением достаточно высокой температуры в печи. Современное металлургическое оборудование дает в руки металлурга высокую и регулируемую температуру. Это сокращает время получения металлов и сплавов, так как позволяет объединять в один процесс несколько операций. Естественно, сейчас и масштабы другие. Современная печь может дать тысячу тонн стали в день, тогда как средневековый мастер был бы доволен, получив килограммов пятьдесят металла.

Не в пример бронзе, которая может плавиться при 900-1000° C, что как раз обеспечивают обыкновенные дрова, чистое железо плавится при 1535° C, а эта температура веками лежала за пределами технических возможностей. Однако уже довольно малые добавки углерода значительно понижают температуру плавления железа, а углерод всегда под рукой - ведь для нагрева руды использовали в качестве топлива древесный уголь. Самая низкая температура плавления, достижимая на этом пути, - около 1150° C, она получается, когда 4-4,5% углерода продиффундировало (то есть просочилось) в металл. Достижение такой температуры представляло определенные трудности для древних, но все же ее можно было получить на древесном угле, поддувая в него воздух мехами.

Железные руды состоят в основном из окислов железа; чаще всего встречается красный железняк Fe2O3. Между прочим, окислы железа используются в красках (охра, железный сурик, мумия).

Первое, что необходимо сделать с рудой, - удалить кислород. Если нагревать руду с помощью древесного угля или кокса, это получается почти автоматически: 3Fe2O3 + 11С → 2Fe3C + 9CO.

Кислород вместе с частью углерода уходит прочь в виде окиси углерода (угарного газа), оставляя карбид железа, называемый обычно цементитом (в нем содержится 6,7% углерода). На практике вместе с первой идет и другая реакция: Fe2O3 + ЗС → 2Fe + 3CO.

Таким образом получается также и некоторое количество чистого железа, в конце процесса мы имеем смесь железа и карбида железа, содержащую в целом около 4% углерода. Железо и карбид могут взаимно растворяться, и именно этот раствор, имеющий низкую температуру плавления, был ключом того процесса, который использовали древние для получения железа. Он же идет и в современной домне.

Железные руды содержат не только окислы железа, но и различные минеральные примеси - главным образом, окислы других металлов. Сами по себе они имеют высокие температуры плавления, и если бы руда нагревалась в контакте только лишь с углеродным топливом, то вряд ли удалось расплавить ее полностью. Здесь на помощь приходит флюс, который добавляют обычно в виде извести (СаО) или известняка (СаСО3). В данном случае известь выполняет те же функции, что и в стекловарении, то есть она снижает температуру плавления нежелезных окислов, образуя вместе с ними легкоплавкую стекломассу. Эта масса называется шлаком. На вид она грязно-коричневого или серого цвета. По нынешним временам она иногда перерабатывается в шлаковату, используемую для теплоизоляции.

Таким образом, на дне печи получается смесь железа, карбида железа и шлака. В самых первых печах эта смесь проплавлялась неполностью, ее извлекали в виде тестообразного куска, слитка, содержащего древесный уголь и другие включения. Включения эти составляли самостоятельную проблему, а, кроме того, из карбида железа негоже было делать оружие и инструмент - карбид очень хрупок. Причина хрупкости карбида железа в том, что в отличие от кристаллов почти чистого железа, построенных на металлической связи, которая благоприятствует движению дислокаций, он частично построен на ковалентных связях, которые не обеспечивают заметной подвижности дислокаций вплоть до температуры около 250° C. Поэтому в таком виде металл куется лишь в горячем состоянии, при комнатной температуре он хрупок.

Такое железо и попадало в руки первых кузнецов. Нагревая это железо до 800-900° C, они ковали его с громадным трудом. Вначале труд был ручным, затем начали использовать силу воды (“кузнечные пруды”!). Ковка имела два следствия. Во-первых, она механически выдавливала большинство включений и часть шлака и снижала содержание углерода в железе. Второе следствие заключалось в следующем. Железо, нагретое до умеренных температур на воздухе, образует окисную пленку, обычно FeO. Нагретое и расплющенное ударами молота железо кузнец сгибал вдвое и снова начинал по нему бить. Пленка окисла попадала между слоями горячего слитка, контакт между слитком и пленкой под ударами молота становился практически идеальным, в результате чего начиналась реакция Fe3C+FeO → 4Fe + СО.

Когда требовалось железо высшего качества, поочередное расплющивание и складывание вдвое повторялось многократно, порой тысячи раз. Вот почему на мечах заметен изящный волнистый рисунок -это тонкие слои металла и следы ударов молота. Если вся работа выполнялась надлежащим образом, то удалялся почти весь углерод. Такое кованое железо (его называют сварочным или ковочным) с небольшими примесями кремния, в целом полезными, содержало также прожилки шлака, тоже до некоторой степени полезные. Дело в том, что очищенное железо было, вообще говоря, слишком мягким, и стекловидные волокна шлака несколько ограничивали его текучесть. Кроме того, сварочное железо обычно прекрасно сопротивлялось коррозии. Частично это объясняется чистотой самого железа, но существует и другое объяснение. Многие полагают, что начальная пленка ржавчины удерживалась на поверхности с помощью шлаковых включений. Она не отлетала со временем и служила защитой от последующей коррозии.

Сварочное железо прямо с наковальни было слишком мягким, чтобы делать из него оружие и инструмент, поэтому его нужно было сделать потверже, увеличив содержание углерода; для этого достаточно было насытить углеродом поверхность. Почти этот же процесс находит широкое применение и до сих пор. Он называется “цементацией”. Мечи (или другое оружие) погружались в среду, содержащую в основном углерод, а также некоторые секретные приправы сомнительной эффективности. Все это нагревалось в течение такого времени, которое необходимо, чтобы углерод проник на глубину 0,5-1,0 мм.

Поверхностное науглероживание резко повышает твердость, но еще лучший результат дает последующая закалка быстрым охлаждением в жидкости. Механизм закалки очень сложен. Коротко дело обстоит так. Горячая сталь состоит из аустенита, то есть из раствора углерода в такой модификации железа, которая нестабильна при комнатной температуре. Процесс распада аустенита с выделением углерода определяется особенностями охлаждения. При сравнительно медленном охлаждении получается перлит. Под микроскопом структура такой стали выглядит переливчатой, отсюда и название - “перлит” значит жемчужный. Переливы дают чередующиеся полоски или слои чистого железа (феррит) и карбида железа (цементит). Сталь с такой регулярной структурой получается вязкой и довольно прочной, но не особенно твердой. Если аустеинт охлаждать очень быстро, то в основном получится мартенсит -другой вариант железоуглеродистого кристалла, в котором положение атомов углерода среди атомов железа таково, что исключает возможность движения дислокаций, и кристалл получается крайне твердым. Обычно эустенит превращается в мартенсит с очень высокой скоростью (что-нибудь около 5 км/час), для получения большого количества мартенсита охлаждать изделие нужно с наибольшей возможной скоростью.

Закалку можно производить в воде, обычно так и делается; но исторически, вероятно, всегда отдавалось предпочтение разным биологическим жидкостям, например моче. Оказывается, действительно такая практика имеет два преимущества. Первое состоит в более быстром охлаждении металла. Когда горячий металл попадает в воду, вокруг него образуется оболочка из пара, которая не позволяет жидкой воде касаться металла, что затрудняет передачу тепла. Если при закалке применяется моча, на поверхности металла при испарении воды образуется слой кристалликов. Это улучшает теплопередачу, поскольку паровая прослойка уменьшается. Более того, содержащиеся здесь соединения азота - мочевина и аммиак - разлагаются и азот проникает в железо, то есть происходит азотирование поверхности, при этом образуются твердые игловидные кристаллы нитрида железа Fe2N, а отдельные атомы азота внедряются в кристаллическую решетку железа, становясь так называемыми примесями внедрения, которые закрепляют дислокации. Правда, степень азотирования в процессе такой закалки очень невелика. В современной практике азотирование проводят путем выдержки изделия в течение двух-трех дней в мочевине или аммиаке. Столь продолжительная выдержка делает эту обработку довольно дорогой, поэтому ее применяют только в случаях крайней необходимости.

Интересно заметить, что весь металлургический процесс состоит из ряда стадий, каждая из которых заходит дальше, чем нужно, и на каждой последующей стадии полученные результаты корректируются. Так, сначала получают чугун, который содержит слишком много углерода, а потому слишком тверд. Потом удаляют почти весь углерод и обнаруживают, что железо стало слишком мягким, и поэтому снова в него следует добавить углерод. Если мы хотим получить твердый инструмент или оружие, то полученная сталь должна быть закалена быстрым охлаждением в жидкости. Закаленные стали (и цементованное железо) часто слишком хрупки, и требуется еще одна, на этот раз последняя, обработка - отпуск.

В процессе отпуска закаленный металл нагревается до температур 220-450° C и после этого охлаждается на воздухе. Отпуск делает сталь несколько мягче, в процессе отпуска часть мартенсита переходит в более мягкую и пластичную структуру. С повышением температуры эффективность отпуска увеличивается. Между прочим, существует традиционный способ определения температуры отпуска по цвету окисной пленки на поверхности металла - по цветам побежалости. С ростом температуры цвет окисной пленки изменяется от желтого до коричневого, затем становится фиолетовым и, наконец, синим. Ясно, что простые углеродистые стали нельзя использовать при повышенных температурах, так как их свойства при этом резко ухудшаются.

 

Чугун

Мы уже говорили о том, что вряд ли в первых домнах железо всегда проплавлялось, его извлекали из печи в виде грязноватого кома. Однако к середине V века до н. э. (времена Перикла) греки уже научились плавить железо и даже выливали его из печи в изложницы. В античной Греции чугун уже был известен, но из-за своей хрупкости использовался он ограниченно и значительной роли в экономике не играл. В дело шло преимущественно сварочное железо.

С падением Римской империи упала и температура в печах и, по-видимому, в Западной Европе чугун не делали вплоть до XIII века. Однако после изобретения пороха положение изменилось. Правда, вначале стволы пушек ковали из сварочного железа и стягивали железными обручами подобно бочкам. Но росло умение, росли и объемы печей. Пушки начали отливать. Первые литые стволы рвались почти так же часто, как и стволы из кованых плит. Но литье обходилось намного дешевле. Традиционные сорта чугуна не только очень хрупки, но содержат еще малые прослойки, прожилки, углерода в форме графита, которые действуют как внутренние трещины. В результате чугун был непрочен и ненадежен при растяжении. Именно поэтому он был малоподходящим материалом для пушечных стволов, ведь ствол работает как сосуд давления. Однако примерно до 1860 года чугун продолжал оставаться единственным недорогим материалом, так как цены на латунь и бронзу были, как правило, слишком высокими. Чугунные стволы приходилось делать очень толстыми, поэтому пушки были чрезвычайно тяжелы. Например, пушка, стрелявшая 32-фунтовыми ядрами (основное вооружение английского корабля “Виктория”, сражавшегося при Трафальгаре), весила около 4-5 т. Таким образом, вес пушек составлял около 15% от водоизмещения боевого корабля.

Было время, когда отливки получали непосредственно из домны. Сейчас это не практикуется. Отчасти потому, что доменные печи стали намного больше, и разливать из них чугун в малые формочки было нерационально, а отчасти потому, что такой чугун обычно тверд, хрупок и непрочен. Сейчас почти весь чугун первоначально отливается в чушки. Часть этих чушек перерабатывается в сталь, часть переплавляется, при этом состав чугуна регулируют, чтобы получить нужные свойства. В настоящее время ценой небольших ухищрений можно получить достаточно вязкий чугун с довольно хорошей прочностью на разрыв. Ну а поскольку детали сложной формы, например, блоки цилиндров автомобильных двигателей) обычно дешевле получать путем отливки чугуна, чем штамповкой стали, то до сих пор ведутся работы по улучшению свойств чугуна.

В Англии железо вначале получали из руды с помощью древесного угля. Но в первой половине XVIII века взамен древесного угля, ресурсы которого постепенно скудели, научились использовать кокс. В Англии переход на кокс был практически завершен примерно к 1780 году, в континентальной Европе это произошло позже.

К концу XVIII века англичане могли сравнительно легко делать большие отливки, длиною до 20 м, и транспортировать их по воде. По современным меркам у этих отливок была довольно низкая прочность на растяжение, поэтому их можно было применять в конструкциях, работающих главным образом на сжатие. Например, в мостах. Здесь из чугуна можно было делать арки, подобные каменным. Каменные арки выкладывали из клинчатых камней, каждый такой камень нужно было вырезать из камня-заготовки, на что затрачивалось много ручного труда. Первые чугунные мосты делали из такой же формы литых полых элементов, которые подгонялись один к другому, как и в каменной кладке.

Знаменитый Железный мост, переброшенный через реку Северн у Колбрука в 1779 году, был как раз примерно такого типа. Это было первое большое железное сооружение. Его пролет несколько больше 30, общая длина 60, а высота 15 м. На него ушло 378,5 т чугуна, строили его три месяца. Стоил мост 6000 фунтов стерлингов и даже по ценам 1799 года был намного дешевле такого же моста из любого другого материала.

Железный мост получился удачным, но вместе с ним возникли и новые проблемы. Арочный мост, как и любая арка, давит на опору с силой, направленной наружу. В готических соборах эта сила компенсировалась контрфорсами, в мостах - кладкой и земляной насыпью. Нам как-то не приходит в голову, что чугун можно назвать легким материалом; а между тем в сравнении с камнем, который использовался для мостов до него, так оно и оказалось (с учетом прочности). В результате арка Железного моста обнаружила - по-видимому, впервые в истории техники - недостаток, противоположный обычным особенностям каменных арок и куполов: она оказалась слишком легкой, чтобы противостоять давлению земляных насыпей, которые, стремясь сползти в реку, давили на чугунную арку. Поэтому обычные насыпи пришлось заменить чугунными вспомогательными арками. Наверное, здесь инженеры впервые почувствовали, к чему приводит попытка залить новое вино в старые бутыли.

 

Пудлинговое железо

После того как в доменных печах с механическим поддувом начали применять кокс, чугун стал сравнительно дешевым. Получали его теперь вполне достаточно. Но использование чугуна в таком виде ограничивалось его хрупкостью и низкой прочностью на разрыв. Для большинства изделий требовалось более прочное и вязкое сварочное железо, а поскольку ковка требовала больших затрат труда, такое железо оставалось дорогим и дефицитным материалом даже после появления молотов, приводимых в действие водой. И все же основным материалом промышленной революции было железо, так называемое пудлинговое железо. Сталь с ее различными сортами появилась в нужных количествах гораздо позже, и ее социально-экономическое воздействие было менее важным.

По-видимому, пудлингование (по крайней мере в его практических формах) было изобретено Генри Кортом (1740-1800), который запатентовал этот процесс в 1784 году. Корт сконструировал работающую на каменном угле пламенную печь. В мелкую ванну пудлинговой печи заваливали чугун, который, расплавляясь, окислялся кислородом газовой среды печи до образования двойного силиката. Последний стекал под слой шлака, оставшегося от предыдущей плавки, и окалины, специально заброшенной в печь. Для увеличения поверхности соприкосновения металла со шлаком прибегали к перемешиванию (пудлингованию) ванны длинной железной клюшкой, по форме несколько напоминающей мотыгу.

При перемешивании окись железа, содержащаяся в шлаке и окалине, реагировала с углеродом чугуна и образовывался угарный газ, который выходил на поверхность в виде пузырей. Выход газа сопровождался “кипением” металла, при этом из печи удалялась большая часть шлаков. С удалением углерода температура плавления железа увеличивалась, а поскольку температура печи оставалась около 1400° C, железо начинало “успокаиваться” и затвердевало. Из полученного таким образом железа “накатывали” крицы весом около 50 кг каждая. Затем крицы одну за другой извлекали из печи. И хотя пудлингование было очень тяжелой работой, оно позволяло одному человеку выплавить около тонны железа в день, то есть производительность труда при этом процессе была в 10-20 раз выше, чем при производстве сварочного железа. В то же время новый процесс требовал и опыта, и навыков. Так что после наполеоновских войн английские металлурги долго еще зарабатывали на этом в европейских странах.

Вслед за пудлингованием нагретое железо пропускали через валки. За несколько проходов здесь получались плиты или прутки. В процессе прокатки горячая поверхность железа окислялась. Когда железо остывало, окалина отслаивалась, и ее отправляли обратно в печь. Таким образом, химически весь процесс был эквивалентен процессу получения сварочного железа в старые времена, но он был значительно более производительным. В наше время пудлингование практически не применяется, так как даже механизированная пудлинговая печь может дать до сотни тонн металла в день, а производительность бессемеровского конвертера, в котором воздух продувается через расплавленное железо, может доходить до 800 т стали в день. Да и спрос на железо сейчас невелик, потому что сталь и дешевле, и прочнее его.

Решение многих технических проблем зависит от того, какую прочность и вязкость материала можно получить при заданных затратах. Всю промышленную революцию в целом следует рассматривать и оценивать на фоне постепенно падавших цен на железо и малоуглеродистую сталь. Этот процесс очень ярко иллюстрируется историей железных дорог.

Железные дороги начинались с деревянных шахтных рельсовых путей, которые укладывались для того, чтобы облегчить перемещение вагонеток на конной тяге. К концу XVIII века такие деревянные рельсы стали заменять чугунными, более долговечными и с меньшим трением качения для колес. Чугунные рельсы позволили одной лошади тянуть по горизонтальному пути 4-5 груженых вагонеток. Для перевозки породы это считалось вполне удовлетворительным, и, может быть, вскоре дальнейших улучшении и не потребовалось бы, если бы в период наполеоновских войн резко не поднялись цены на корм для лошадей. Пришлось задуматься об использовании для привода вагонеток добываемого в тех же шахтах угля. На шахтах к тому времени уже интенсивно использовались паровые машины для откачки и для привода лебедок, но эти слишком громоздкие и тяжелые (по отношению к их мощности) стационарные машины низкого давления (0,2 ат) для транспортных целей совсем не годились.

Изобретателем локомотива повышенного давления был Ричард Тревитик (1771-1833), гений, умерший в бедности. Стефенсоны в отличие от него оба жили и скончались в почете и богатстве. Первый локомотив с повышенным давлением (3,5 ат) Тревитик построил в 1804 году, второй - в 1805 году (рис. 55). Обе машины были удачными, но обе оказались заброшенными. Корень зла был один - рельсы.

Рис. 55. Локомотив Тревитика (1805 год).

Локомотивы были дороги как в постройке, так и в эксплуатации. Стоимость годовой эксплуатации паровоза, включая амортизацию и т.д., оценивалась почти в 400 фунтов стерлингов. Несмотря на большую разницу цен на сено и уголь, это, конечно, намного превышало стоимость содержания одной лошади, хотя стоимость одной “лошадиной силы” паровой машины была меньше цены на живую лошадь. Локомотив мог быть экономичным лишь тогда, когда он либо тянул свой груз быстрее, либо тянул больший груз. Но увеличить скорость мешали работавшие на тех же линиях лошади, поэтому машина должна была потащить больше вагонеток.

Как известно, получить достаточное сцепление между гладкими металлическими колесами и рельсами, необходимое для того, чтобы тянуть любой заданный груз, не так уж трудно. Для этого на ведущие колеса должен приходиться такой вес, который не позволит им буксовать. Но именно тут и заключалась трудность. Прочность тогдашних чугунных рельсов была небольшой - они надежно выдерживали лишь вес бывшей тогда в ходу трехтонной вагонетки. Паровоз, который сам весил три тонны, естественно, не мог потянуть тридцать вагонеток такого же веса. А более тяжелый паровоз не выдерживали рельсы, так что локомотивы Тревитика пришлось переделать для стационарного использования.

После этого в истории развития железных дорог начинается период поисков такого сцепления колес с полотном, которое не разрушало бы рельсы. Сложность в том, что первые машины не имели рессор - не было достаточно прочной пружинной стали. Следовательно каждый толчок давал перегрузку на рельсы. Паровозы строили с восемью ведущими колесами, так что нагрузка распределялась между ними (рис. 56). Одним из наиболее популярных решений той же задачи были литые рельсы с зубцами, которые сцеплялись с зубьями колес, как это делается на современных горных дорогах (рис. 57). Эти сооружения имели много недостатков и никогда не работали нормально.

Рис. 56. Локомотив, в котором нагрузка распределялась между восемью связанными между собой колесами. Амортизация обеспечивалась только гибкими спицами.

Рис. 57. Паровоз Бленкинсопа.

Джордж Стефенсон обошел отсутствие пружинной стали, снабдив свои машины “паровыми пружинами”: он подвесил оси на поршнях, плавающих в цилиндрах, заполненных острым паром - такая подвеска была очень похожа на подвеску, недавно примененную в автомобилях. Однако как только появились пружинные стали, Стефенсон отказался от таких подвесок из-за трудностей с уплотнением поршня.

В 1821 году Дж. Биркеншоу запатентовал метод получения рельсов двутаврового сечения путем прокатки пудлингового железа. Одним из первых эти рельсы применил Стефенсон, который занимался тогда строительством железнодорожной линии Стоктон-Дарлингтон. В паровозе Стефенсона “Ракета” (1829 год) паклевую набивку заменили поршневые кольца.

Стоимость тонны железных рельсов Биркеншоу была примерно вдвое выше стоимости чугунных. Однако эффективная стоимость на милю пути оказывалась пример- но такой же, потому что железные рельсы были прочнее, что позволяло делать их более легкими. Длина каждого рельса была 4,5 м. (Напомним, что длина кованых прутков, сделанных в Акрагасе в 470 году до н.э., была такой же.)

Некоторое время спустя в Америке ту же проблему решали уже иначе. Правда, американцы, по-видимому, вернулись к системе, использовавшейся на шотландских шахтных линиях что-нибудь в 1785 году. Так, на массивный деревянный рельс они укладывали сверху тонкую полоску сварочного железа. Пути получались довольно хорошими, но из-за того, что полосы железа крепились к дереву гвоздями и костылями, такие крепления, ослабевая, время от времени выходили из строя. В этом случае конец полосы под тяжестью вагонов нередко завивался вверх, пробивая при этом пол идущего над ним вагона (порой с роковыми последствиями для сидящих там пассажиров).

Позже такого типа пути были реконструированы. Комбинированные рельсы заменили обычными железными. Но в Америке еще очень долго они были более легкими, чем в Европе, и опирались на очень часто уложенные шпалы. Это отражало соотношение цен на древесину и железо в Америке.

Примерно к 1860 году появилась дешевая сталь, но, чтобы вытеснить пудлинговое железо, потребовалось почти тридцать лет. В 1883 году примерно 70% доменного чугуна, произведенного в Великобритании, переделывалось на пудлинговое железо, вряд ли на сталь шло более 10%. К 90-м годам сталь и железо, если можно так сказать, поменялись местами. Железо так долго не сходило со сцены, надо думать, потому, что, будучи слабее, а иногда дороже стали, оно не без оснований считалось более надежным.

Первый сенсационный успех новой бессемеровской стали связан с прорывом блокады северян во время гражданской войны в Америке. Стальные пароходы южан (а среди них и знаменитый “Банши”) были построены в начале 60-х годов. Имея скорость около 20-22 узлов, они с почти пренебрежительной легкостью отрывались от флота северян, самые быстроходные суда которых развивали скорость не более 15 узлов. Некоторые из этих стальных пароходов закончили свою службу сравнительно недавно. Но хотя применение стали давало очень большую экономию в весе судов, нередко бывали и катастрофы, поэтому не случайно Британское адмиралтейство не использовало сталь в судовых корпусах примерно до 1880 года.

Первым примером использования стали в действительно больших и ответственных конструкциях следует считать, по-видимому, железнодорожный мост через реку Форт в Шотландии, построенный из мартеновской стали в 1889 году.

 

Сталеварение

Производство стали, особенно современной, - дело весьма сложное. Мы расскажем о нем лишь весьма кратко. Углеродистыми сталями мы называем сплавы железа с углеродом, содержащие до 2% углерода. Кроме углерода, в стали может быть немного шлаковых включений, а также контролируемые добавки других элементов (например, кремния и марганца). Традиционное сварочное железо, как вы уже знаете, почти не содержало углерода, но имело значительные шлаковые включения, в небольшом количестве входили в него и другие элементы. Как мы уже говорили, самая большая трудность первых железоделателей состояла в том, что, удаляя углерод из чугуна, они повышали точку плавления его примерно с 1150 до 1500° C, то есть за'пределы возможностей их печей. Поэтому нельзя было удалить шлак, а чтобы получить нужную прочность и твердость, следовало вернуть в железо часть углерода; это можно было сделать, насыщая углеродом горячую, но уже твердую поверхность железа кузнечными методами.

Однако со временем температуру печей удалось несколько поднять, и примерно в 1740 году Бенджамин Хант научился плавить сварочное железо с небольшой добавкой углерода в установленных в печах глиняных тиглях. Ему удавалось проплавлять до 40 кг металла. При этом шлак, будучи более легким, всплывал на поверхность и его удаляли. Оставалось железо с небольшим количеством углерода и с прежними включениями. Содержание углерода можно было подогнать, так чтобы получить желаемую прочность и твердость, а свободную от шлака сталь вылить в изложницу.

Тигельная сталь была дорогой, отчасти потому, что исходным сырьем для нее служило довольно дорогое сварочное железо. Кроме того, качество ее было не всегда одинаковым, потому что никакие примеси, кроме шлака, не удалялись и не контролировались. Но даже и в таком виде тигельная сталь обычно была и дешевле, и лучше большинства “сталей”, из которых кузнецы ковали мечи, из нее делали высококачественный инструмент.

Если инструмент и оружие из прежних сталей имели дьявольски твердую поверхность и мягкую сердцевину, то из тигельной стали получались “насквозь” прочные изделия. Однако в некоторых случаях и эта сталь подвергалась науглероживанию (цементации), с тем чтобы уменьшить износ режущего лезвия. Так делается иногда и до сих пор. Правда, никто сейчас не получает обычную углеродистую сталь в тиглях, разве что делают это в экспериментальных целях или при выплавке дорогих легированных сталей в небольших количествах.

 

Бессемеровская сталь

Вплоть до середины XIX века тигельная плавка была единственным способом получения стали, для больших конструкций использовались лишь чугун и сварочное железо. Начало широкого промышленного производства стали связано с именами Генри Бессемера (1813-1898) и Роберта Мюшета (1811-1891). Бессемер был плодовитым изобретателем. Чутье бизнесмена позволило ему успешно запустить в дело несколько изобретений, в том числе способ изготовления “золотой” краски и уплотнения графита для изготовления карандашей. Получением стали он заинтересовался после истории с непрочными стволами чугунных пушек во время Крымской войны.

Поставив несколько опытов, Бессемер пришел к совершенно новой идее - удалять избыток углерода и других включений, продувая воздух через расплавленный чугун. В 1855 году он запатентовал этот способ. Вначале качество получаемой Бессемером стали было очень плохим, так как она содержала избыток окислов и серы. Но в 1856 году Мюшет получил патенты на очень сходный с бессемеровским процесс, отличие которого состояло в том, что содержание включений, не выжигаемых полностью потоком воздуха, регулировалось добавкой так называемого зеркального чугуна, содержащего марганец. Именно добавка марганца в конце продувки обеспечила успех бессемеровского процесса.

Весь процесс ведется в устройстве, называемом конвертером, который представляет собой тигель грушевидной формы, установленный на цапфах так, что его можно наклонять. Конвертер не имеет наружных источников тепла. Воздух продувается через отверстия в его дне.

Чтобы запустить конвертер, его наклоняют и через горловину заливают в него расплавленный чугун (от 5 до 30 т железа, содержащего около 4,3% углерода и небольшие добавки кремния и марганца при температуре около 1200° C). Наполненный конвертер остается лежать на боку, при этом его содержимое располагается так, что не блокирует донных отверстий, в которые под давлением подается воздух. Затем конвертер поворачивается в свое рабочее вертикальное положение - в этом положении воздух должен “пробулькивать” через расплавленное железо. Вначале он окисляет содержащиеся в расплаве марганец и кремний. Образующийся шлак всплывает на поверхность. По традиции процесс контролируется наблюдением за цветом и характером пламени, вырывающегося из горловины конвертера. На этой стадии оно короткое и красновато-коричневое.

Через несколько минут марганец и кремний полностью окислены, доходит очередь до углерода. Цвет пламени изменяется до слегка желтоватого, языки его становятся длиннее и беспокойнее. Наконец, весь углерод удален, пламя спадает, и продувка выключается. В период продувки сжигание углерода, марганца и кремния, которые все вместе составляют до 6% плавки, дает очень много тепла. Его с избытком хватает для того, чтобы поднимать температуру в конвертере и поддерживать ее выше точки плавления, возрастающей в процессе выгорания углерода, приходится даже добавлять железный лом, чтобы немного охладить расплав, иначе повреждается огнеупорная футеровка конвертера.

К концу продувки получается почти чистое железо. Обычно в него требуется добавить немного углерода и марганца, иногда - кремния. Для этого используется твердый углерод в том или ином виде и зеркальный чугун, который имеет высокое содержание названных элементов. Марганец нужен в стали сам по себе как легирующий элемент, а кроме того, он регулирует содержание серы которая не удаляется бессемеровским процессом.

Сера доставляет много забот сталеварам. Она не окисляется до SO2, как можно было бы ожидать а образует сульфид железа FeS, который имеет ту особенность, что растворяется в жидком железе и не растворяется - в твердом. Поэтому сульфид железа выделяется на границах зерен при охлаждении стали и ослабляет сталь (см. главу 3). Добавка марганца превращает FeS в MnS, который нерастворим в жидкой стали и поэтому переходит в шлак. Марганец снижает также растворимость кислорода в стали, что опять-таки полезно, поскольку кислород стремится осесть на границах зерен.

На конференции сталеваров в 1856 году Бессемер описал свой процесс в докладе “О производстве ковкого железа и стали без топлива”. Энтузиазм аудитории и авторитет Бессемера были таковы, что немедленно было собрано по подписке в счет патентного вознаграждения 27 тысяч фунтов стерлингов, после чего участники собрания разъехались по домам и принялись за устройство своих конвертеров.

Но случилось так, что никто из них не смог получить сколько-нибудь удовлетворительной стали: бессемеровский процесс был очень чувствительным к сорту чугуна и, кроме того, требовал некоторых навыков. Не удивительно, что репутация Бессемера значительно пострадала. Тогда он построил полноразмерную действующую модель своего конвертера у себя в лаборатории на Сент-Панкрас и стал демонстрировать процесс сталеварения тем, кто купил у него лицензии. Но при этом он не столько стремился “обменяться опытом”, сколько старался показать некомпетентность слушателей и зрителей. Поэтому антпбессемеровские настроения росли, и новый способ получения стали никто не хотел внедрять. В конце концов в 1850 году Бессемер построил собственный сталелитейный завод в Шеффилде, его сталь пользовалась большим спросом. Особенно покупали ее французское и прусское правительства для производства пушек. Явный успех бессемеровской стали заставил металлургов всего мира покупать у него лицензии.

Часть доходов Бессемера пошла на строительство парохода “Бессемер”, который должен был курсировать через Ламанш. Его большой роскошный салон первого класса был подвешен, подобно конвертеру, на цапфах. Предполагалось, что он будет всегда сохранять одно и то же положение относительно уровня моря. Бороться с морской болезнью пассажирам должен был помогать свежий воздух, в изобилии подававшийся в салон с помощью прихотливой системы труб, заделанных в пол. Однако на практике оказалось, что даже при весьма спокойном море салон раскачивался совершенно угрожающе. Едва судно вышло в свой первый рейс, как раздались истошные крики пассажиров. Салон “Бессемера” сохранился и до наших дней, но в качестве… оранжереи в каком-то саду неподалеку от Дувра.

В настоящее время сталь, полученная прямым бессемеровским путем, составляет лишь около 10% общего производства стали, но непрерывно развиваются модернизированные и более сложные варианты бессемеровского процесса. В процессе Калдо, например, конвертер продувается не воздухом, а кислородом; добавочное тепло, получающееся при этом, используется как для плавки флюса, изгоняющего из стали серу, так и для переплавки лома. Однако большой износ огнеупоров и стоимость кислорода могут свести на нет преимущества этого процесса.

 

Мартеновская сталь

Можно сказать, что бессемеровский процесс погубил сам себя. Дело в том, что он сделал сталь обычным и дешевым материалом. Столь же обычным и столь же дешевым стал и стальной лом. Наличие лома оказало важное влияние на всю экономику сталеварения. Это и понятно, ведь в настоящее время около половины выплавляемой стали возвращается на металлургический завод в виде лома. Бессемеровский процесс, однако, в своей традиционной форме в основном перерабатывает в сталь доменный чугун. В нем используются лишь небольшие количества лома для поглощения избытка тепла.

В мартеновском процессе большую часть шихты составляет стальной лом, его преимущества в том, что он дешев и из него уже удалены излишки углерода и других примесей. Кроме того, он содержит полезную в данном случае ржавчину. А бессемеровский конвертер не мог перерабатывать много лома, так как это потребовало бы больше тепла, чем получается при продувке.

В 1856 году братья Фредерик Сименс (1826-1904) и Чарльз Вильям Сименс (1823-1883), подобно Бессемеру наделенные изобретательским талантом и духом предприимчивости, разработали регенеративную печь. В этой печи вход и выход попеременно меняются ролями, они имеют форму извилистого лабиринта и насадки из огнеупорного кирпича. Дым из печи проходит по одной из насадок, отдавая кирпичу значительную часть своего тепла. Благодаря тому что газ подается в печь поочередно то через одну, то через другую насадку, он всегда проходит между нагретыми кирпичами, забирая с собою в печь часть тепла отработанных газов. Обычно эти печи топятся газом, и их конструкция позволяет поднять рабочую температуру до того предела, который может выдержать огнеупор. На практике она оказывается несколько выше 1500° C, что достаточно для плавки чистого железа.

Вначале использование печи Симменсов в сталеварении рассматривалось лишь как удобный и экономичный способ плавки тигельной стали. Но позже Симменсы применили регенеративный принцип к традиционному методу пудлингования и получали сталь, расплавляя чугун с железной рудой. В 1864 году Пьер Мартен предложил вводить в состав шихты большое количество лома.

Мартеновская печь загружается примерно равными количествами стального лома и чугуна, некоторым количеством железной руды (например, Fe2O3) и флюса (обычно известняка). При нагревании все расплавляется, и железная руда удаляет содержащийся в чугуне углерод. Флюс переводит в шлак не только нежелезные окислы руды, но также и содержащуюся в стали серу. Поэтому добавка марганца может оказаться ненужной. Одним из преимуществ мартеновского способа является возможность точнее следить за составом стали. В настоящее время в мартеновских печах получают около 85% рядовых углеродистых сталей.

Для еще более точного управления составом и чистотой стали применяют электрические печи. В таких печах выплавляется сравнительно небольшое количество очень важных высококачественных сталей.

 

Материалы будущего,

или

как ошибаться в догадках

Наука о материалах - изучение материала как целого, а не отдельных его физических, химических и технических свойств - довольно молода. Она прочно стала на ноги лишь совсем недавно. Но, несмотря на молодость, новая наука достигла известных успехов, и, я думаю, будет справедливым сказать, что сегодня мы значительно лучше, чем всего лишь несколько лет назад, понимаем механическое поведение твердых тел. Быть может, это произошло потому, что мы располагали уже большим количеством сырых необработанных наблюдений. Немало было накоплено физических и химических знаний и инженерного опыта, правда, в разрозненном виде. Собрать все это воедино, заставить одно объяснить и подтвердить другое - для этого потребовалось не так уж много новых экспериментов и свежих идей, стоило лишь достаточному числу людей серьезно заняться проблемой. Как это часто бывает, главная трудность состояла в том, чтобы осознать само существование проблемы.

Естественно, первым делом нужно было понять наблюдаемые явления - почему твердые тела вообще и широко используемые материалы в частности имеют те или иные свойства. Можно сказать, что с этим вопросом сейчас в основном покончено, хотя довольно много белых пятен все еще остается. Проблема, которая теперь возникла перед материаловедами, заключается в том, как использовать эти знания. Возможности здесь не беспредельны. Результаты предыдущих исследований как раз и убеждают нас в том, что значительная часть наших желаний просто невыполнима. Те же исследования показали, что некоторые пути улучшений были уже не только нащупаны, но и почти исчерпаны чисто эмпирическими методами еще до того, как они раскрылись перед учеными. Некоторые наши познания годны лишь на то, чтобы подсказать инженерам, чего они должны избегать - например, какого рода концентрация напряжений опасна.

Однако пытливые исследователи стремятся найти в материаловедении какие-нибудь радикальные пути - существенно изменить старые или изобрести новые и, быть может, лучшие материалы. Положение дел в сегодняшней науке таково, что сделать выбор среди множества возможных направлений работ очень нелегко. Как мы увидим, такой выбор рано или поздно может вызвать далеко идущие последствия за стенами лаборатории.

Прежде чем начать разговор о новых материалах, мы должны спросить себя: “Что в действительности мы разумеем под словами лучшие материалы? Лучшие - в чем?”

Ответ здесь далеко не очевиден, а сам вопрос вполне может быть центральным в современной науке о материалах. Технические проблемы, о которых мы поведем разговор, сами по себе очень трудны, но вопрос о целенаправленных изменениях материалов нельзя считать чисто техническим. Если мы интересуемся, а я думаю, мы должны интересоваться, возможностями получения новых или изменения старых материалов, мы должны учитывать социальные и экономические аспекты их производства. В конце концов техника призвана всего лишь обслуживать социальные и экономические потребности. О доминирующей роли материалов в обществе говорят названия исторических эпох - “каменный век”, “бронзовый век” и т.д.

Чрезвычайно сложные переплетения технического, социального и экономического аспектов еще более затрудняют всю проблему в целом. Правда, предприниматель твердо знает, что ему нужно: ему нужны дешевые материалы. Материаловеды значительную часть усилий вынуждены направлять на то, чтобы снизить стоимость производства материалов. Конечно, есть неоправданно дорогие материалы, их можно и должно делать подешевле. Однако это мое личное мнение, я не думаю, что то же самое справедливо для таких ходовых конструкционных материалов, как, например, сталь. Сталь сейчас очень дешева, и оставшиеся для нее резервы экономии, которые могут быть реализованы в будущем, не оправдывают затрачиваемых сегодня громадных научных усилий, особенно при нынешнем дефиците научно-технических кадров.

Если даже большое снижение стоимости конструкционных материалов было бы технически достижимым в недалеком будущем, то кто бы от этого выиграл? Прежде всего в большинстве изделий стоимость материала составляет малую долю стоимости готового изделия. Поэтому, даже если бы материал стал бесплатным, выигрыш потребителя по сравнению с другими изменениями, которые могли бы вслед за. этим последовать, оказался бы невелик.

Далее, сама дешевизна материала в действительности может иметь отрицательное влияние и на проект, и на характеристики готового изделия. Когда материал чересчур дешев, у конструктора нет стимула его экономить, а это может повлечь за собой не только утяжеление конструкций (которые, например, из-за этого будут впустую тратить горючее, повреждать дороги и т.п.), но и снижение профессионального уровня инженеров. Часто причиной плохого, тяжелого, неуклюжего проекта служит стремление снизить стоимость обработки, но, думается, порой это связано еще и с желанием конструктора уберечь себя от лишних размышлений. Экономисты утверждают, что существует оптимальное соотношение между стоимостью земли и труда, которое стимулирует развитие, и мне представляется, что те же соображения применимы к ценам на материалы.

Есть и еще одна важная сторона вопроса о ценах. Стоимость различных процессов обработки, материала часто во много раз выше стоимости исходного материала, но конечно же, стоимость обработки зависит не от цены, а от характеристик материала. Например, дешевле будет купить пластик по 8 шиллингов за килограмм и затем затратить еще 2 шиллинга на формовку его для получения конечного продукта, чем покупать сталь по 1 шиллингу за килограмм и тратить потом 25 шиллингов на штамповку, механическую обработку и доводку изделия. В этом корень коммерческого успеха пластиков, которые всегда были относительно дорогим исходным материалом.

Новые материалы должны обеспечить экономию именно на процессах обработки, производства и доводки готовых изделии.

С внедрением пластмасс наметилась четкая тенденция к уменьшению сложности и стоимости изготовления изделии. Большинство легко формуемых пластмасс довольно непрочны и нежестки, но принципы их обработки, очевидно, могут быть распространены на более прочные и жесткие вещества. Многие дешевые процессы формовки в настоящее время требуют значительных затрат на станки п штампы, но опять-таки я не уверен, что такое положение дел сохранится навсегда.

Можно дать лишь некоторые очень общие наметки того большого влияния, которое могут оказать принципиальные изменения материалов на общественную жизнь. Следствия здесь столь сложны, что были бы слишком опасными попытки выступить в роли пророка, предсказывающего в деталях возможный ход событий. Но я убежден, что мы должны быть достаточно мудры, чтобы не отвергать с легкостью возможность новой технической революции.

Моя работа отчасти связана с тем, чтобы выяснить, чего же на самом деле хотят (или думают, что хотят) люди от новых материалов. Меня угнетают здесь уж очень малые запросы в отношении долговечности материалов. Считается, что, если машины будут служить бесконечно долго, это может привести к технической и экономической закостенелости. Но я не думаю, что, если так называемая потребительская долговечность изделий будет продолжена, все будут роптать (исключая коммерсантов). В конце концов 20%-ное увеличение срока службы изделия более или менее эквивалентно 20%-ному повышению производительности.

Не сомневаюсь, сколько приложений имеют материалы, столько существует и определений “лучшего” материала. В то же время, если спросить нескольких конструкторов одного и того же изделия, какое именно качество используемого материала не позволяет им проектировать и делать лучшие изделия, ответы будут самыми разными, часто противоречивыми. Один и тот же конструктор через неделю может дать уже совсем другой ответ. Видимо, эти диалоги не поднимутся до уровня сократовых.

Все это на первый взгляд кажется удивительным, но, я думаю, найдет объяснение примерно в следующем. Вопреки обычным представлениям не материал выбирается для изделия, а скорее наоборот - изделие проектируется в расчете на материал. Следовательно, любое существенное изменение материала может повлечь полное переосмысливание изделия. В этом и кроется возможное объяснение того, в чем заключаются трудности конструктора, полагающегося только на интуицию. Основываясь на собственном опыте проектирования, я думаю, что обычно приходится выбирать какой-то удобный материал, а затем конструировать изделие с учетом его качеств и возможностей, которые он предоставляет. Свойства материала в значительной степени видятся как нечто неделимо связанное, и мысли об изменении отдельных этих свойств даже не возникает.

Так или иначе, но конструктор почти не направляет материаловеда в его работе. Больше того, даже подсказки конструктора материаловед обычно игнорирует. Я думаю, что причина здесь в том, что инженеру трудно оценить, сколь сложна разработка совершенно нового материала. Ведь она требует по крайней мере пятилетнего труда и стоит больших средств. К тому времени, как материаловед что-то сделает, вполне возможно, что инженер уже многое передумает. Следовательно, обычно материаловед должен подходить к разработке нового материала, полагаясь лишь на собственные познания и опыт.

Однако картина в целом не так уж беспросветна. Прежде всего область применения новых материалов ограничена их высокой первоначальной ценой и высокой стоимостью исследований. Позволить себе роскошь использовать такие материалы обычно могут лишь те, кто делает изделия для военных целей и авиации.

Стоимость разработки экзотических материалов может быть очень высокой, но порой такие материалы могут сберечь не только большие средства, но и жизни. И потом- вспомним историю. Сталь была получена как дорогой материал для мечей; алюминий пошел в ход для кавалерийских касок, когда килограмм его стоил 150 фунтов стерлингов; полиэтилен был разработан как дорогой материал для использования в локаторах.

Потенциальное воздействие новых, необычных для сегодняшнего времени материалов иллюстрируется некоторыми цифрами, приведенными ниже (табл. 1). Эти цифры показывают изменение веса самолета и полезной нагрузки с внедрением новых материалов, появление которых можно предвидеть. Они относятся к дозвуковым самолетам трансатлантических линий. Следовательно, полезная нагрузка самолета может увеличиться втрое, равно как втрое может, вероятно, уменьшиться и цена билета.

Таблица 1. Доля в общем весе самолета, %

Горючее / Двигатели / Планер / Полезная нагрузка

“Боинг-707” / 47 / 9 / 33 / 11

Проектируемый самолет / 40 / 4 / 23 / 33

Ясно, что подобное приложение новых материалов стоит внимания, поэтому оно является сегодня целью многих материаловедческих исследований. Каким же путем можно достичь нужных результатов? Какого сорта материалы необходимы?

Практически мы не в силах сколько-нибудь заметно повлиять на свойства природной древесины. Но, может быть, мы способны изменить свойства металла, например алюминия, или заменить его другим металлом, получше? На первый взгляд кажется, что стоит лишь увеличить прочность нашего металла - и все проблемы решены: ведь в конце концов самолеты проектируются так, чтобы запасы прочности были бы по возможности меньше, лишь бы обеспечить надежность. Следовательно, если бы материалы были прочнее, части самолета можно было бы делать более тонкими, а потому и более легкими. До известной степени это верно, но только до известной степени.

Следует помнить, что, хотя мы и можем значительно изменять прочность и вязкость твердых тел, их жесткость не поддается нашему контролю. Модуль Юнга зависит исключительно от химической природы твердого тела, и как с данным веществом ни возись, модуль упругости его не изменить. Если нам нужен другой модуль, мы должны взять другое вещество. Следовательно, если мы увеличиваем прочность какого-либо тела, например металла, то делаем это путем увеличения предельной упругой деформации. Поэтому, чтобы использовать более высокую прочность, мы должны работать при больших деформациях. Это означает, что перемещения в конструкции возрастут, и, если мы резко повысим напряжения с целью экономии веса, мы получим намного большие перемещения. Последствия такого рода усовершенствований видны на рис. 5; ясно, что такие формы крыла недопустимы.

Многие элементы конструкции самолета находятся в состоянии сжатия. Более того, сжатые элементы обычно имеют вид стержней и пластинок, тонких в сравнении с их длиною. А как уже говорилось в главе 1, элементы такого рода теряют несущую способность не потому, что они разлетаются на куски, а вследствие упругого выпучивания, связанного не с недостатком прочности, а с пониженной жесткостью. Это явление называется эйлеровой потерей устойчивости.

Кроме того, некоторые элементы самолетной конструкции выходят из строя не под нагрузкой, постоянно действующей в одном направлении, а вследствие так называемого флаттера. Это означает, что в определенных условиях обшивка ведет себя в потоке воздуха подобно полощущемуся на ветру флагу. Бороться с флаттером следует путем увеличения жесткости, а не прочности.

Получается так, что, когда мы начинаем увеличивать прочность материала, то есть вытаскивать нос, хвост оказывается увязшим - слишком мал модуль Юнга. Следовательно, увеличить модуль упругости столь же важно, как и увеличить прочность.

Далее, когда мы имеем дело с конструкциями минимального веса - например, с самолетом, - нас интересуют не столько абсолютные свойства материалов, сколько их удельные свойства; мы должны знать, сколько прочности и жесткости приходится на единицу веса. Удельные величины получаются делением абсолютных величин на удельный вес или плотность материала. С этой точки зрения полезно взглянуть на модули Юнга обычных технических материалов, которые приведены в табл. 2.

Таблица 2

Материал / Удельный вес γ, г/см 3 / E , кГ/см 2 x 10 -4 / Е /γ условные единицы

Молибден / 10,5 / 3,0 / 2,9

Железо / 7,8 / 2,1 / 2,83

Титан / 4,5 / 1,2 / 2,7

Алюминий / 2,7 / 0,75 / 2,8

Кварц и обычное стекло / 2,5 / 0,70 / 2,8

Магний / 1,7 / 0,45 / 2,7

Древесина (ель, параллельно волокну) / 0,5 / 0,135 / 2,7

Из таблицы видно, что удельный модуль упругости E/γ всех этих материалов практически одинаков. Вероятно, в этом нет какого-либо глубокого философского смысла, совпадение здесь - дело случая. Но так или иначе, а сам по себе факт совпадения удельных модулей ставит инженеров и материаловедов в весьма затруднительное положение. Ведь как бы мы ни старались улучшить прочность принятых материалов, мы оказываемся привязанными к одному и тому же удельному модулю. Это означает, что, если мы хотим достичь поставленных целей, мы должны отказаться от всех ходовых материалов, в обращении с которыми накоплен большой опыт.

Что же остается делать? Что это за вещества, которые имеют более высокие модули? Оказывается, таких веществ не так уж много, но все же они есть. Лучшие из них приведены в табл. 3.

Таблица 3

Вещество / Удельный вес γ, г/см 3 / E, кГ/см 2 x 10 -4 / Е /γ усл. единицы / Темп. плавл., °C

Нитрид алюминия / 3,3 / 3,5 / 10,6 / 2450

Окись алюминия / 4,0 / 3,9 / 9,8 / 2020

Бор / 2,3 / 4,2 / 18,0 / 2300

Окись бериллия / 3,0 / 3,5 / 11,6 / 2530

Бериллий / 1,8 / 3,1 / 17,2 / 1350

Углерод, усы / 2,3 / 7,7 / 33,5 / 3500

Окись магния / 3,6 / 2,9 / 8,0 / 2800

Кремний / 2,4 / 1,6 / 6,7 / 1400

Карбид кремния / 3,2 / 5,6 / 17,5 / 2600

Нитрид кремния / 3,2 / 3,9 / 12,2 / 1900

Нитрид титана. / 5,4 / 3,5 / 6,5 / 2950

Эта таблица в некотором смысле обнадеживает; она показывает, что есть в природе твердые тела, у которых удельный модуль Юнга больше, чем у традиционных технических материалов, грубо говоря, в десять раз. По-видимому, эти материалы открывают захватывающие перспективы. В то же время их список обескураживает. Все эти материалы в нормальных условиях весьма непрочны и хрупки, получать их можно обычно только при очень высоких температурах, некоторые из них токсичны.

Единственным металлом в этом списке является бериллий. Тот самый бериллий, который в опасной степени токсичен. Предположим на время, что нам удается побороть его токсичность, но сможем ли мы сделать бериллий прочным и вязким? По-видимому, в некоторых случаях бериллий может быть довольно прочным, предел прочности его может достигать 80-160 кГ/мм2. Но сделать его достаточно вязким очень и очень трудно. Причина этого главным образом в том, что при нормальных температурах дислокации в кристалле бериллия подвижны только в четырех плоскостях, в то же время, как мы видели в главе 8, кристалл должен иметь пять плоскостей скольжения, чтобы сопротивляться трещинам, бегущим в любой его плоскости. Несмотря на упорные попытки ученых заставить бериллий вести себя, как подобает “настоящему” металлу, заметных достижений в этой области нет. По-видимому, препятствия на этом пути связаны с особенностями кристаллической структуры этого металла. Остается подойти к проблеме по-иному. Может быть, можно уменьшить хрупкость бериллия, добавив в него немного волокон, как в случае льда и древесной пульпы (глава 8). Если такой эксперимент оказался бы успешным, можно было бы, я думаю, придумать какую-нибудь защиту от токсической опасности. Но тогда выплыло бы очередное препятствие: бериллий дорог, и с этим, кажется, ничего не поделаешь (отчасти из-за предосторожностей, необходимых при работе с ним). Остается только уповать на то, что последующий ход событий что-то из сказанного опровергнет.

Если нам не удается приручить бериллий, что бы мы могли предпринять еще? Ясно, что можно бы взяться за один из керамических материалов, приведенных в табл. 3. Из всех них только в окиси магния дислокации подвижны при комнатной температуре. И действительно, в лабораторных опытах можно получить очень правдоподобную имитацию пластичного поведения на достаточно чистых кристаллах окиси магния. На практике, однако, эта пластичность не заслуживает доверия: такие кристаллы рассыпаются под ударными нагрузками. Причина все та же - недостаточное число плоскостей скольжения.

Дж. Форти удалось придать пластичность куску хлористого натрия (поваренная соль). Для этого он добавил в поваренную соль золото (процесс диффузии шел в тщательно контролируемых условиях), атомы золота расположились на решающих позициях в кристалле и обеспечили движение дислокаций в нужных направлениях. Не исключено, что идея Форти поможет превратить окись магния в полезный материал.

Что бы мы ни предпринимали для управления подвижностью дислокаций в тех кристаллах, где они при нормальных условиях не очень подвижны, всегда остается общая трудность - вопрос чистоты кристалла. Обычно такие кристаллы должны быть очень тщательно очищены от -примесей, чтобы обеспечить движение дислокаций. Если какие-либо примеси и допустимы, то их содержание должно быть строго ограничено. Вполне возможно, что такая чистота не только дорого обойдется в процессе производства, но и во время службы материала ее будет очень трудно поддерживать. Многие кристаллы впитывают в себя чужеродные атомы (особенно атомы газов) намного охотнее, чем принято думать. Этот процесс может понемногу идти уже при комнатной температуре, но он особенно ускоряется с нагревом материала. Поскольку многие ответственные детали эксплуатируются при повышенных температурах, есть опасность охрупчивания материала в работе. Достаточно совсем небольшого количества включений, чтобы задержать дислокации, которые и без того двигаются не так-то легко.

Лично я не считаю, что попытки заставить экзотические материалы вести себя подобно металлам очень уж многообещающи.

Допустим, все это верно. Что же нам тогда делать? По-моему, чтобы ответить на этот вопрос, надо забыть нашу приверженность (даже больше, чем приверженность) к металлам и обратиться к материалам вроде древесины или армированных пластиков. В этом случае придется оставить попытки повысить пластичность за счет увеличения подвижности дислокаций и обратиться к волокнистым материалам, в которых внутренние поверхности могут тормозить развитие трещин. Конечно, если мы решим связать волокна между собой с помощью пластичного металла, то получим какой-то выигрыш и от его пластичности, но опыт показывает, что этот вклад может быть и незначительным.

Какие вещества следует нам выбирать для волокон? С точки зрения дислокационной подвижности мы должны требовать всего или ничего. Если дислокации по-настоящему подвижны, мы можем получить обычный пластичный материал, и нам нет смысла связываться с волокнами. Но если уж мы принялись за волокна, то нам нужно исключить какое бы то ни было движение дислокаций. Пользы от такого движения не будет никакой, а вреда может быть много - оно разупрочнит волокна. Поэтому бериллий и окись магния здесь не подойдут.

Большинство остальных веществ, приведенных в табл 3 имеют направленные ковалентные связи, при нормальных температурах дислокации в них остаются неподвижными. Как раз это-то нам и нужно. Но почти во всех других отношениях эти вещества представляют собой, мягко выражаясь, крепкий орешек для материаловедов. Их получение связано, вообще говоря, со значительными трудностями и возможно лишь при высоких температурах. Даже если они сами по себе и нетоксичны, то содержат одну, две или более добавок, которые могут сделать их токсичными. Наконец, некоторые из соединений, которые необходимы при получении этих веществ, почти наверняка будут разрушать стенки технологических аппаратов.

В главе 3 подчеркивалось, что задача теории прочности не столько в том, чтобы объяснить, почему материалы прочны, сколько в выяснении причин их разрушения. Все тела прочны “от природы”, если они не ослаблены дефектами; но дело в том, что дефекты почти всегда присущи твердым телам. Напомним, что в случае хрупких тел, в которых дислокации неподвижны, ослабляющими дефектами являются небольшие геометрические искажения, на которых возникает концентрация напряжений. В тех случаях, когда внутри кристалла все обстоит более или менее благополучно, опасность могут представлять поверхностные дефекты. Большинство ковалентных керамических материалов, приведенных в табл. 3, существует в виде порошка или неправильной формы кусков. Дело теперь за тем, чтобы получить эти вещества в форме нитей, однородных внутри и гладких снаружи.

Как раз над этим и работают последнее время многие лаборатории в разных странах, теперь мы знаем довольно много путей, которые ведут к получению прочных жестких волокон, но ни один из них не легок и не очень дешев. Достаточно упомянуть, что для получения таких волокон требуется температура в пределах от 1400 до 3500° C. Сейчас волокна обычно обрабатываются при высокой температуре в течение часов и даже дней. Сделать печь, которая работала бы при этих температурах в коррозионных условиях и позволяла бы поддерживать приемлемую химическую чистоту в реакционной камере,- очень серьезная техническая задача.

Такие “сверхволокна” обычно делятся на два больших класса - непрерывные волокна и усы. Непрерывные волокна имеют, конечно, большую длину; часто их можно наматывать на бобину, как нейлон или стекловолокно. Они могут иметь любую толщину, но чаще всего она лежит в пределах от 5 до 100 мкм. Обращаться с ними можно, как со стекловолокном, но более толстые волокна жестче на изгиб, и работать с ними, понятно, труднее. Толщина усов обычно 1 мкм, а длина порядка миллиметра, хотя некоторые усы вырастают длиною до нескольких сантиметров.

Модули упругости большинства этих волокон лежат где-то в области между 3,5 x 104 и 7,0 x 104 кГ/мм2, а поскольку их плотность колеблется примерно от 2 до 4, то удельные модули вполне оправдывают ожидания в десять раз превышая соответствующие константы обычных технических материалов. Прочность всех непрерывных волокон довольно высока, но в настоящее время ее нельзя назвать исключительно высокой. Обычно она лежит между 175 и 350 кГ/мм2 - эти величины близки к прочности обычных стекловолокон и отражают чрезвычайные трудности изготовления длинных волокон, свободных от микродефектов. Усы часто намного прочнее, их средняя прочность может достигать 700-1000 кГ/мм2, то есть они могут быть раза в три прочнее большинства непрерывных волокон.

Сравнивать преимущества и недостатки обоих типов волокон довольно трудно. К тому же эти сравнения могут быстро устареть. В некоторых случаях требуется очень тщательно уложить армирующие волокна в одном направлении, иногда этого добиваются путем намотки непрерывных волокон и пропитки их связующей смолой, то есть делают своего рода кокон. Часто так делают сосуды давления и трубы. Это, казалось бы, преимущество непрерывных волокон, но вот недавно был разработан способ, по которому короткие волокна (например, усы) сортируются, разбраковываются, а затем во влажном состоянии перерабатываются в непрерывную пряжу, вроде хлопчатобумажной, с которой потом можно обращаться так же, как с непрерывными волокнами. В ряде случаев из усов получают суспензию в какой-нибудь жидкости, которую можно легко формовать, как бумажную массу.

Выбор волокон зависит в некоторой степени от типа матрицы, которую решено использовать. Пластики и смолы имеют малый удельный вес и с ними легко работать, их нетрудно формовать, они вообще обладают многими преимуществами. С другой стороны, их прочность и модуль упругости малы, поэтому они не очень хорошо передают нагрузку от одного волокна к другому, то есть их нельзя пожалуй, считать хорошими связующими материалами. По этой причине в тех случаях, когда в качестве матрицы используется смола, применяются длинные непрерывные волокна. Смола позволяет очень эффективно использовать свойства непрерывных волокон и не годится в качестве матрицы для коротких волокон - например, усов.

Металлические матрицы заведомо лучше смол ведут себя, начиная примерно со 150° C. Они и нагрузку от волокна к волокну передают лучше смолы и потому более подходящи для связывания усов: позволяют лучше использовать прочность и жесткость усов. Однако армировать металлическую матрицу труднее, поскольку температура и давление формования здесь высоки. Сегодня можно предположить, что в будущем волокнистые материалы на основе смол найдут свое место в крупных элементах конструкций, работающих при низких температурах, а металлы, армированные усами, которые могут обладать более высокой прочностью и жаростойкостью, но которым труднее придавать нужную форму, будут, по-видимому, использоваться в более мелких деталях. Впрочем, это такая область, в которой события развиваются довольно бурно и предугадать что-нибудь очень трудно.

Какие же “сверхволокна” в настоящее время известны и как они делаются? Сейчас разрабатываются непрерывные волокна бора, карбида кремния и углерода. Усы же время от времени выращивают из самых разных веществ, не всегда практически годных. Наибольшие усилия затрачены на усы карбида кремния, нитрида кремния и окиси алюминия (сапфира). Информации о процессах получения волокон почти нет.

Непрерывные волокна.

Бор. Бор осаждается на тонкую нагретую нить - подложку, которая непрерывно протягивается через реакционную камеру. Камера содержит одно из газообразных соединений бора, например трихлорид бора ВСl3 или гидрид бора В2Н2, которое, коснувшись горячей нити, разлагается с образованием чистого бора.

Карбид кремния. В общих чертах процесс получения волокна карбида кремния подобен процессу получения волокна бора. В этом случае, конечно, используются подходящие газообразные соединения, содержащие кремний и углерод.

Углерод. Это очень интересное волокно. Оно получается из непрерывного органического волокна - вискозы пли синтетического полимера по технологии, аналогичной получению угольных нитей для ламп накаливания. Если правильно поставить процесс, углерод рекристаллизуется в непрерывное графитовое волокно.

Усы.

Известен целый ряд процессов получения усов. Механизмы протекания этих процессов весьма сложны Обычно лучшие усы получаются из газовой фазы, то есть химическая реакция в высокотемпературной печи идет между газообразными реактивами. Если азот или кислород нетрудно подать в зону реакции в виде газов, то такие элементы, как кремний, углерод, алюминий и т.д., сами по себе не транспортируются. Поэтому приходится прибегать к так называемым транспортным веществам. Ими могут служить такие соединения, как SiO2, SiCl4, СН4, Аl2О3 и т.д. Обычно стремятся получить весомые количества бездефектных прочных усов возможно более быстрым и дешевым путем. К сожалению, когда реакция ускоряется, качество получаемых усов, как правило, страдает, что сильно усложняет всю проблему. Чрезвычайно сложные реакции, которые могут протекать при выращивании усов, приходится анализировать с помощью вычислительных машин. К настоящему времени количество усов высокого качества измеряется килограммами, цена их довольно высока, поэтому ведутся усиленные работы как над увеличением выхода усов, так и над уменьшением их стоимости.

Вполне возможно, что некоторые из этих работ окажутся успешными, и в скором времени количество получаемых усов будет измеряться тоннами. Их стоимость вначале будет довольно высокой, но если хоть как-то можно полагаться на исторические параллели, то цена придет к вполне удобоваримым величинам в течение примерно десятка лет. Сомнительно, конечно, чтобы она когда-нибудь стала сравнимой с ценой обычной стали и технической древесины.

Во всяком случае, сейчас мы имеем достаточное количество таких волокон для проведения поисковых работ в стенах лабораторий. Работы эти не столь просты, как может показаться. Даже располагая самыми прочными и жесткими усами, вы можете испортить ими идеальную матрицу. Изготовление армированных материалов требует большой сноровки. Теория упрочнения волокнами основывается на довольно громоздком математическом аппарате, она не дает скучать ЭВМ и заполняет специальные периодические издания. Но, даже если она и понята, до создания надежных процессов получения подобных материалов еще далеко.

Впрочем, сейчас уже многие трудности преодолены, и в ряде лабораторий регулярно делают небольшие партии армированных волокнами материалов, свойства которых оказываются довольно близкими к теоретически предсказанным. Приводить здесь конкретные величины, пожалуй, бесполезно, поскольку каждый материал нужно характеризовать целым набором свойств. Но я не побоюсь утверждать, что некоторые из новых материалов вдвое лучше тех, что были известны до сих пор. Впервые в истории человек стал управлять своими конструкционными материалами, целеустремленно и рационально создавать материалы, удовлетворяющие определенным нуждам.

Прежде всего такие материалы будут использованы в тех областях, где к конструкциям предъявляются повышенные требования. Быть может, они вызовут необыкновенные преобразования в авиации, позволив резко снизить стоимость воздушных перевозок. На это можно возразить, что подобные рассуждения напоминают попытку перелить старое вино в новые бутылки. Возможно, так оно и есть, только всегда ли это плохо? Впрочем, не следует исключать того, что с появлением новых материалов появятся принципиально новые устройства. Такую перспективу не следует исключать, но предсказать здесь что-нибудь определенное невозможно. Приведем небольшой пример, который касается большинства из нас. Зубные пломбы беспокоят многих. Керамика (фосфатный цемент), которую используют зубные врачи, всегда была слишком хрупкой; металлы (например, золото) обычно слишком мягки. Сейчас изучаются возможности армирования золота усами. Такой материал будет сочетать высокую прочность и твердость с вязкостью, что очень важно для пломб. В этом случае относительно высокая стоимость золота и усов серьезного значения не имеет.

Массовое применение новых материалов, несомненно, зависит от снижения стоимости производства волокон до действительно приемлемого уровня. Трудно сказать, сколько еще ждать, но уже сейчас возможен интересный компромисс - использование асбестов. Асбест, можно сказать, представляет собой природные усы, которые донимаются в карьерах; он довольно дешев. Механические свойства волокон асбеста уступают лучшим усам, но они значительно превосходят и металлы, и стекловолокно, особенно если принять во внимание их вес. В прошлом асбест часто использовался для армирования пластиков, но эта идея была дискредитирована безобразной технологией. Сейчас есть возможность применить для асбестовых волокон методы, созданные для переработки усов. Это позволит резко улучшить свойства таких армированных материалов. Композиционные материалы типа смола - асбест должны найти широкое применение.

Армированные материалы довольно хороши в промышленных условиях, здесь они могут играть важную роль, хотя производство их довольно трудоемко. Мне кажется, мы очень нуждаемся, кроме того, в улучшенных материалах для самого широкого потребителя, материалах, которые не требуют сложного оборудования для обработки. Ясно, что образцом при создании таких материалов должна быть древесина. Механические свойства дерева превосходны, хотя никто не возражал бы, если бы они были еще лучше. Недостатки древесины определяются ее биологическим происхождением. Она усыхает, разбухает, гниет, нуждается в окраске, требует ухода. Эффективность древесины в легких конструкциях, простота ее обработки (а именно в этом каждый из нас и заинтересован в первую очередь) определяются малой плотностью этого материала.

На нынешнем уровне знаний можно было бы взять армированный, но практически инертный материал и заполнить его порами нужных размеров и формы, чтобы получить вещество с удельным весом примерно 0,5, которое можно легко резать и обрабатывать. Если в качестве связующего использовать один из термопластов, то такой материал можно было бы не только пилить, строгать, сверлить, но также гнуть и формовать при подходящей температуре. Такой материал потребовал бы тонких научных разработок, но, будучи дешевым, он имел бы и очень много достоинств. И они определялись бы не только удобствами для любителей и кустарей, такой материал был бы незаменим для экспериментальных разработок. Именно скорость разработки, от опытных образцов до серийного производства, была самым сильным аргументом в пользу деревянных самолетов во время войны. Неизбежные задержки в разработках, более чем что-либо другoe, становятся пороком и причиной срывов при реализации сложных технических проектов.

Есть еще один подход к решению проблемы новых материалов, о котором мы еще не говорили. По-видимому, ему уделяется больше внимания в Японии. Мы уже подчеркивали, что польза древесины и целлюлозы вообще определяется ее низкой плотностью в сочетании с отличным модулем Юнга. Удельный модуль древесины вдоль волокна практически тот же, что и у технических металлов.

Целлюлозная молекула, как мы видели в главе 5, состоит из сахарных колец, то есть из сложных цепей, построенных в значительной степени из атомов углерода. Поэтому можно ожидать, что связь между углеродными атомами жесткая: это ведь та же связь, что и в алмазе.

Большинство синтетических полимеров также построено из цепей атомов углерода. Полиэтилен, например, состоит просто из (СН2)n. Другие синтетические полимеры химически несколько сложнее, но их упругие свойства не очень отличаются от полиэтилена. Далее, модуль упругости алмаза изменяется примерно от 8x104 до 12x104 кГ/мм2 в зависимости от того направления, в котором он измеряется. Алмаз имеет плотность около 3,5, то есть атомы углерода упакованы в нем более плотно, чем в полиэтилене, имеющем плотность около 0,92. Если мы введем все необходимые поправки, то найдем, что модуль полиэтилена в направлении цепочек должен быть примерно 2,5x104 кГ/мм2. Другие полимеры должны иметь жесткость того же порядка.

Однако экспериментально определенный модуль упругости полиэтилена равен приблизительно 200 кГ/мм2, то есть примерно в сто раз меньше теоретического. Почти такое же положение с другими синтетическими полимерами. Удивительно, что авторы учебников (описывающие химическое строение полимерных цепочек в умилительных подробностях) не только не объясняют такого расхождения, но даже не замечают его.

Здесь напрашивается объяснение, ставшее возможным после работ Франка и Келлера (Бристольский университет). Уже давно известно, что молекулы-цепочки большинства природных и искусственных полимеров в некоторой степени кристалличны, наподобие натуральной целлюлозы (глава 5). Однако работы Франка и Келлера показали, что природа кристаллов в природном и синтететическом полимере различна. В целлюлозе как сами молекулы, так и продольные оси кристаллов лежат вдоль волокна, и поэтому на практике реализуется большая доля теоретического модуля. В материалах же типа полиэтилена Келлер обнаружил, что цепочки (СН2)n уложены совсем иначе. Если взглянуть на эту структуру глазами инженера, сразу станет ясным, что лишь очень малая доля жесткости углеродной цепочки реализуется в макроскопическом модуле пластика: здесь работают фактически не первичные ковалентные связи, а лишь вторичные силы Ван-дер-Ваальса, которые действуют между складками цепочки.

Замеренные в опыте величины модуля упругости очень хорошо согласуются с известной жесткостью вандерваальсовых связей и с жесткостью молекулярных кристаллов типа фталоцианина (глава 1).

Оказывается, что углеродные цепочки, характерные для синтетических полимеров (таких, как полиэтилен), очень гибкие, и с термодинамической точки зрения существует весьма сильная тенденция к складыванию их регулярным способом во время кристаллизации. Цепи природных полимеров (например, полисахариды и, в частности, сахар) так не складываются, и потому они намного жестче. Именно этому в значительной мере обязана нестареющая популярность целлюлозы в качестве строительного материала, и, между прочим, это же дает основания журналам мод писать о “хрустящем” хлопке.

Предотвратить складывание синтетических углеродных цепочек на редкость трудно, но как раз совсем недавно коллеги автора получили кристаллы полиэтилена в условиях, когда складывание сводится к минимуму. Модуль упругости этих кристаллов превышал 3500 кГ/мм2. Ему все еще очень далеко до теоретической величины, но это все-таки примерно в 15 раз выше, чем все достигнутое на полиэтилене прежде.

Как будет это направление развиваться и будет ли оно развиваться вообще - трудно сказать. Ясно лишь, что полиэтилен с цепочками, вытянутыми при кристаллизации в одном направлении, будет совершенно иным материалом по сравнению с тем полиэтиленом, который мы хорошо знаем. Вероятно, существует также принципиальная возможность делать неармированные пластики с модулем Юнга стали и одной восьмой ее плотности. Можно предположить также, что прочность и вязкость такого материала также будут высоки.

 

Чего можно ожидать от материалов будущего?

Невозможно пророчествовать подробно о том, как будут выглядеть новые материалы. Но мы можем оговорить вполне определенные верхние пределы механических свойств пассивных конструкционных материалов (глава 1). Ясно, что ключевое свойство есть модуль Юнга, поскольку он определяет не только жесткость, но и, в конечном счете, прочность. Наибольшей жесткостью обладает углеродная связь, причем она максимальна как в абсолютном, так и в удельном выражении (относительно плотности). Правда, некоторые ковалентные связи по жесткости мало отличаются от углеродных связей в алмазе. Но в общем-то максимум Е должен быть около 12x104 кГ/мм2, а максимальная величина удельного модуля Юнга - на порядок выше, чем для стали.

Следовательно, возможности улучшения удельных свойств больше, чем абсолютных. Но, вероятно, к этому и следует стремиться.

Можно было бы, наверное, как-то приблизиться к теоретической прочности, то есть примерно к E/10 если бы такая цель имела реальный смысл. Но все дело в том что если бы эта громадная прочность и была получена в большинстве случаев соответствующая ей упругая деформация, которая достигала бы 10%, оказалась бы недопустимой. Более того, такой материал неизбежно был бы хрупким, даже, пожалуй, слишком хрупким.

Более приемлемой следует считать деформацию около 1-2% (такой материал имел бы некоторый запас для торможения трещин - см. главу 4). Это дало бы удельную прочность, на один-два порядка превосходящую удельную прочность стали. Таким образом, мы вправе ожидать максимальную величину удельной жесткости порядка 12-14 жесткостей древесины, стали и других металлов, а для удельной прочности ориентироваться в пределе на 10-100 удельных прочностей стали.

Вероятно, как-то приблизиться к этим свойствам вначале можно будет с помощью материала, армированного параллельными волокнами. Если же прочность и жесткость нужны более чем в одном направлении, тогда придется распределить волокна по разным направлениям и удовлетвориться более низкими свойствами. Но рано или поздно, я думаю, мы получим изотропные материалы, свойства которых во всех трех направлениях будут одинаково хороши.

Это, кажется, и будет пределом, которого мы сможем добиться с пассивными материалами. Продвижение по этому пути - вот занятие, которое занимает в наши дни целую армию материаловедов. Но картина изменится, если мы займемся активными материалами (то есть такими, которые каким-то образом подпитываются энергией) Несколько лет назад к этой идее независимо пришли профессор Бернал и я. В самом деле, снабжая материал энергией, можно придать ему бесконечную эффективную жесткость (как это бывает у животных). А сделать это можно, по-видимому, с помощью пьезоэлектричества.

Важным следствием реализации этой идеи было б не столько повышение прочности, сколько использование бесконечной жесткости. Можно было бы делать очень жесткие конструкции, работающие на сжатие, — телеграфные столбы могли бы быть тонкими, как проволока; крылья самолетов стали бы тоже очень тонкими, почти любая техническая операция выполнялась бы легче и дешевле. Насколько мне известно, в этом направлении никто сейчас не работает. Но если бы даже и начались такие исследования, потребовалось бы весьма много времени, прежде чем удалось получить что-нибудь реальное; но этот путь отвергать, по-видимому, не следует.

Другая очень привлекательная идея связана с самоподстраивающимися конструкциями. По сути своей она также биологическая. Основной принцип здесь заключается в том, что конструкция сама утолщается в местах большего напряжения, и опять-таки сама уменьшается в слабо нагруженных частях. Почти все небиологические конструкции спроектированы неоптимальным способом, они неэффективны и топорны. Можно было бы начать с того, что попробовать оптимизировать какую-нибудь грубо спроектированную оболочку или раму, нагружая ее, например, в гальванической ванне. Но, как и предыдущая идея, сегодня это всего лишь мечта. Я хотел лишь сказать, как велики потенциальные возможности сокращения времени проектирования и изготовления.

 

Ближайшее будущее

В 80-х годах прошлого века идея использования электричества в широких масштабах висела еще в воздухе и привлекала внимание лишь ученых и некоторого числа предпринимателей; история биржи оживляется серией паник газовых компаний, которые возникали после каждого объявления о новом усовершенствовании динамомашины или электрической лампочки. Но оказалось, что акции газовых компаний оставались в безопасности в течение жизни почти целого поколения: трудности разработки и внедрения совершенно новой области техники были очень велики, несмотря на то что научные принципы были уже довольно хорошо поняты, да и экспериментальная проверка проходила довольно удачно. Конечно, маловероятно, что разработка и восприятие новых необычных материалов будет идти столь же медленно, как и внедрение электротехники, но все-таки, видимо, это будет тянуться долго, и на пути встретятся как взлеты, так и падения. Несомненно, что ставить вопрос о радикальной замене традиционных материалов (сталь, древесина) еще очень и очень рано.

Однако мне кажется, что новые армированные материалы, о которых мы говорили в этой главе, доведены уже до такого уровня, когда их технические достоинства оправдывают попытки использования этих материалов на практике. Такие попытки предпринимаются, и вполне возможно, что в специальных конструкциях (компрессорные лопатки газовых турбин и другие авиационные детали) современные армированные материалы будут работать уже ко времени выхода этой книги. Сегодня эти материалы дороги, на них к тому же скептически смотрят инженеры-практики. Однако, если они выдержат испытания и покажут свои преимущества на практике, на их стороне будет то, в чем они нуждаются,- интерес и одобрение конструкторов. После этого пойдет постепенный процесс удешевления, расширится область применения, хотя они будут оставаться достаточно специальными в течение длительного времени.

Широкое применение дает реальные выгоды, но, вероятно, главным результатом будет переворот в области инженерного мышления. Идея о материале, который с самого начала разрабатывается с определенным назначением и строится, исходя из первых принципов, а не путем модификаций традиционных веществ,- эта идея нова и всеобщего признания еще не заслужила. Но стоит ей добиться всеобщего признания, и трудно сказать, что за этим последует. Ведь вплоть до настоящего времени технические идеи основывались (сознательно или подсознательно) на характеристиках и недостатках небольшого списка веществ; но стоит воображению инженеров проститься с мыслью о том, что все эти ограничения обязательны, а взамен этого понять, сколь созидающим может быть союз конструктора и материаловеда, - границы техники необычайно раздвинутся.

Необходимые исследования и опытные разработки могут стоит очень дорого, но это по силам бюджету развитого государства. Ведь некоторые другие области техники сейчас обходятся гораздо дороже. Если эти расходы приведут к созданию новой отрасли техники, в которой мы так нуждаемся, - игра стоит свеч.