— Положи на этот камень свой нож, сагиб, и ты увидишь, что такое индийский вутц.
Заинтересованный Роберт Скотт вытащил из ножен короткий кинжал из отличной шеффилдской стали и положил его на плоский камень. Старик индус, коричневый и высохший, как мумия, отвернулся, покопался в куче тряпья, и внезапно в руке его сверкнула молния. Удар — и хваленый английский клинок разлетелся пополам. И вот уже старик, довольно улыбаясь, протягивает путешественнику кривой меч.
Англичанин жадно схватил его обеими руками. Да, это был вутц — одна из разновидностей легендарного булата. Вот и характерные узоры на поверхности металла. Здесь, в Индии, Скотт часто наталкивался на него. Ножи и пилы, сверла, резцы, наконец, огнестрельное оружие из вутца, намного превосходили европейские. Секрет вутца утерян, но ничего, английские ученые сумеют разгадать его. Англия, самая передовая страна в мире, владычица морей, должна обладать и самой крепкой сталью. И Скотт, не торгуясь, купил клинок у старика индуса. Произошло это в 1820 году.
Вернувшись на родину, Скотт передал булат Английскому королевскому обществу (так называлась и поныне называется в Англии Академия наук). Сам Майкл Фарадей, король эксперимента, занялся исследованиями вутца. Довольно скоро удалось выяснить, что в сплаве присутствует алюминий. Так, может, в нем вся хитрость? Фарадей изготовил сплав железа, содержащий алюминий. Победа! На поверхности клинка почти такие же узоры, какими отличался булат. Увы, это была не победа. Клинок Фарадея не только не перерубал оружие из рядовой стали или падающие шелковые платки; он и дерево-то резал ничуть не лучше, чем обычные ножи. Чего только не пытался подмешивать в металл знаменитый ученый — даже золото, чтобы оно передало железу свои «благородные» свойства,— но получить булат ему так и не удалось.
Прошло восемь лет, и об этих исследованиях Фарадея узнал русский металлург Павел Петрович Аносов, начальник завода в уральском городе Златоусте. Аносов решил сделать то, что не удалось англичанину: раскрыть тайну булата.
Но как это сделать? В то время химики еще не разработали методики проведения анализов. Это сейчас для решения рядовой задачи химику достаточно заглянуть в методический справочник и прочитать, какие реакции и с какими веществами необходимо провести. И даже если перед химиком стоит не рядовая, а неизвестная новая задача, все равно эти методики очень облегчают его работу. Ни у Фарадея, ни у Аносова таких методик не было. Каждый шаг на пути к решению задачи был для них незнаком, его надо было открывать. Почему же Фарадея постигла неудача? Да потому, что он не смог отказаться от обычных для его времени приемов научного поиска. Фарадей искал булат так же, как искал бы его любой другой ученый той же эпохи, не обладающий ни талантом, ни умом великого англичанина. Фарадей просто брал самые разнообразные вещества и подмешивал их в расплавленный металл в слепой надежде, что случайно наткнется на «счастливое» сочетание. Это был тот же самый опытный путь, метод проб и ошибок, которым шло все развитие металлургии. В шутку его называют еще методом тыка: исследования ведутся до тех пор, пока ученые не наткнутся на то, что нужно. Но ведь так можно напрасно трудиться всю жизнь...
Работы Аносова очень быстро нашли широкое практическое применение и не потеряли своего значения и в наши дни. Начиная с середины XIX века каждую партию металла проверяют на внутреннее строение, а при прокатке и штамповке стараются получить как раз такие вытянутые волокна материала, которые повторяли бы все изгибы изделия.
Аносов установил также и Влияние добавок различных материалов на структуру стали и тем самым положил начало не слепому экспериментированию «на авось», а обдуманному и целенаправленному составлению сплавов — композиции сплавов, как сейчас говорят. Нынешние металлурги знают, что, добавляя в сталь вольфрам, они делают ее более твердой, хром — нержавеющей, марганец — износостойкой, ванадий — неутомимой и т. д. И в соответствии с этим заранее рассчитывают, какими качествами должна обладать будущая сталь.
Но главная работа Аносова — раскрытие секрета булата — была еще впереди. Ей ученый отдал последующие пять лет напряженного труда.
Не будем подробно рассказывать об этих поисках, которые напоминают захватывающий детективный роман, где подозрение падает то на одного, то на другого, то на третьего, но в последний момент каждый раз не подтверждается. Работа Аносова осложнилась еще и господствующим мнением, что секрет булата — в ковке при низких температурах. Думали, что можно получить булат из простого железа, если его слегка нагреть и особым образом отковать. Аносов потратил немало усилий, чтобы доказать, что булат куется так же, как и обычная сталь, а секрет — в способе выплавки. В конце концов он восстановил технологию старых мастеров и в 1833 году получил булат в закрытых тиглях прямо из руды, перемешав ее с графитом. В 1841 году вышла книга Аносова «О булатах», где он подводил итоги своих многолетних исследований.
Правда, булат по способу Аносова большого распространения не получил: слишком малопроизводительной была плавка в тиглях.
Сталь перестала быть драгоценностью, теперь уже требовалось получать ее в широких масштабах. Но это нисколько не умаляет значение работ русского металлурга.
Примечательно, что когда известие о том, что в «варварской» России раскрыт секрет булата, дошло до мастеров из немецкого города Золингена, изготовлявших знаменитую на весь мир оружейную сталь, они этому не поверили. Тогда Аносов вызвал их на «состязание». И посрамил своих противников, легко перерубив своим клинком самые лучшие немецкие палаши.
Однако на этом история булата не кончилась. Спустя сто пятьдесят лет на том же самом Златоустовском заводе ученые Центрального научно-исследовательского института черной металлургии им. Бардина совместно с заводскими работниками получили булатную сталь в современных металлургических печах. Теперь ее можно было бы выпускать в больших количествах, но... она никому уже не была нужна. Современные металлурги давно научились получать специальные стали, по всем качествам далеко превосходящие булат. Так что эта работа имела чисто научное и познавательное значение.
Итак, один русский ученый доказал, что механические свойства материала обусловлены его внутренним строением, в частности расположением волокон. Но как образуется то или иное расположение волокон? Иными словами, как требуется вести выплавку стали, чтобы получить необходимую структуру металла? Это были самые главные вопросы в металлургии того времени, й ответил на них второй русский ученый.
В 1900 году в Париже состоялась Всемирная выставка. На нее съехались и крупнейшие металлурги мира. Выступая перед ними, известный французский металлург Г. Монгольфье сказал: «Считаю своим долгом открыто и публично заявить в присутствии стольких знатоков и специалистов, что наши заводы и все сталелитейное дело обязано настоящим успехом в значительной мере трудам и исследованиям русского инженера Д. К. Чернова, и приглашаю всех выразить ему нашу признательность от имени всей металлургической промышленности». А три года спустя американский металлург Гоу выпустил книгу, которую посвятил «Профессору Дмитрию Константиновичу Чернову, отцу металлографии железа...».
Чем же заслужил русский инженер эту мировую признательность?
...— Огонь! — скомандовал офицер, убедившись, что заряжающий укрылся в блиндаже.
Солдат дернул за длинную веревку, привязанную к спусковому механизму орудия. Пушка выстрелила... и взорвалась. В блиндаже все невольно пригнулись, когда по крыше прогрохотали осколки.
— Вот вам и очередная загадка, Дмитрий Константинович,— сказал офицер, руководивший испытаниями, скромно одетому молодому человеку.— Эта пушка была сделана точно из той же стали, что и предыдущая. Одна плавка, я лично проверял. Однако та пушка произвела уже сто выстрелов и не взорвалась, а эта с первого раза...
Чернов, не отвечая, вылез из блиндажа, подобрал срикошетировавший от крыши осколок ствола. Да, все тот же характерный крупнозернистый излом...
Эта загадка беспокоила металлургов всего мира. Пушки, отлитые из одной и той же стали, были непохожи одна на другую. Одни служили десятки лет, другие разрывались после первых же выстрелов. Почему? Сотни блестящих умов пытались понять это. И двадцативосьмилетний инженер Чернов тоже загорелся этой проблемой. С утра до позднего вечера пропадает он в цехах Обуховского завода, где внимательно изучает все тонкости изготовления орудийных стволов. Вместе с артиллеристами он проводит на полигонах испытания новых орудий, записывая данные в разбухшую записную книжку. И часто всю ночь до утра горит свет в механической и химической лабораториях, где Чернов исследует обломки металла.
Почему-то никто из исследователей не обращал внимания на строение металла, из которого были сделаны пушки. Причину разрывов искали во внутренних трещинах, пустотах, газовых пузырях. Чернов первый задался вопросом: почему металл всех плохих орудий имеет крупнозернистую структуру? Не связано ли это с прочностью? А сейчас, на полигоне, ему пришла в голову и другая мысль: какая же структура у хороших пушек? И Чернов попросил отправить к себе в лабораторию ствол орудия, выдержавшего сто выстрелов. Когда его распилили, ученый убедился в правильности своей догадки: металл имел мелкозернистое строение.
Но ведь оба орудия изготовлены из одной и той же стали, сваренной в одной мартеновской печи и слитой в один ковш. А строение металла у них оказалось разным. Ясно, что это произошло в процессе обработки ствола. Теперь поле поисков значительно сузилось.
Сталь рождается в мартеновской печи. Затем ее разливают в специальные чугунные формы-изложницы, где она застывает в слитки — заготовки для будущих пушек. Их проковывают мощными паровыми молотами, придавая форму орудийного ствола. И, наконец, сверлят отверстия и обрабатывают на токарных станках.
Наименее изученным процессом была в то время ковка. С нее и начал ученый. При какой температуре лучше всего ковать стволы? Оказалось, что никто этого не знает. Каждый кузнец определял подходящую температуру на глаз, по цвету слитка. Но ведь глаза-то у всех разные, и разница в определении подходящей температуры достигает десятков градусов. Так, может быть, все дело именно в температуре, при которой куют слитки? Ведь металл одной плавки попадает к разным кузнецам, и каждый из них отковывает ствол при «своей» температуре.
Вот если бы существовал какой-нибудь прибор, позволяющий точно определить степень нагрева пушечной заготовки!.. Но такой прибор — пирометр — будет изобретен французом Ле Шателье только через двадцать лет. Ничего не поделаешь, придется научиться определять температуру раскаленных болванок по их цвету. Опытные кузнецы научили этому Чернова. Долгими часами вглядывался он в печи, где нагревались болванки, наблюдал, как их отковывают на молотах. От постоянного напряжения страшно болят глаза, и в конце концов у него даже появилось легкое косоглазие.
Но вот первый успех. Нагревая слитки до разного цвета — от темно-красного до ослепительно белого,— проковывая их при этом нагреве и испытывая затем на разрывной машине, Чернов находит температурный режим, при котором изделие получается наиболее прочным. Но это — всего лишь следствие. Причина же — что именно происходит с металлом в процессе обработки — пока не выяснена. И ученый продолжает настойчивые поиски.
Через два года Чернов уже смог доложить на заседании Русского технического общества о полученных результатах. Оказалось, что при нагреве в стали происходят изменения, причем не постепенно, а сразу, скачком, при достижении определенных температур. Ученый нашел три температурные точки, при которых происходят эти изменения, и обозначил их латинскими буквами А, В, С. Он назвал их критическими точками, но во всем мире их называют точками Чернова.
При наивысшей температуре, обозначенной точкой «С», сталь расплавляется. «С» — это точка плавления. Она изменяется в зависимости от химического состава стали, от вида и количества вводимых добавок. Зная точку плавления каждой марки стали, можно рассчитать процесс наиболее экономично, чтобы плавление шло с наивысшей скоростью при наименьшем расходе топлива. Точка «А» соответствует темно-вишневому цвету раскаленного металла. Это самая низкая температура, до которой нужно нагреть сталь, чтобы она воспринимала закалку. Чернов писал: «Сталь, как бы тверда она ни была, будучи нагрета ниже точки «А», не принимает закалки, как бы быстро ее ни охлаждали; напротив того — она становится значительно мягче и легче обрабатывается пилой». Однако сталь, закаленная при точке «А», обладает крупнозернистой структурой. Для того чтобы структура получилась мелкозернистой, изделие надо нагревать до точки «В» и даже выше. Чернов разработал технологию ковки, при которой волокна вытягиваются, придавая металлу максимальную прочность. «Нужно стремиться достигать того,— писал ученый,— чтобы наши орудия были по возможности мелкозернистого сложения; для этого следует... после нагрева болванки до высокой температуры ковать ее до тех пор, пока она не остынет до температуры, обозначенной мною точкой «В».
Гораздо позднее, когда появились приборы для определения температуры раскаленного металла, было установлено, что точка «А» соответствует приблизительно 700°С, а точка «В» — 800—850°С. Как и точка «С», для каждой марки стали эти точки имеют свою температуру.
Затем Чернов добился еще одного крупного достижения — доказал, что и литая сталь, если правильно подобрать режим ее тепловой обработки, также может иметь плотную мелкозернистую структуру. Обычно в стали, которая застывает в литейных формах, много пустот, газовых пузырей, раковин. Поэтому и приходится проковывать или прокатывать отлитую болванку, чтобы сдавить ее, уплотнить. При этом все пустоты внутри металла свариваются. Чернов писал: «Не будь этих пустот, как газовых, так и усадочных, можно было бы прямо в данную форму отливать орудия из стали, как отливают их из чугуна». И нашел способы получения литого металла почти без газовых пустот и раковин, так что в ряде случаев ковка и прокатка оказались ненужными.
Эти открытия молодого ученого, сделанные сто лет назад, обеспечили русскую армию безотказными надежными орудиями, а промышленность — прочным, хорошим металлом.
Но главная работа была впереди. Все тот же вопрос — что происходит с металлом в процессе обработки — не был выяснен. Этому Чернов посвятил следующие десять лет. И в 1878 году на заседании Русского технического общества он изложил содержание своего труда «Исследования, относящиеся до структуры литых стальных болванок», где раскрыл наконец процессы, происходящие в металле.
Что же происходит, когда расплавленная сталь налита в форму-изложницу? Естественно, она начинает остывать и затвердевать. Появляются мельчайшие зернышки-кристаллы, из которых состоит металл. (Между прочим, кристаллическое строение металлов — это тоже открытие Чернова.) Но металл застывает не одновременно по всему объему. Прежде всего затвердение начинается с поверхности, где сталь соприкасается с холодными стенками изложниц. Здесь быстро образуется твердая корка. А поскольку каждое вещество при охлаждении сжимается, то корка, сжимаясь, давит на жидкую сталь, находящуюся внутри. И это мешает правильному образованию кристаллов. Они уже не могут расти свободно во всех направлениях и растут, как говорится, по пути наименьшего сопротивления. А этих путей — великое множество. Наружная корка ведь тоже образуется не одновременно по всей поверхности жидкого металла. Она начинается в одном месте, и тут уже кристаллы в жидкой стали вынуждены расти «от нее».
Но корка разрастается все больше и больше, и кристаллы все время меняют направления своего роста. В конце концов у них остается только один путь — в глубину слитка. Так и получается, что когда слиток застывает, он оказывается образован из кристаллов, которые «смотрят» во все стороны. И это, кстати, сильно снижает прочность металла.
В центре верхней части слитка от сжатия металла при охлаждении образуется пустота, так называемая усадочная раковина. Вот здесь росту кристаллов ничто не мешает, и они вырастают подчас до весьма внушительных размеров. Такие кристаллы называют древовидными, или дендритами, они и в самом деле напоминают ветку дерева. Вы видите на рисунке кристалл, найденный Черновым в усадочной пустоте стотонного стального слитка. Длина кристалла 39 сантиметров, а вес — 3 килограмма 450 граммов. Этот уникальный экземпляр, известный под названием кристалла Чернова, хранится в Артиллерийской академии в Москве.
Теперь наконец все встало на свои места. Прочность слитка тем меньше, чем крупнее кристаллы. Длинные «ветви» как бы перерезают всю толщу металла, разделяя его на участки, границы между которыми хрупки и непрочны. Вот здесь металл чаще всего и ломается. Во времена Чернова не знали, как бороться с усадочными раковинами и крупными кристаллами в верхней части слитка — ее просто отрезали и отправляли в переплав. Так, кстати, и сейчас делают, но в наше время уже есть способы бороться с этим явлением. Повторный нагрев слитков до точки «В» дробит, измельчает кристаллы, а при закалке они не успевают снова вырасти. При нагреве же только до точки «А» кристаллы не измельчаются, остаются в своем неизменном виде.
Чернов завершил и работы Аносова, дав научное обоснование замечательных свойств булата. Оказалось, что все дело опять-таки в условиях кристаллизации стали при ее застывании. Булатная сталь образовывала кристаллы двух видов — сначала возникали длинные древовидные кристаллы, очень твердые, а затем появлялись мелкие кристаллы, вязкие, располагающиеся между дендритами. Оба эти вида кристаллов — одни твердые, другие вязкие — образуют очень сложные переплетения. Древние мастера вслепую, опытным путем нашли способы ковки, при которой дендриты не разрушаются, а только сминаются. Так и получался материал, обладающий одновременно и большой твердостью, и большой вязкостью, клинок из которого мог и пробить стальной панцирь противника, и легко согнуться в дугу. А узоры на поверхности отражали это переплетение кристаллов.
Работы Чернова явились переломной вехой в истории металлургии. Они превратили металлургию из ремесла, где все постигалось ощупью, опытным путем, в точную науку. Поэтому и заслужил Дмитрий Константинович Чернов восхищение современников и благодарность потомков.
Прочность, прочность, прочность…
«В морозный день 31 января 1951 года обрушился автодорожный мост в Квебеке (Канада). По нему в это время проезжала всего одна машина. Во время аварии упали в реку три пролета моста, каждый длиной в 54 метра. Вы думаете, мост был какой-нибудь старинный? Ничего подобного — его сдали в эксплуатацию только в 1947 году.
В Бельгии из 52 сварных мостов, построенных в 1934—1938 годах, почти пятая часть к 1940 году вышла из строя. Несколько мостов разрушилось полностью. 14 марта 1938 года обвалился мост пролетом 73,5 метра через канал Альберта возле Хасселта, введенный в эксплуатацию всего за год с небольшим до этого.
С 1947 по 1955 год произошло четырнадцать подобных случаев.
Бельгия, к сожалению, не исключение. В декабре 1951 года в Чехословакии обрушился временный железнодорожный мост пролетом 12 метров — он треснул после того, как по нему проехал паровоз.
В США зарегистрировано много случаев разрушений цельносварных судов. Из 5000 построенных во время второй мировой войны торговых кораблей к апрелю 1946 года больше тысячи имели трещины. Десять танкеров и три грузовых судна типа «Либерти» разломились пополам. На 25 других судах произошло полное разрушение палубы или днища. Иные суда разрушались, так и не войдя в строй. В январе 1943 года на тихой воде у стенки судостроительного завода переломился при подготовке к ходовым испытаниям танкер «Скенектеди» водоизмещением 7 230 тонн. В марте того же года при ветре всего в два балла, на небольшой зыби, при скорости 14 узлов переломился танкер «Эссо Манхеттен» водоизмещением 10 344 тонны.
В начале зимы 1960 года на Карагандинском металлургическом заводе обрушился пролет недавно построенной транспортной галереи. В августе 1964 года рухнуло одно из самых высоких сооружений в мире — 400-метровая антенная мачта станции «Лоран» на юго-западном побережье Гренландии...
Нет, дело здесь не в дефектах строительства. А в чем же? Почему инженеры, вооруженные всеми достижениями современной науки, не могут точно рассчитать прочность сооружений? Оказывается, это не так просто.
Прочность — главное достоинство металлов. Бронзовый век пришел на смену каменному потому, что бронза прочнее камня. Сталь победила бронзу, ибо она оказалась еще прочнее. Сегодня из тонны металла можно изготовить гораздо больше изделий, чем пятьдесят лет назад, так как прочность металлов удалось значительно повысить.
Автомобилем сегодня никого не удивишь. Но современные автомашины воистину достойны удивления. В машине, прошедшей без ремонта 50 тысяч километров — а это не такая уж редкость — коленчатый вал, например, сделал более 100 миллионов оборотов! Причем при работе мотора он испытывал более 7000 ударов поршня каждую минуту. Вал электрической машины вращается со скоростью 10—15 тысяч оборотов в минуту, а есть турбины, делающие в минуту даже 20 тысяч оборотов. Представляете, какой прочностью они должны обладать? Но технике космического века и такой прочности, о которой еще недавно инженеры только мечтали, уже недостаточно».
Так начинается очень интересная книга Е. М. Савицкого и В. С. Клячко «Металлы космической эры». А главу, откуда взята выдержка, авторы назвали «Ключ к прочности».
Но почему книга о металлах начинается именно с прочности? Да потому, что вся история металлургии — это борьба за прочность. Любое улучшение качества металла — это повышение его прочности. Так неужели в течение всей своей восьмитысячелетней истории металлургия так и не сумела снабдить промышленность действительно прочными материалами? На это можно ответить так: и да и нет. На каждом этапе своей истории металлургия давала обществу те материалы, которые требовались. И в то же время всегда существовали требования на еще более прочный материал, который металлургия пока не могла получить. А когда наконец получала, то промышленность выдвигала новые, еще более жесткие требования. И опять начиналась «погоня за совершенством». Потребности всегда опережали возможности. Так было, так есть сегодня и так будет всегда, ибо в этом и заключается технический прогресс.
Разумеется, нам, привыкшим к всемогуществу науки, трудно поверить, чтобы в эру научно-технической революции промышленность не могла получить тех материалов, которые ей требуются. Уж каких только, кажется, совершенных металлов не научились сейчас выплавлять металлурги. Но... вот примеры из современности.
Сотрясая воздух страшным ревом, выбрасывая длинные языки пламени, отрывается от земли огромная ракета, унося в космос корабль со смельчаками, прокладывающими новые пути человечеству. Огромна мощь ее двигателей, каждый из которых во много раз сильнее двигателей самого большого океанского лайнера. Но... оказывается, двигатели работают чуть ли не вполсилы. Их приходится искусственно «сдерживать».
Реактивный двигатель тем мощнее, чем выше температура в его камере сгорания. Но, значит, сама камера сгорания должна быть сделана из таких материалов, которые длительное время могут выдерживать огромные давления газов при высоких температурах — две тысячи градусов и выше. А такие материалы пока не созданы. Правда, самые лучшие из имеющихся сейчас жароупорных сплавов выдерживают и гораздо большую температуру... если их просто нагревать. Но когда к высокой температуре «присоединяется» и высокое давление, эти сплавы расплавляются, как масло на раскаленной сковородке. Вот и приходится температуру в камере сгорания космической ракеты искусственно понижать и тем самым уменьшать мощность.
Кто побывал на заводах тяжелого машиностроения, тот видел, как изготавливаются детали длиной в три-четыре десятка метров. Если поставить их стоймя, они превышают высоту 12-этажного дома. В диаметре эти детали имеют два-три метра и весят сотни тонн. Несведущие люди восхищаются: какая мощь, какая сила! А вот у специалистов эти махины вызывают печальные мысли. Ибо не сила это, а слабость нашей металлургии, которая пока не сумела изготовить достаточно прочные материалы. И приходится недостаток прочности восполнять за счет массы.
Из таких деталей делают океанские лайнеры и железнодорожные мосты, гигантские прессы, исполинские турбины. Если эти машины и сооружения разрушаются во время работы, это грозит не только колоссальными убытками, но и человеческими жертвами. Вот для того, чтобы этого не случилось, таким гигантам придают десяти-, а то и двадцатикратный запас прочности. Это значит, что если мост рассчитан на одновременное количество пассажиров и автомашин общим весом в сто тонн, то его строят так, чтобы он выдерживал одну-две тысячи тонн. (Впрочем, как мы убедились, мосты все равно обрушиваются.)
А ведь запас прочности — это очень невыгодно. Все детали делаются толще, массивнее. На них уходит много «лишнего» металла. Но это еще не все. «Лишний» металл увеличивает собственный вес моста, лайнера, турбины и т. п. Еще не нагруженный, мост уже стал тяжелее. Приходится еще больше увеличивать его прочность, а вместе с ней и массивность. И эта проблема существовала во все века. Поэтому машиностроители и требуют все время от металлургов: повышайте прочность металла! Чем прочнее металл, тем меньше его идет на детали, тем изделие будет легче и дешевле.
Но пора наконец разобраться, что же это такое — прочность.
К сожалению, однозначного ответа на этот вопрос не существует. Прочность бывает разная. Если деталь в процессе работы изгибается, как автомобильная рессора, то она должна обладать прочностью на изгиб. Кузнечная наковальня, по которой все время бьют, должна сопротивляться разрушению от ударов. От подшипника, в котором вращается вал агрегата, требуется прочность на износ, а от самого вала — прочность на скручивание. Металл, из которого сделана камера сгорания ракеты, должен, как мы уже говорили, выдерживать высокие температуры под нагрузкой, то есть обладать жаропрочностью. Металл, идущий на изготовление химического оборудования, не должен разрушаться под действием кислот и щелочей. Кроме того, все стальные изделия должны сопротивляться ржавлению, или, как говорят ученые, коррозии (от латинского слова «коррозио» — разъедание).
Этот перечень можно было бы продолжить, но и так ясно, насколько многолико понятие о прочности. От каких же причин зависит прочность металла? Причины эти известны уже давно. «Весь процесс обработки металла определяется только кристаллами, из которых сложен металл»,— писал Д. К. Чернов. В кристаллах и разгадка прочности.
Мы знаем, что все вещества состоят из атомов. Однако в подавляющем большинстве веществ атомы располагаются не в произвольном, а в очень строгом порядке — так, чтобы находиться возможно ближе друг к другу. Но не вплотную, этому мешают межатомные силы отталкивания.
Попробуйте произвести такой опыт: возьмите восемь шариков от настольного тенниса и расположите их так, чтобы они занимали как можно меньший объем. Очень скоро вы убедитесь, что для этого надо из шариков сложить правильную геометрическую фигуру — куб. Правда, этот опыт несовершенен: при большем количестве шариков возможны и другие, более плотные их «упаковки». Они тоже представляют правильные объемные геометрические фигуры, но более сложной формы. Несовершенство нашего опыта еще и в том, что сложенные шарики не держатся, рассыпаются. Они ведь практически не притягиваются друг к другу. А вот атомы притягиваются. Но только до определенного расстояния. Если сблизить их еще больше — они начинают отталкиваться. В результате атомы размещаются так, чтобы силы притягивания и отталкивания уравновесились. При этом в каждом веществе атомы образуют свою, присущую только этому веществу объемную геометрическую фигуру. Если мы нарисуем, как располагаются, скажем, несколько атомов железа, и соединим их воображаемыми линиями, то получим некую объемную клетку. Это так называемая кристаллическая решетка, или элементарная ячейка. В ее узлах и находятся атомы. Эта решетка изображена на рисунке.
Вот из таких элементарных ячеек и состоят кристаллы. Если сравнить кристалл со зданием, то ячейка — один кирпич. Каждый кристалл, сложенный из ячеек, представляет собой как бы зернышко. Когда расплавленный металл застывает, то кристаллизация начинается с образования таких зернышек. Сцепляясь друг с другом, они и образуют структуру металла. Но беда в том, что затвердевание металла начинается одновременно во многих местах и зернышки растут в разных направлениях. Представьте себе дом, в котором кирпичи сложены как попало: правильными квадратами, веерами, зигзагами... Недолго простоит такое сооружение. Нечто подобное происходит и при затвердевании жидкого металла. Кристаллические решетки в зернышках оказываются повернутыми друг к другу под разными углами. А это не обеспечивает достаточно прочной связи между ними. Вернемся еще раз к нашему дому из кирпичей, положенных кое-как. В пустоты между кирпичами обязательно будет забиваться грязь, пыль, попадать вода. И все это будет постепенно разрушать кирпичи, ослаблять их сцепление друг с другом. А в металле на границах зерен обычно скапливаются различные посторонние примеси и газовые пустоты. Все это еще более ослабляет связь зерен друг с другом. Вот почему плохо очищенный металл легко "разрушается под нагрузкой.
Уже несколько тысяч лет металлурги знают, как важно не допускать посторонние примеси в металл. Но только в наше время, после работ Чернова и других ученых, стало ясно, насколько же сильно посторонние примеси ухудшают свойства металлов. Например, никель в чистом виде очень пластичный материал. Но достаточно к нему подмешать 0,005 процента серы, чтобы никель сделался хрупким. Так же и железо. В химически чистом виде оно пластично даже при температуре жидкого гелия — 269°С. Однако достаточно примеси 0,0001 процента водорода, чтобы железо стало хрупким даже при плюсовой температуре! Ничтожные примеси углерода делают хрупкими вольфрам и молибден. А свойства германиевого полупроводника изменяются даже тогда, когда имеется хотя бы один атом примеси на миллиард атомов германия!
В начале 30-х годов нашего столетия ученые задумались: а какова должна быть прочность абсолютно чистого металла? Это был отнюдь не теоретический интерес. Как известно, абсолютно чистый металл создать невозможно: какое-то количество примесей всегда будет. Но если знать, какую прочность должен был бы иметь абсолютно чистый металл, то можно заранее вычислить прочность металла с той или иной степенью загрязнения. А это неоценимо для практики: в зависимости от назначения изделия можно заранее рассчитать технологию изготовления металла с максимально допустимым количеством посторонних примесей. Иными словами, всегда можно изготовить металл самым экономичным способом.
Ученые высчитали эту теоретическую прочность и были поражены: она оказалась выше реальной не в несколько раз, как ожидали, а в сотни и даже в некоторых случаях в тысячу раз! Но такую разницу никак не объяснишь наличием примесей. Причина оказалась в самой кристаллической решетке. Вернее, в условиях роста кристаллов при затвердевании металла. Оказывается, атомы, из которых строится кристаллическая решетка, имеют довольно своенравный характер. Они вовсе не хотят укладываться так, как им положено по теории. Пока выстраивается сотый, тысячный, десятитысячный атом, в кристаллической решетке еще соблюдается порядок. Но вот, начиная с какого-то пятнадцати- или двадцатитысячного атома появляются сначала незначительные, а потом все более ощутимые отклонения. То какой-то «неорганизованный» атом влез не на свое место, то там, где должен быть атом, нет ничего, то одна правильно построенная часть кристалла соединилась с другой правильно построенной частью чуть-чуть неровно, с перекосом. Один перекос или отклонение — еще ничего. Однако атомов невообразимое множество, а следовательно, возникает множество отклонений и перекосов, которые в конце концов приводят к очень значительным искажениям кристаллической решетки. К тому же и те атомы, которые встали точно на свои места, не остаются неподвижными. Они колеблются, и тем сильнее, чем выше температура. И некоторые из них приобретают настолько большую энергию, что отрываются от своих мест и начинают странствовать внутри кристаллической решетки, внося сумятицу среди остальных атомов. А иные «непоседы» вообще испаряются с поверхности металла в окружающее пространство, и на их месте остаются просто дырки, как говорят металловеды.
Но как узнали, что именно искажения кристаллической решетки влияют на прочность? Ведь для того, чтобы доказать это, надо все-таки иметь металл с идеальной кристаллической решеткой и измерить его прочность. А разве можно создать такой металл? Нет, такой идеальный металл создать невозможно, но... внезапно оказалось, что можно создать идеальный кристалл.
...Третий день моросил нудный, выматывающий душу дождь. Оконные стекла покрылись вертикальными полосами, столь частыми, что почти не было видно, что происходит на улице. Впрочем, и смотреть-то было не на что — мокрая мостовая, мокрые шляпы прохожих, мокрые крыши автомобилей. И тем не менее молодой американский физик Кобб сидел на подоконнике и смотрел на улицу. Смотрел только затем, чтобы не видеть уже порядком надоевшее лабораторное оборудование, которое, казалось, взывало к нему с немым укором.
Шла вторая мировая война. Советская Армия один на один боролась с гитлеровскими войсками, а союзники — американцы и англичане — не торопились с открытием второго фронта. Они предпочитали отделываться поставками военной техники. Время от времени караваны судов пересекали океан, направляясь к советским берегам. Их подстерегали немецкие подводные лодки. Очень важно было своевременно эти лодки обнаруживать и быстро оповещать все суда. Для этого все оборудование связи должно было работать исключительно четко и слаженно. Но с ним происходили совершенно непонятные вещи. Электронная аппаратура, конденсаторы, морские кабели связи выходили из строя без всяких видимых причин. Несколько ученых начали заниматься этой проблемой, и среди них Кобб. И ни у кого ничего не получалось.
Ученый встал с подоконника, прошелся по лаборатории, раздраженно пнул ногой валявшийся на полу кусок кабеля. Снова вернулся к окну. Но ведь должна же быть какая-то причина! Очередная капля упала на стекло, прочертив прямой короткий след. И в этот момент по какой-то необъяснимой ассоциации физик вспомнил, что все вышедшие из строя конструкции были покрыты кадмием или оловом, а исследования под микроскопом показали, что кадмий и олово часто образовывали мельчайшие нитевидные кристаллы. Так, может быть, в них причина?
Это казалось абсурдом, но тем не менее подтвердилось. Причиной аварий оказались именно эти кристаллики олова и кадмия, различимые только под микроскопом. Несмотря на столь малые размеры, они пробивали изоляцию проводов, соединяясь друг с другом, создавали короткие замыкания, нарушали настройку приборов. Впрочем, скоро эти крошечные кристаллики выросли. Вернее, их вырастили искусственно. Для устранения причин аварий пришлось исследовать условия роста и изучить свойства этих нитевидных кристалликов, оказавшихся такими коварными. За свой внешний вид они получили название «усов».
Каково же было удивление ученых, когда оказалось, что «усы» являются теми самыми идеальными кристаллами, которые до этого тщетно старались получить всякими хитроумными способами, да и то в их существование верили только самые неисправимые оптимисты!
Более того, оказалось, что «усы» известны уже свыше 200 лет. Они сами собой вырастали во время многих химических опытов, т
