Следовательно, весьма приближенно все металлы можно считать членамиодного семейства с очень схожими удельными жесткостями, удельными прочностямни удлинениями. Конечно, это очень грубое обобщение, и уж совсем не такстоит вопрос для металловедов, которые упорно продолжают предприниматьпопытки получить лучшие комбинации удельной прочности и вязкости (с удельнойжесткостью ничего не поделаешь), хотя возможности их здесь довольно ограниченны.Металловеды достигли успехов в попытках сохранить прочность с повышениемтемпературы. Во многих случаях это важнее, чем повышение прочности прикомнатной температуре.
Нет нужды описывать здесь специальные металлургические процессы и различныевиды обработки всех металлов и сплавов. На эту тему написано множествокниг. Однако огромная социальная и техническая значимость железа и стализаставляет рассказать о них немного подробнее. Приступая к делу, я слишкомхорошо отдаю себе отчет в размерах и трудностях этого предмета. Возможноперед началом я должен принести какую-то жертву Гефесту, кузнецу и оружейникуОлимпа, 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, дислокационныеявления оказались понятными лишь совсем недавно. Да что там дислокации,даже сравнительно простая химия процесса получения железа из руды былаосознана к концу периода промышленной революции. Однако практическая металлургияжелеза была разработана и без этого, и сейчас она во многом остается традиционнымпроцессом. Подобно тому как текстильное дело с его прядением и ткачествомуходит в доисторические времена, а вклад современных фабрик сводится кмеханизации и рационализации простых ручных операций, так и производствостали основано сейчас на усложненных схемах, которые сами по себе существуютс незапамятных времен. Именно поэтому процессы черной металлургии лучшевсего понимаются на историческом фоне.
Величайшая трудность древних металлургов (исключая, конечно, их научноеневежество) была связана с получением достаточно высокой температуры впечи. Современное металлургическое оборудование дает в руки металлургавысокую и регулируемую температуру. Это сокращает время получения металлови сплавов, так как позволяет объединять в один процесс несколько операций.Естественно, сейчас и масштабы другие. Современная печь может дать тысячутонн стали в день, тогда как средневековый мастер был бы доволен, получивкилограммов пятьдесят металла.
Не в пример бронзе, которая может плавиться при 900-1000° C, что как разобеспечивают обыкновенные дрова, чистое железо плавится при 1535° C, а этатемпература веками лежала за пределами технических возможностей. Однако ужедовольно малые добавки углерода значительно понижают температуру плавленияжелеза, а углерод всегда под рукой - ведь для нагрева руды использовали вкачестве топлива древесный уголь. Самая низкая температура плавления,достижимая на этом пути, - около 1150° C, она получается, когда 4-4,5% углеродапродиффундировало (то есть просочилось) в металл. Достижение такойтемпературы представляло определенные трудности для древних, но все же ее можнобыло получить на древесном угле, поддувая в него воздух мехами.
Железные руды состоят в основном из окислов железа; чаще всего встречаетсякрасный железняк Fe2O3. Между прочим, окислы железа используются в красках(охра, железный сурик, мумия).
Первое, что необходимо сделать с рудой, - удалить кислород. Если нагреватьруду 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 (внем содержится 6,7% углерода). На практике вместе с первой идет и другаяреакция: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 целомоколо 4% углерода. Железо и карбид могут взаимно растворяться, и именноэтот раствор, имеющий низкую температуру плавления, был ключом того процесса,который использовали древние для получения железа. Он же идет и в современнойдомне.
Железные руды содержат не только окислы железа, но и различные минеральныепримеси - главным образом, окислы других металлов. Сами по себе они имеютвысокие температуры плавления, и если бы руда нагревалась в контакте тольколишь 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 данномслучае известь выполняет те же функции, что и в стекловарении, то естьона снижает температуру плавления нежелезных окислов, образуя вместе сними легкоплавкую стекломассу. Эта масса называется шлаком. На вид онагрязно-коричневого или серого цвета. По нынешним временам она иногда перерабатываетсяв шлаковату, используемую для теплоизоляции.
Таким образом, на дне печи получается смесь железа, карбида железа ишлака. В самых первых печах эта смесь проплавлялась неполностью, ее извлекалив виде тестообразного куска, слитка, содержащего древесный уголь и другиевключения. Включения эти составляли самостоятельную проблему, а, крометого, из карбида железа негоже было делать оружие и инструмент - карбидочень хрупок. Причина хрупкости карбида железа в том, что в отличие откристаллов почти чистого железа, построенных на металлической связи, котораяблагоприятствует движению дислокаций, он частично построен на ковалентныхсвязях, которые не обеспечивают заметной подвижности дислокаций вплотьдо температуры около 250° C. Поэтому в таком виде металл куется лишь в горячемсостоянии, при комнатной температуре он хрупок.
Такое железо и попадало в руки первых кузнецов. Нагревая это железодо 800-900° C, они ковали его с громадным трудом. Вначале труд был ручным,затем начали использовать силу воды ("кузнечные пруды"!). Ковка имела дваследствия. Во-первых, она механически выдавливала большинство включенийи часть шлака и снижала содержание углерода в железе. Второе следствиезаключалось в следующем. Железо, нагретое до умеренных температур на воздухе,образует окисную пленку, обычно FeO. Нагретое и расплющенное ударами молотажелезо кузнец сгибал вдвое и снова начинал по нему бить. Пленка окислапопадала между слоями горячего слитка, контакт между слитком и пленкойпод ударами молота становился практически идеальным, в результате чегоначиналась реакцияFe3C+FeO → 4Fe + СО.
Когда требовалось железо высшего качества, поочередное расплющиваниеи складывание вдвое повторялось многократно, порой тысячи раз. Вот почемуна мечах заметен изящный волнистый рисунок -это тонкие слои металла и следыударов молота. Если вся работа выполнялась надлежащим образом, то удалялсяпочти весь углерод. Такое кованое железо (его называют сварочным или ковочным)с небольшими примесями кремния, в целом полезными, содержало также прожилкишлака, тоже до некоторой степени полезные. Дело в том, что очищенное железобыло, вообще говоря, слишком мягким, и стекловидные волокна шлака несколькоограничивали его текучесть. Кроме того, сварочное железо обычно прекрасносопротивлялось коррозии. Частично это объясняется чистотой самого железа,но существует и другое объяснение. Многие полагают, что начальная пленкаржавчины удерживалась на поверхности с помощью шлаковых включений. Онане отлетала со временем и служила защитой от последующей коррозии.
Сварочное железо прямо с наковальни было слишком мягким, чтобы делатьиз него оружие и инструмент, поэтому его нужно было сделать потверже, увеличивсодержание 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, содержащуюв основном углерод, а также некоторые секретные приправы сомнительной эффективности.Все это нагревалось в течение такого времени, которое необходимо, чтобыуглерод проник на глубину 0,5-1,0 мм.
Поверхностное науглероживание резко повышает твердость, но еще лучшийрезультат дает последующая закалка быстрым охлаждением в жидкости. Механизмзакалки очень сложен. Коротко дело обстоит так. Горячая сталь состоит изаустенита, то есть из раствора углерода в такой модификации железа, котораянестабильна при комнатной температуре. Процесс распада аустенита с выделениемуглерода определяется особенностями охлаждения. При сравнительно медленномохлаждении получается перлит. Под микроскопом структура такой стали выглядитпереливчатой, отсюда и название - "перлит" значит жемчужный. Переливы даютчередующиеся полоски или слои чистого железа (феррит) и карбида железа(цементит). Сталь с такой регулярной структурой получается вязкой и довольнопрочной, 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 исключаетвозможность движения дислокаций, и кристалл получается крайне твердым.Обычно эустенит превращается в мартенсит с очень высокой скоростью (что-нибудьоколо 5 км/час), для получения большого количества мартенсита охлаждатьизделие 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 двапреимущества. Первое состоит в более быстром охлаждении металла. Когда горячийметалл попадает в воду, вокруг него образуется оболочка из пара, которая непозволяет жидкой воде касаться металла, что затрудняет передачу тепла. Если призакалке применяется моча, на поверхности металла при испарении воды образуетсяслой кристалликов. Это улучшает теплопередачу, поскольку паровая прослойкауменьшается. Более того, содержащиеся здесь соединения азота - мочевина иаммиак - разлагаются и азот проникает в железо, то есть происходит азотированиеповерхности, при этом образуются твердые игловидные кристаллы нитрида железаFe2N, 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. Всовременной практике азотирование проводят путем выдержки изделия в течениедвух-трех дней в мочевине или аммиаке. Столь продолжительная выдержка делаетэту обработку довольно дорогой, поэтому ее применяют только в случаях крайнейнеобходимости.
Интересно заметить, что весь металлургический процесс состоит из ряда стадий,каждая из которых заходит дальше, чем нужно, и на каждой последующей стадииполученные результаты корректируются. Так, сначала получают чугун, которыйсодержит слишком много углерода, а потому слишком тверд. Потом удаляютпочти весь углерод и обнаруживают, что железо стало слишком мягким, и поэтомуснова в него следует добавить углерод. Если мы хотим получить твердый инструментили оружие, то полученная сталь должна быть закалена быстрым охлаждениемв 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° Cи после этого охлаждается на воздухе. Отпуск делает сталь несколько мягче,в процессе отпуска часть мартенсита переходит в более мягкую и пластичнуюструктуру. С повышением температуры эффективность отпуска увеличивается.Между прочим, существует традиционный способ определения температуры отпускапо 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 углеродистыестали нельзя использовать при повышенных температурах, так как их свойствапри 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 векадо н. э. (времена Перикла) греки уже научились плавить железо и даже выливалиего из печи в изложницы. В античной Греции чугун уже был известен, но из-засвоей хрупкости использовался он ограниченно и значительной роли вэкономике не играл. В дело шло преимущественно сварочное железо.
С падением Римской империи упала и температура в печах и, по-видимому, вЗападной Европе чугун не делали вплоть до XIII века. Однако после изобретенияпороха положение изменилось. Правда, вначале стволы пушек ковали из сварочногожелеза и стягивали железными обручами подобно бочкам. Но росло умение, росли иобъемы печей. Пушки начали отливать. Первые литые стволы рвались почти так жечасто, как и стволы из кованых плит. Но литье обходилось намногодешевле. Традиционные сорта чугуна не только очень хрупки, носодержат еще малые прослойки, прожилки, углерода в форме графита, которыедействуют как внутренние трещины. В результате чугун был непрочен и ненадеженпри растяжении. Именно поэтому он был малоподходящим материалом для пушечныхстволов, ведь ствол работает как сосуд давления. Однако примерно до 1860 годачугун продолжал оставаться единственным недорогим материалом, так как цены налатунь и бронзу были, как правило, слишком высокими. Чугунные стволыприходилось делать очень толстыми, поэтому пушки были чрезвычайно тяжелы.Например, пушка, стрелявшая 32-фунтовыми ядрами (основное вооружениеанглийского корабля "Виктория", сражавшегося при Трафальгаре), весила около 4-5т. Таким образом, вес пушек составлял около 15% от водоизмещения боевогокорабля.
Было время, когда отливки получали непосредственно из домны. Сейчас этоне практикуется. Отчасти потому, что доменные печи стали намного больше,и разливать из них чугун в малые формочки было нерационально, а отчастипотому, что такой чугун обычно тверд, хрупок и непрочен. Сейчас почти весьчугун первоначально отливается в чушки. Часть этих чушек перерабатываетсяв сталь, часть переплавляется, при этом состав чугуна регулируют, чтобыполучить нужные свойства. В настоящее время ценой небольших ухищрений можнополучить достаточно вязкий чугун с довольно хорошей прочностью на разрыв.Ну а поскольку детали сложной формы, например, блоки цилиндров автомобильныхдвигателей) обычно дешевле получать путем отливки чугуна, чем штамповкойстали, 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 которогопостепенно скудели, научились использовать кокс. В Англии переход на коксбыл практически завершен примерно к 1780 году, в континентальной Европеэто произошло позже.
К концу XVIII века англичане могли сравнительно легко делать большиеотливки, длиною до 20 м, и транспортировать их по воде. По современныммеркам у этих отливок была довольно низкая прочность на растяжение, поэтомуих 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 нужнобыло вырезать из камня-заготовки, на что затрачивалось много ручного труда.Первые чугунные мосты делали из такой же формы литых полых элементов, которыеподгонялись один к другому, как и в каменной кладке.
Знаменитый Железный мост, переброшенный через реку Северн у Колбрукав 1779 году, был как раз примерно такого типа. Это было первое большоежелезное сооружение. Его пролет несколько больше 30, общая длина 60, авысота 15 м. На него ушло 378,5 т чугуна, строили его три месяца. Стоилмост 6000 фунтов стерлингов и даже по ценам 1799 года был намного дешевлетакого же моста из любого другого материала.