Текст книги "Металлы и человек"
Автор книги: Михаил Васильев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 30 страниц)
Михаил Васильев
МЕТАЛЛЫ И ЧЕЛОВЕК
Научный редактор
член-корреспондент АН СССР
И. Н. Плаксин
ВСТУПЛЕНИЕ
Советский народ строит коммунизм.
Страна охвачена пафосом созидания. Встают новые города, заводы, фабрики. Газеты сообщают о сооружаемых шахтах и рудниках, прокладываемых дорогах и газопроводах, пускаемых электростанциях и комбинатах. Это воплощаются в жизнь предначертания новой Программы Коммунистической партии Советского Союза. В точных, отчетливых, скупых формулировках партийного документа можно рассмотреть грандиозную картину – Советскую страну, какой она будет через двадцать лет, страну, вступившую в коммунизм.
Не менее чем в шесть раз увеличится за двадцать лет валовая продукция промышленности. Небывалый размах примет капитальное строительство, строительство жилых домов, предусмотрен бурный рост транспорта, связи. Нет буквально ни одной основной отрасли промышленности, которая не сделает в эти годы стремительного рывка вперед.
И везде решающим условием победы будет металл!
…Станкостроение. Сердцевиной индустрии называют его в народе. Партия будет всемерно форсировать производство автоматических линий, средств автоматики, электроники, точных приборов; бесчисленные умелые машины встанут в Цехах наших заводов за эти годы. Надо ли говорить, что развитие станкостроения невозможно без металла!
В новой Программе партии указано, что производство электроэнергии будет расти у нас такими темпами, которые опередят общий рост народного хозяйства. Уже к концу первого десятилетия, к 1970 году, выработка электроэнергии достигнет 900—1000 миллиардов киловатт-часов, а к 1980 году в нашей стране будет вырабатываться до 2700–3000 миллиардов киловатт-часов! Для этого будут построены многочисленные мощные электростанции; сотни тысяч километров высоковольтных, магистральных и распределительных сетей протянутся, образуя густую сеть во всех районах нашей страны. Будет создана Единая энергетическая система СССР, ветвями своими выходящая за границы нашей Родины, связанная с энергосистемами других социалистических стран.
Этот грандиозный план тоже потребует огромных количеств металла. И звонкой стали. И жаркой меди. И легкого алюминия.
А транспорт!.. Ведь будут стремительно развиваться все виды транспорта – от железнодорожного до воздушного, оснащенного реактивной техникой, и даже космического! Больше станет железных дорог, трубопроводов, морских и речных судов. И это все – тоже металл!
…Сельское хозяйство. И оно сегодня – важнейший потребитель металла.
За двадцать лет колхозы и совхозы страны должны получить бесчисленное количество машин. Ведь партия намечает организовать мощный подъем сельского хозяйства, приблизить его по технической вооруженности к уровню нашей промышленности. Сельскохозяйственный труд превратится в разновидность труда промышленного. И огромные количества металла будет потреблять оно, наше сельское хозяйство, совсем недавно располагавшее серпом, косой да – реже – железным лемехом плуга. Даже бороны и те в дореволюционной России были деревянными.
…Строительство. Огромные масштабы капитального строительства – жилых и промышленных зданий – потребуют быстрого развития строительной индустрии. Металла понадобится много, ибо сборный железобетон стал основой современной стройки.
Одним из фундаментов цивилизации назвал Владимир Ильич железо. Оно является и сегодня главным, основным металлом. Скупо приводит цифры Программа Коммунистической партии Советского Союза.
В ней названы лишь самые главные, и среди них – цифра выплавки стали. 250 млн. тонн стали намечается выплавить в 1980 году!
Трудно представить вещественно эту цифру. Ведь если отлить из этого металла колонну диаметром в 20 м, она поднимется в заоблачные дали ионосферы, на высоту 100 км, туда, где простирается область, принадлежащая спутникам.
Это – река металла! Ведь каждая минута 1980 года будет рождать у нас 475 тонн стали! Этого количества металла достаточно, чтобы изготовить более сотни тракторов. А выплавленного за сутки металла хватит для изготовления 150 тысяч тракторов. Помните, Владимир Ильич мечтал о 100 тысячах тракторов, чтобы русский крестьянин воочию мог убедиться в преимуществах коллективного механизированного сельского хозяйства?
Если всю эту сталь выпустить в виде рельсов, железную дорогу можно будет протянуть на расстояние в 2 млн. км. Она могла бы обвить земной шар по экватору 50 раз!
В 1913 году царская Россия давала лишь 6 процентов мирового производства металла. Только Испания из европейских государств стояла позади в списке стран, производящих черный металл. Сегодня мы занимаем второе место в мире. Ведь в 1960 году в нашей стране было выплавлено 65 млн. тонн стали. Только Соединенные Штаты Америки выплавляют пока больше нас. Но медленно растет там производство металла, а по временам вообще не растет, а падает. И нет сомнения, что уже в ближайшие годы Советская страна займет по производству металла первое место в мире.
Для этого у нас есть все возможности. Ведь наша Родина располагает 40 процентами разведанных железных руд мира; 38 млрд. тонн железных руд хранится в подземных кладовых природы на территории нашей страны. Это в 3,3 раза больше, чем запасы Англии, Франции и ФРГ, вместе взятых.
Есть и еще одна цифра, которую целесообразно напомнить для сравнения, В 1955 году весь капиталистический мир выплавил 202 млн. тонн стали. Это был высший достигнутый там уровень производства. Наша страна оставит в ходе грядущего двадцатилетия позади и эту цифру.
Вырастет в годы ближайшего двадцатилетия производство и других металлов. «Особенно ускорится производство легких, цветных и редких металлов, намного увеличится выпуск алюминия…» – записано в новой Программе нашей Коммунистической партии.
Борьба за металл в нашей стране – это борьба за построение материально-технической базы коммунизма, борьба за повышение жизненного уровня народа, борьба за безопасность Родины.
В этой борьбе принимает участие весь народ, ибо нет сейчас в нашей стране человека, который не имел бы дела с металлом.
Да, в первую очередь доменщики и сталевары, горняки и рабочие металлургических заводов дают стране металл. От их труда, их смекалки, их мастерства зависит выплавка стали мартеновскими печами и выход редкого металла иридия в сложнейшем процессе разделения самородной платины. Совершенствуя производство, повышая производительность труда, изобретая и рационализируя, они поднимают все круче вверх кривую производства металлов в нашей стране.
А рабочие машиностроительных заводов – разве их труд и изобретательность не могут сделать нашу Родину богаче металлом? Уменьшить потери в стружку, сократить допуск заготовки при ее кузнечной обработке – разве не больше металла пойдет в дело? Разве не получает страна за счет такой экономии лишние металлические изделия?
А разве шоферы и трактористы, электросварщики и линотиписты, представители буквально всех специальностей не могут принять участия во всенародной борьбе за металл? Лишние тысячи километров пробега автомашины, лишний сезон работы трактора, продление жизни станка, агрегата – это продление жизни металла. Сто тысяч километров – срок жизни автомобильного мотора до капитального ремонта. Если четыре водителя продлят его на 25 процентов каждый, это равноценно тому, что они выплавили металл, изготовили из него детали, собрали новый автомобильный мотор…
Я хочу, чтобы моя книга помогла в великой борьбе за металл.
I. «СВЕТЛЫЕ ТЕЛА, КОТОРЫЕ КОВАТЬ МОЖНО…»
Из глубокой древности пришла к нам эта легенда. Ей более трех тысяч лет.
Завершив сооружение великолепного иерусалимского храма, мудрый царь Соломон устроил пир, на который пригласил его строителей. Он решил оказать им высочайшие почести. Даже свой царский трон уступил он на этот пир лучшему из лучших, тому, кто особенно много сделал для сооружения храма.
Он сошел по покрытым пурпурным бархатом ступеням своего золотого, усыпанного драгоценными каменьями трона и скромно встал среди каменщиков и плотников, чеканщиков серебра и резцов по кости. И в этот же миг из толпы быстро вышел какой-то человек, поднялся по ступеням и сел на освободившееся почетное место. Гневно нахмурилось лицо великого царя.
– Кто ты и по какому праву занял это место? – грозно спросил он. Вместо ответа незнакомец властно протянул руку в сторону каменщиков и спросил их:
– Кто сделал ваши инструменты?
– Кузнец, – ответили те.
– А ваши? – Рука незнакомца протянулась к плотникам.
– Кузнец, – снова послышался ответ.
– А ваши?..
И все, к кому обращался этот странный человек, отвечали:
– Да, кузнецы выковали наши инструменты, которыми был построен храм.
И тогда он обратился к великому царю:
– Я кузнец. Разве не мне принадлежит право занимать это место, уступленное сегодня тобой тому, государь, кто больше всех сделал для сооружения храма?
Что ж, таков был, уровень производства металла не только в Древней Руси.
Так рассказывает старинная легенда. Ее глубокий смысл – в признании того, что основой основ являются металлы.
Но, может быть, это было справедливо тысячи лет назад и совершенно не соответствует действительности сегодняшнего дня?
Нет, и сегодня металлы – основной материал, с которым имеет дело человек.
Металлы – это и каркас высотного дома, и ажурная арка моста, соединившего берега великой реки, и обтекаемый корпус реактивного самолета, готового ко взлету, и узкое тело космической ракеты, ринувшейся на разведку соседней планеты. Металл – это фундамент современной цивилизации. И чем выше поднимается человечество по ступеням культуры, тем больше его нужда в металлах.
Всего полтораста лет назад, в начале XIX века, на каждого жителя нашей планеты добывалось в год меньше килограмма металлов. Мировая выплавка железа в 1800 году, например, не достигала и 500 тысяч тонн. Люди жили в невысоких деревянных или каменных домах, ездили в деревянных каретах и бричках, обрабатывали землю деревянными сохами, ткали на деревянных ткацких станках.
Минувшие полтора столетия были периодом невиданного расцвета науки, техники и промышленности. Рельсы железных дорог густой сетью оплели обитаемые материки. Еще более густая сеть повисла над ними в воздухе – провода энергетических передач, линий телеграфной и телефонной связи.
Овеянные романтикой опасных и дерзких плаваний, но тихоходные и небольшие деревянные суда уступили место стальным плавающим городам.
Автомобили, автобусы, троллейбусы вытеснили лошадей и мулов. В небо взлетели искусственные птицы, способные унести в стратосферу добрые полсотни тонн груза. Соху заменили многолемешные плуги, прицепленные к тракторам, в стальных цилиндрах которых покорно работают целые табуны лошадиных сил. Деревянные станки можно увидеть только в исторических музеях. Человек забросил на Луну своего первого разведчика и сам уже совершил первые космические полеты.
В земной коре, образуемой шестнадцатикилометровым слоем горных пород, содержится:
алюминия 1.370.000.000 млрд. тонн
железа 775.000.000 млрд. тонн
меди 2.000.000 млрд. тонн
золота 93,5 млрд. тонн
радия 55,5 млн. тонн
За все время своего существования человечество взяло из этой природной сокровищницы: только около 3 млрд. тонн железа.
И все это стало возможным благодаря тому, что производство металлов на каждого человека на Земле превысило полтораста килограммов, а общее количество металла, содержащегося в машинах, сооружениях, постройках, достигло уже, вероятно, четырех миллиардов тонн, ибо именно металл был и остается основой технического прогресса человечества.
Ну, а в будущем? Не придется ли потесниться металлам, уступить часть позиций другим материалам, таким, как например пластические массы?
Искусственные материалы, эпоха которых только начинается, вероятно, в целом ряде случаев смогут превзойти сегодняшние металлы. Да, видимо, появятся пластмассовые автобусы и суда, пластмассовые самолеты и жилища. Но ведь будут совершенствоваться и металлы, ведь и они еще не открыли всех своих возможностей. И, бесспорно, будет расти и расти производство металлов и этим ростом будет определяться прогресс техники и производства.
Не надо противопоставлять металлы пластмассам, стальные канаты– капроновым шнурам. Они не исключают – они дополняют друг друга.
Там, где лучше и выгоднее металл, – место металлу. Там, где лучше и выгоднее искусственный материал, – да будет его место.
В науке, в технике, в промышленности, в многообразном хозяйстве будущего человечества найдется место всем материалам. И также, как сегодня в металлических аппаратах рождаются на химических заводах пластические массы, так и в будущем будут крепкой дружбой дружить два основных вида материалов, с помощью которых воздвигает человечество величественное здание своей материальной культуры, – металлы и синтетические материалы.
Но сегодня металлы – основа основ технического прогресса, основа основ народного хозяйства нашей страны, фундамент материальной культуры всего человечества.
Восемьдесят братьев
Древние римляне знали восемь металлов: золото, серебро, медь, олово, свинец, железо, ртуть и сурьму. В средние века были открыты цинк, висмут и мышьяк, однако их вместе с сурьмой обычно выделяли в специальную группу полуметаллов: они хуже ковались, а ковкость считалась основным признаком металла. Еще в 1763 году великий Ломоносов насчитал только шесть металлов. Кроме сурьмы, он исключил из их числа также ртуть, хотя именно он первый, изучая ее свойства в замороженном виде, доказал, что она обладает ковкостью. «Металлом называется светлое тело, которое ковать можно, – писал он в своей книге
„Первые основания металлургии или рудных дел“. – Таких тел находим только шесть: золото, серебро, медь, олово, железо и свинец».
К концу XVIII века химики знали уже около двадцати металлов, а ко времени открытия Д. И. Менделеевым периодической системы элементов – почти пятьдесят.
Сегодня известно около восьмидесяти металлов. Среди них всем знакомые – железо, медь, алюминий, свинец, олово; драгоценные– золото, платина, серебро; полученные учеными искусственным путем, не существующие на земле – технеций, америций, кюрий; редкие – иттрий, лантан, лютеций, тулий, эрбий. Наверное, и названий некоторых из этой последней группы металлов многие никогда не слышали.
А что же такое металлы? По каким признакам можно отнести к этой группе то или иное вещество?
Ломоносов писал: «Металлы – тела твердые, ковкие, блестящие». Достаточно ли этого определения?
Оказывается, нет. Мы считаем ртуть металлом, и даже сомнений в этом никто никогда не выражает. А ведь она при комнатной температуре находится в жидком состоянии. Кристаллы йода блестят не хуже металлической сурьмы. А ковкость – пластичность – у многих металлов значительно хуже, чем, например, у белого фосфора – воскообразного мягкого вещества.
И все-таки металлами вещества называют в первую очередь по совокупности ряда общих характерных свойств. В частности, металлы обладают хорошей электропроводностью и теплопроводностью, блеском, пластичностью. Металлы ведут себя одинаково и в химических реакциях.
Но ведь свойства элементов определяются их внутренним строением. Значит, металлы имеют нечто общее в своей внутренней структуре.
Попробуем заглянуть в глубь металла. Применим для этой цели микроскоп. Первым сделал это еще знаменитый русский металлург П. П. Аносов.
Впрочем, если мы возьмем обычный кусок металла, например лезвие перочинного ножа, и положим его под объектив микроскопа, мы просто ничего не увидим, кроме сверкающего кружка. Поверхность полированного металла отражает лучи во всех точках примерно одинаково. Чтобы увидеть внутреннее строение металла, надо полированную поверхность протравить слабым раствором кислоты. Неоднородные по своим химическим и физическим свойствам участки металла будут по-разному– в большей или меньшей степени – разъедены кислотой. И под микроскопом возникнет сложный рисунок.
Нелегко разобраться в этом рисунке – причудливых зигзагах светлых и темных полос. Однако ученые разобрались. И первый вывод, к которому они пришли, это то, что все металлы – вещества кристаллические.
Впрочем, в кристаллическом строении многих металлов можна убедиться и не прибегая к микроскопу. Многим, наверное, приходилось, видеть свежий излом стального или чугунного изделия. Там, в неровностях его, обычно бывают отчетливо видны мелкие кристаллики.
Неожиданная картина: металл состоит из крупных, неправильной формы зерен.
Правда, при обычных условиях застывания металлы не успевают образовать больших, отчетливо оформленных кристаллов. В расплавленном металле у стенок слитка при застывании в первые секунды образуется огромное количество крохотных ориентированных во все стороны кристалликов, которые при дальнейшем росте мешают друг другу, теснят друг друга, искажают форму. Затем, при дальнейшем остывании, растут направленные к центру столбчатые кристаллы. И в центре слитка возникает хаотическое нагромождение кристалликов. При дальнейших механических и термических обработках металла может происходить деформация кристаллов, перекристаллизация. Но всегда металлы в твердом виде остаются веществами кристаллическими.
Периодическая система элементов Менделеева.
Но ведь и большинство твердых тел в природе имеет кристаллическое строение. Так что и этого свойства еще недостаточно для того, чтобы определить специфические свойства металлов.
Окончательно установить, в чем же те глубокие отличия металлов, которые определяют их общие свойства, удалось совсем недавно, в последние десятилетия. Это сделала новая наука – металлофизика, возникшая в 20-х годах этого века.
Металлофизики применили к изучению внутреннего строения металлов современнейшие методы – рентгеновский структурный анализ, электронный микроскоп. Они заглянули в глубину металлического кристалла. И только после этого удалось составить более или менее полное представление о сущности металлического состояния вещества.
Оказалось, что все общие свойства металлов определяются наличием в этих телах легкоподвижных электронов, способных передвигаться между атомами металла и находиться в своеобразном полусвободном состоянии. Оказалось, что в кристаллах металлов на тех местах, где должны в кристаллической решетке находиться атомы, по существу располагаются положительно заряженные ионы этих атомов. А электроны, оторвавшиеся от атомов, являются «общими», принадлежат сразу нескольким атомам. Применяя несколько вольное сравнение, можно уподобить металлическую структуру вещества губке. Ее скелет соответствует в этом сравнении кристаллической решетке, образованной положительными ионами. А вода, заполняющая поры, могущая переходить из одной полости в другую, не связанная своими частицами с определенным положением в этой губке, будет электронным газом. Совершенно очевидно, что далеко не каждое вещество, а только те, у которых внешние электроны могут легко отделяться от атома, могут образовывать такие металлические структуры. Вот они-то и являются металлами.
Очевидно и другое. Могут быть условия, при которых электроны металлов не оторвутся от атомов и не станут общими. Вместе с тем и вещества, которые обычно не являются металлами, могут приобрести металлическую структуру. Это происходит, например, с фосфором, подвергнутым сильному давлению. Атомы в его кристаллах при этом сближаются, и часть электронов становится «общей».
…Было время, ученые считали, что под тонкой твердой коркой Земли находится гигантский океан расплавленной магмы. В настоящее время это представление оставлено наукой: ученым удалось заглянуть в глубины земного шара, изучить прохождение через вещество нашей планеты упругих колебаний, вызываемых землетрясениями.
Оказалось, что на глубине 2300 км резко изменяется характер вещества. Оно приобретает совершенно иные свойства – как раз те, которые характерны для металлов. И ученые решили, что ядро нашей планеты состоит из железа и никеля. Называли даже процентное содержание: железа – 90,67 процента по весу, никеля – до 8,5 процента. Остальное относили на долю кобальта, фосфора, серы и некоторых других элементов.
Однако расчеты, проведенные в последние годы, показали, что в условиях чудовищных давлений, вызываемых тяжестью вышележащих слоев и превосходящих 1 500 000 атмосфер, атомы любого вещества так сближаются, что оно приобретает те самые «металлические» свойства, которые были обнаружены учеными.
И сегодня, говоря о ядре Земли, уже не считают его металлическим, а просто находящимся в своеобразном состоянии, вызываемом сверхвысоким давлением.
