Текст книги "Почему мы не проваливаемся сквозь пол"
Автор книги: Джеймс Эдвард Гордон
сообщить о нарушении
Текущая страница: 16 (всего у книги 20 страниц)
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[46]. 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[47]. 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[48].
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.
(обратно)
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[49]. 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[50].
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.
(обратно)
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.
(обратно)
