Сера доставляет много забот сталеварам. Она не окисляется до SO2,как можно было бы ожидать а образует сульфид железа FeS, который имеетту особенность, что растворяется в жидком железе и не растворяется - втвердом. Поэтому сульфид железа выделяется на границах зерен при охлаждениистали и ослабляет сталь (см. главу 3). Добавка марганца превращает FeSв MnS, который нерастворим в жидкой стали и поэтому переходит в шлак. Марганецснижает 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 вдокладе "О производстве ковкого железа и стали без топлива". Энтузиазмаудитории и авторитет Бессемера были таковы, что немедленно было собранопо подписке в счет патентного вознаграждения 27 тысяч фунтов стерлингов,после чего участники собрания разъехались по домам и принялись за устройствосвоих конвертеров.
Но случилось так, что никто из них не смог получить сколько-нибудь удовлетворительнойстали: бессемеровский процесс был очень чувствительным к сорту чугуна и,кроме того, требовал некоторых навыков. Не удивительно, что репутация Бессемеразначительно пострадала. Тогда он построил полноразмерную действующую модельсвоего конвертера у себя в лаборатории на Сент-Панкрас и стал демонстрироватьпроцесс сталеварения тем, кто купил у него лицензии. Но при этом он нестолько стремился "обменяться опытом", сколько старался показать некомпетентностьслушателей и зрителей. Поэтому антпбессемеровские настроения росли, и новыйспособ получения стали никто не хотел внедрять. В конце концов в 1850 годуБессемер построил собственный сталелитейный завод в Шеффилде, его стальпользовалась большим спросом. Особенно покупали ее французское и прусскоеправительства для производства пушек. Явный успех бессемеровской стализаставил металлургов всего мира покупать у него лицензии.
Часть доходов Бессемера пошла на строительство парохода "Бессемер",который должен был курсировать через Ламанш. Его большой роскошный салонпервого класса был подвешен, подобно конвертеру, на цапфах. Предполагалось,что он будет всегда сохранять одно и то же положение относительно уровняморя. Бороться с морской болезнью пассажирам должен был помогать свежийвоздух, в изобилии подававшийся в салон с помощью прихотливой системы труб,заделанных в пол. Однако на практике оказалось, что даже при весьма спокойномморе салон раскачивался совершенно угрожающе. Едва судно вышло в свой первыйрейс, как раздались истошные крики пассажиров. Салон "Бессемера" сохранилсяи до наших дней, но в качестве… оранжереи в каком-то саду неподалекуот Дувра.
В настоящее время сталь, полученная прямым бессемеровским путем, составляетлишь около 10% общего производства стали, но непрерывно развиваются модернизированныеи более сложные варианты бессемеровского процесса. В процессе Калдо, например,конвертер продувается не воздухом, а кислородом; добавочное тепло, получающеесяпри этом, используется как для плавки флюса, изгоняющего из стали серу,так и для переплавки лома. Однако большой износ огнеупоров и стоимостькислорода 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 стольже дешевым стал и стальной лом. Наличие лома оказало важное влияние навсю экономику сталеварения. Это и понятно, ведь в настоящее время околополовины выплавляемой стали возвращается на металлургический завод в виделома. Бессемеровский процесс, однако, в своей традиционной форме в основномперерабатывает в сталь доменный чугун. В нем используются лишь небольшиеколичества 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 углеродаи других примесей. Кроме того, он содержит полезную в данном случае ржавчину.А бессемеровский конвертер не мог перерабатывать много лома, так как этопотребовало 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 духомпредприимчивости, разработали регенеративную печь. В этой печи вход и выходпопеременно меняются ролями, они имеют форму извилистого лабиринта и насадкииз огнеупорного кирпича. Дым из печи проходит по одной из насадок, отдаваякирпичу значительную часть своего тепла. Благодаря тому что газ подаетсяв печь поочередно то через одну, то через другую насадку, он всегда проходитмежду нагретыми кирпичами, забирая с собою в печь часть тепла отработанныхгазов. Обычно эти печи топятся газом, и их конструкция позволяет поднятьрабочую температуру до того предела, который может выдержать огнеупор.На практике она оказывается несколько выше 1500° C, что достаточно для плавкичистого железа.
Вначале использование печи Симменсов в сталеварении рассматривалосьлишь как удобный и экономичный способ плавки тигельной стали. Но позжеСимменсы применили регенеративный принцип к традиционному методу пудлингованияи получали сталь, расплавляя чугун с железной рудой. В 1864 году Пьер Мартенпредложил вводить в состав шихты большое количество лома.
Мартеновская печь загружается примерно равными количествами стальноголома и чугуна, некоторым количеством железной руды (например, Fe2O3)и флюса (обычно известняка). При нагревании все расплавляется, и железнаяруда удаляет содержащийся в чугуне углерод. Флюс переводит в шлак не тольконежелезные окислы руды, но также и содержащуюся в стали серу. Поэтому добавкамарганца может оказаться ненужной. Одним из преимуществ мартеновского способаявляется возможность точнее следить за составом стали. В настоящее времяв мартеновских печах получают около 85% рядовых углеродистых сталей.
Для еще более точного управления составом и чистотой стали применяютэлектрические печи. В таких печах выплавляется сравнительно небольшое количествоочень важных высококачественных сталей.
Глава 10
Материалы будущего, или как ошибаться в догадках
Мы не должны принимать вещи, даже на первый взглядсамые простые, как нечто ниспосланное свыше. Мы должны учиться, пониматьприроду, и не только для того, чтобы созерцать и терпеть то, чем она давитна нас. Глупость из невинного порока отдельных индивидуумов становитсясоциальным злом.
New Scientist. 5.I.1967
Джон Бернал
Наука о материалах - изучение материала как целого, а не отдельных егофизических, химических и технических свойств - довольно молода. Она прочностала на ноги лишь совсем недавно. Но, несмотря на молодость, новая наукадостигла известных успехов, и, я думаю, будет справедливым сказать, чтосегодня мы значительно лучше, чем всего лишь несколько лет назад, понимаеммеханическое поведение твердых тел. Быть может, это произошло потому, чтомы 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 объяснитьи подтвердить другое - для этого потребовалось не так уж много новых экспериментови свежих идей, стоило лишь достаточному числу людей серьезно заняться проблемой.Как это часто бывает, главная трудность состояла в том, чтобы осознатьсамо существование проблемы.
Естественно, первым делом нужно было понять наблюдаемые явления - почемутвердые тела вообще и широко используемые материалы в частности имеют теили иные свойства. Можно сказать, что с этим вопросом сейчас в основномпокончено, хотя довольно много белых пятен все еще остается. Проблема,которая теперь возникла перед материаловедами, заключается в том, как использоватьэти знания. Возможности здесь не беспредельны. Результаты предыдущих исследованийкак раз и убеждают нас в том, что значительная часть наших желаний простоневыполнима. Те же исследования показали, что некоторые пути улучшенийбыли уже не только нащупаны, но и почти исчерпаны чисто эмпирическими методамиеще до того, как они раскрылись перед учеными. Некоторые наши познаниягодны лишь на то, чтобы подсказать инженерам, чего они должны избегать- например, какого рода концентрация напряжений опасна.
Однако пытливые исследователи стремятся найти в материаловедении какие-нибудьрадикальные пути - существенно изменить старые или изобрести новые и, бытьможет, лучшие материалы. Положение дел в сегодняшней науке таково, чтосделать выбор среди множества возможных направлений работ очень нелегко.Как мы увидим, такой выбор рано или поздно может вызвать далеко идущиепоследствия 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 центральнымв современной науке о материалах. Технические проблемы, о которых мы поведемразговор, сами по себе очень трудны, но вопрос о целенаправленных измененияхматериалов нельзя считать чисто техническим. Если мы интересуемся, а ядумаю, мы должны интересоваться, возможностями получения новых или изменениястарых материалов, мы должны учитывать социальные и экономические аспектыих производства. В конце концов техника призвана всего лишь обслуживатьсоциальные и экономические потребности. О доминирующей роли материаловв обществе говорят названия исторических эпох - "каменный век", "бронзовыйвек" и т.д.
Чрезвычайно сложные переплетения технического, социального и экономическогоаспектов еще более затрудняют всю проблему в целом. Правда, предпринимательтвердо знает, что ему нужно: ему нужны дешевые материалы. Материаловедызначительную часть усилий вынуждены направлять на то, чтобы снизить стоимостьпроизводства материалов. Конечно, есть неоправданно дорогие материалы,их можно и должно делать подешевле. Однако это мое личное мнение, я недумаю, что то же самое справедливо для таких ходовых конструкционных материалов,как, например, сталь. Сталь сейчас очень дешева, и оставшиеся для нее резервыэкономии, которые могут быть реализованы в будущем, не оправдывают затрачиваемыхсегодня громадных научных усилий, особенно при нынешнем дефиците научно-техническихкадров.
Если даже большое снижение стоимости конструкционных материалов былобы технически достижимым в недалеком будущем, то кто бы от этого выиграл?Прежде всего в большинстве изделий стоимость материала составляет малуюдолю стоимости готового изделия. Поэтому, даже если бы материал стал бесплатным,выигрыш потребителя по сравнению с другими изменениями, которые могли бывслед за. этим последовать, оказался бы невелик.
Далее, сама дешевизна материала в действительности может иметь отрицательноевлияние и на проект, и на характеристики готового изделия. Когда материалчересчур дешев, у конструктора нет стимула его экономить, а это может повлечьза собой не только утяжеление конструкций (которые, например, из-за этогобудут впустую тратить горючее, повреждать дороги и т.п.), но и снижениепрофессионального уровня инженеров. Часто причиной плохого, тяжелого, неуклюжегопроекта служит стремление снизить стоимость обработки, но, думается, поройэто связано еще и с желанием конструктора уберечь себя от лишних размышлений.Экономисты утверждают, что существует оптимальное соотношение между стоимостьюземли и труда, которое стимулирует развитие, и мне представляется, чтоте же соображения применимы к ценам на материалы.
Есть и еще одна важная сторона вопроса о ценах. Стоимость различныхпроцессов обработки, материала часто во много раз выше стоимости исходногоматериала, но конечно же, стоимость обработки зависит не от цены, а отхарактеристик материала. Например, дешевле будет купить пластик по 8 шиллинговза килограмм и затем затратить еще 2 шиллинга на формовку его для полученияконечного продукта, чем покупать сталь по 1 шиллингу за килограмм и тратитьпотом 25 шиллингов на штамповку, механическую обработку и доводку изделия.В этом корень коммерческого успеха пластиков, которые всегда были относительнодорогим исходным материалом.
Новые материалы должны обеспечить экономию именно на процессах обработки,производства и доводки готовых изделии.
С внедрением пластмасс наметилась четкая тенденция к уменьшению сложностии стоимости изготовления изделии. Большинство легко формуемых пластмассдовольно непрочны и нежестки, но принципы их обработки, очевидно, могутбыть распространены на более прочные и жесткие вещества. Многие дешевыепроцессы формовки в настоящее время требуют значительных затрат на станкип штампы, но опять-таки я не уверен, что такое положение дел сохранитсянавсегда.
Можно дать лишь некоторые очень общие наметки того большого влияния,которое могут оказать принципиальные изменения материалов на общественнуюжизнь. Следствия здесь столь сложны, что были бы слишком опасными попыткивыступить в роли пророка, предсказывающего в деталях возможный ход событий.Но я убежден, что мы должны быть достаточно мудры, чтобы не отвергать слегкостью возможность новой технической революции.
Моя работа отчасти связана с тем, чтобы выяснить, чего же на самом делехотят (или думают, что хотят) люди от новых материалов. Меня угнетают здесьуж очень малые запросы в отношении долговечности материалов. Считается,что, если машины будут служить бесконечно долго, это может привести к техническойи экономической закостенелости. Но я не думаю, что, если так называемаяпотребительская долговечность изделий будет продолжена, все будут роптать(исключая коммерсантов). В конце концов 20%-ное увеличение срока службыизделия более или менее эквивалентно 20%-ному повышению производительности.
Не сомневаюсь, сколько приложений имеют материалы, столько существуети определений "лучшего" материала. В то же время, если спросить несколькихконструкторов одного и того же изделия, какое именно качество используемогоматериала не позволяет им проектировать и делать лучшие изделия, ответыбудут самыми разными, часто противоречивыми. Один и тот же конструкторчерез неделю может дать уже совсем другой ответ. Видимо, эти диалоги неподнимутся до уровня сократовых.
Все это на первый взгляд кажется удивительным, но, я думаю, найдет объяснениепримерно в следующем. Вопреки обычным представлениям не материал выбираетсядля изделия, а скорее наоборот - изделие проектируется в расчете на материал.Следовательно, любое существенное изменение материала может повлечь полноепереосмысливание изделия. В этом и кроется возможное объяснение того, вчем заключаются трудности конструктора, полагающегося только на интуицию.Основываясь на собственном опыте проектирования, я думаю, что обычно приходитсявыбирать какой-то удобный материал, а затем конструировать изделие с учетомего качеств и возможностей, которые он предоставляет. Свойства материалав значительной степени видятся как нечто неделимо связанное, и мысли обизменении отдельных этих свойств даже не возникает.
Так или иначе, но конструктор почти не направляет материаловеда в егоработе. Больше того, даже подсказки конструктора материаловед обычно игнорирует.Я думаю, что причина здесь в том, что инженеру трудно оценить, сколь сложнаразработка совершенно нового материала. Ведь она требует по крайней мерепятилетнего труда и стоит больших средств. К тому времени, как материаловедчто-то сделает, вполне возможно, что инженер уже многое передумает. Следовательно,обычно материаловед должен подходить к разработке нового материала, полагаясьлишь на собственные познания и опыт.
Однако картина в целом не так уж беспросветна. Прежде всего область примененияновых материалов ограничена их высокой первоначальной ценой и высокойстоимостью исследований. Позволить себе роскошь использовать такие материалыобычно могут лишь те, кто делает изделия для военных целей иавиации.
Стоимость разработки экзотических материалов может быть очень высокой,но порой такие материалы могут сберечь не только большие средства, но ижизни. И потом- вспомним историю. Сталь была получена как дорогой материалдля мечей; алюминий пошел в ход для кавалерийских касок, когда килограммего стоил 150 фунтов стерлингов; полиэтилен был разработан как дорогойматериал для использования в локаторах.
Потенциальное воздействие новых, необычных для сегодняшнего времениматериалов иллюстрируется некоторыми цифрами, приведенными ниже (табл. 1). Этицифры показывают изменение веса самолета и полезной нагрузки свнедрением новых материалов, появление которых можно предвидеть. Они относятсяк дозвуковым самолетам трансатлантических линий. Следовательно, полезнаянагрузка 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, поэтомуоно является сегодня целью многих материаловедческих исследований. Какимже путем можно достичь нужных результатов? Какого сорта материалы необходимы?
Практически мы не в силах сколько-нибудь заметно повлиять на свойстваприродной древесины. Но, может быть, мы способны изменить свойства металла,например алюминия, или заменить его другим металлом, получше? На первыйвзгляд кажется, что стоит лишь увеличить прочность нашего металла - и всепроблемы решены: ведь в конце концов самолеты проектируются так, чтобызапасы прочности были бы по возможности меньше, лишь бы обеспечить надежность.Следовательно, если бы материалы были прочнее, части самолета можно былобы делать более тонкими, а потому и более легкими. До известной степениэто верно, но только до известной степени.
Следует помнить, что, хотя мы и можем значительно изменять прочностьи вязкость твердых тел, их жесткость не поддается нашему контролю. МодульЮнга зависит исключительно от химической природы твердого тела, и как сданным веществом ни возись, модуль упругости его не изменить. Если намнужен другой модуль, мы должны взять другое вещество. Следовательно, еслимы увеличиваем прочность какого-либо тела, например металла, то делаемэто путем увеличения предельной упругой деформации. Поэтому, чтобы использоватьболее высокую прочность, мы должны работать при больших деформациях. Этоозначает, что перемещения в конструкции возрастут, и, если мы резко повысимнапряжения с целью экономии веса, мы получим намного большие перемещения.Последствия такого рода усовершенствований видны на рис. 5; ясно, что такиеформы крыла недопустимы.
Многие элементы конструкции самолета находятся в состоянии сжатия. Более того,сжатые элементы обычно имеют вид стержней и пластинок, тонких в сравнении с ихдлиною. А как уже говорилось в главе 1, элементы такого рода теряют несущуюспособность не потому, что они разлетаются на куски, а вследствие упругоговыпучивания, связанного не с недостатком прочности, а с пониженной жесткостью.Это явление называется эйлеровой потерей устойчивости.