Текст книги "Металлы и человек"
Автор книги: Михаил Васильев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 7 (всего у книги 30 страниц)
Искусственная руда
Впрочем, возможно, что на помощь металлургам, ищущим руды рассеянных элементов, придут не биологи и генетики, а физики-атомщики.
Алхимиков в средние века мучили две проблемы. Они искали, во-первых, философский камень, обеспечивавший его владельцу вечную молодость, во-вторых, рецепт превращения простых металлов в драгоценное золото. А рядом средневековые механики изобретали вечный двигатель.
Сколько труда, бессонных ночей, страстей, сердец, жизней было отдано этим химерическим задачам! И как разны взгляды сегодняшней науки на эти три проблемы.
– Вечный двигатель невозможен, – утверждают физики, ссылаясь на закон сохранения энергии. Поиски вечного двигателя стали символом бесполезной затраты труда, вроде возни крыловской мартышки с бревном.
– Трудно сказать, возможна ли вечная молодость, вечная жизнь, – отвечают биологи и врачи. – По всей вероятности, человеческая жизнь может длиться и двести и триста лет. Пока мы не знаем никаких причин, которые делают невозможной мечту о вечной молодости. Но решение этой задачи еще не найдено. Нужен длительный труд, который, вероятно, займет несколько поколений ученых, прежде чем будут найдены способы борьбы с механизмом старения или открыт закон природы, который установит непреодолимую границу продолжительности жизни.
– Бесспорно, превращение одних элементов в другие возможно, – радостно сообщают физики. – Мало того, мы осуществляем уже эти превращения. Мы в промышленных масштабах вырабатываем металл плутоний, которого нет в природе, но который нужен энергетикам. В Москве недавно открыт магазин, в котором продаются изотопы элементов, в том числе и такие, которые «живут» несколько часов, несколько дней или недель. Мы изготовляем все эти изотопы, их также нет в природе. Изготовляем мы и золото. Не только такое, какое встречается в природе, но и восемь его разновидностей, отличающихся от обычного весом ядра, но подобных по всем химическим свойствам.
Да, то, что было не по плечу средневековым алхимикам, под силу сегодняшней физике. Правда, искусственное золото пока еще стоит значительно дороже, чем добытое на Лене или в Клондайке. Правда, что изотопы еще очень дороги. Но ведь был бешено дорогим и первый алюминий. Дорого стоил и первый титан. И первый сверхчистый кремний. А теперь алюминий общераспространенный бытовой металл, титан грозится вытеснить железо, а для изготовления кремниевых солнечных батарей построена автоматическая линия, демонстрировавшаяся в 1959 году на Выставке достижений народного хозяйства СССР.
Превращения элементов осуществляются путем ядерных реакций. Они в огромном большинстве уже четко прослежены физиками. Они могут заранее предсказать, каков будет ход ядерной реакции в результате такого-то и такого-то взаимодействия, четко предвидеть все последствия того или иного ядерного эксперимента. А значит, они могут осуществлять превращения элементов не вслепую, что-де получится, а твердо по плану.
И однажды известный металлург академик И. П. Бардин развернул в беседе удивительную перспективу будущей металлургии.
– Мы живем в атомный век, – сказал он. – Человек уже овладел не слабыми ненадежными временными связями атомов в веществе, а несравненно более важными и глубокими связями элементарных частиц атомного ядра. И, конечно, это принципиальное достижение ученых нашего времени должно найти применение и в металлургии…
Строгий ученый рисует удивительную картину металлургического завода будущего. Из печи льется в кристаллизатор непрерывной разливки сталь. С обеих сторон к струе приближаются какие-то темные груши.
Оказывается, это излучатели. Под действием их излучения в глубине огненной струи взрываются ядра вредных для металла элементов – серы и фосфора и ядра другого дешевого элемента, который специально добавлен в эту сталь. Этот элемент подобран таким образом, что при облучении он превращается в металл, добавка которого как раз нужна этой марке сплава.
Сталь льется в кристаллизатор, и через несколько секунд из него выходит алая колбаса пышущего жаром металла. А ведь его химический состав уже не тот, что был у металла, изливавшегося в кристаллизатор. И еще несколько дней будет изменяться состав: это время, в течение которого распадутся все образовавшиеся в результате облучения коротко живущие элементы. После этого он пойдет в дело – добротный металл, в составе которого немало созданных человеком, а не взятых у природы химических элементов.
Вероятно, этим же способом, – продолжает ученый, – изменением структуры атомных ядер, искусственным превращением элементов, можно будет получать руды редких и рассеянных элементов. Возможно, появится целая отрасль промышленности – радиационная металлургия, которая будет заниматься изготовлением редких химических элементов из распространенных…
Удивительную картину нарисовал ученый. И трудно сказать сегодня, кто первым решит задачу обеспечения человечества рассеянными металлами– генетики ли выведут интенсивных живых концентраторов, физики ли разработают экономически целесообразные технологические процессы изготовления редких ядер элементов из широко распространенных в природе.
Разные пути ведут в будущее. Наука, техника, а за ними и промышленность пойдут по тому, который окажется легче и короче. Ведь всем хочется поскорее в это удивительное будущее.
III. ГЛАВНЫЙ МЕТАЛЛ
Впервые этот металл попал в руки человека еще во времена каменного века. Шесть тысяч лет назад древние египтяне делали из него украшения. Наверное, они ценились даже дороже золотых, так как этого металла было тогда меньше, чем золота: ведь только в упавших на землю метеорах находил его иногда человек.
Во втором тысячелетии до нашей эры, четыре тысячи лет назад, этот металл научились выплавлять из руд. Вероятно, первые металлурги, открывшие секрет его производства, жили в странах Древнего Востока – в Египте и Месопотамии. Во всяком случае, в щелях пирамиды Хеопса найдены обломки сделанных из него орудий. Более трех тысяч лет назад с ним познакомились греки и древние народы Закавказья. В Китай этот металл проник еще лет на пятьсот позже. А аборигены Америки и Австралии узнали о нем всего несколько сотен лет назад. Не радостным для них было это знакомство! Новый металл полностью вытеснил камень как материал для изготовления орудий труда и оружия. Из него делали мечи и топоры, посуду и украшения, лемехи плугов и молоты кузнецов. Он вытеснил и бронзу, именем которой был назван целый период в истории человечества. И дал свое имя новой эпохе…
Историки не распространяют название этой эпохи на наше время, обрывая ее где-то в начале нашей эры. Но это не значит, что он стал не нужен. Нет, тысячи новых применений нашел он за минувшие тысячелетия. Многократно улучшили его свойства металлурги, нашли новые удивительные возможности и качества. В тысячи раз выросла его выплавка.
Но особенно стремительным был рост производства этого металла в последнем столетии. Так, если в 1840 году во всех странах мира было выплавлено его около 2,3 млн. тонн, а в 1897 году эта цифра выросла до 3,3 млн. тонн, то в 1960 году она перевалила за 225 млн. тонн.
Если еще в XVIII веке из главного металла делали оружие, корабельные цепи и якоря, гвозди, пуговицы и пряжки, напильники, ножи, пилы и топоры и этим по существу ограничивался список его применений, то в XIX и XX веках число изделий из него растет с головокружительной быстротой.
В 1779 году в Англии из главного металла был построен первый мост. Сколько теперь таких мостов переброшено через реки и пропасти, каналы и проливы – не сосчитать!
В 1787 году на воду было спущено первое судно, сделанное из этого металла. Это была речная шаланда водоизмещением тонн в двадцать. А сколько сегодня таких судов, настоящих плавучих островов водоизмещением в десятки тысяч тонн, бороздят все моря и океаны нашей планеты!
От эпохи к эпохе возрастало значение металла в жизни человека.
В 1788 году в Париже вступили в строй первые сорок миль водопровода, сделанного из того же материала. А сегодня нити трубопроводов оплели все континенты. На тысячи километров перекачивают по ним воду, нефть, газ…
Но главным потребителем главного металла стали дороги, названные его именем.
14 июня 1830 года на конкурсе паровозов победила «Ракета» – машина, построенная шахтером и механиком Джорджем Стефенсоном. Она развила скорость до 30 км в час. «Летела, как ветер», – говорили лондонцы. И это было поистине днем рождения нового транспорта. Нет, наверное, сегодня ни одного человека в нашей стране, которому бы хоть раз в жизни не пришлось воспользоваться его услугами.
По меткому выражению академика И. П. Бардина, весь фундамент современной материальной культуры человечества зиждется на нескольких миллиардах тонн этого металла, добытого трудом людей из руд и воплощенного в станки, машины, сооружения.
Имя этого металла – главного в истории человечества – железо.
На вес золота
Очень немногие люди – сотрудники специальных научно-исследовательских институтов, специалисты-металлурги – могут похвастаться, что они хоть раз в жизни держали в руках самый небольшой слиток чистого железа.
Да, да, не удивляйтесь! По всей вероятности, с вами этого не было. Ибо все то, что мы называем железом, в действительности является чугуном или сталью – сплавами железа и углерода. А по-настоящему чистое железо бывает только в лабораториях, и методы его освобождения от примесей столь сложны, что после очистки оно, вероятно, оказывается не дешевле золота.
Чистое железо – блестящий, серебристо-белый, вязкий и ковкий металл. Оно плавится при 1539 градусах, кипит при температуре около 3000 градусов и крайне непрочно. Из него нельзя построить мост или каркас высотного дома, корпус судна или деталь машины. Только на изготовление безделушек-украшений и можно бы было его использовать да на изготовление некоторых предметов домашнего обихода, вроде ведер и кувшинов. Но, к счастью, железо может быть и прочным… как сталь.
Ученые не раз делали беспредельно простой и в то же время чрезвычайно сложный опыт – клали в фарфоровый тигель кусочки железа, ставили его в электрическую печь и начинали нагревать. Проходили минуты, поднималась температура металла, и вдруг – остановка. По-прежнему отсчитывает киловатт-часы электросчетчик – это значит, что тепло по-прежнему поступает в печь. Но стрелка термометра застыла на одном делении и не движется. Проходит минута, вторая… И вдруг стрелка вздрагивает, и возобновляется равномерное повышение температуры, соответствующее течению времени.
И снова остановка… Тепло подводится к металлу, а температура его не повышается. И снова начинается повышение температуры… Опять остановка, равномерный подъем – и еще одна остановка. Последняя – металл плавится.
Эти остановки всегда, когда мы имеем дело с чистым железом, происходят при одних и тех же температурах. Первая остановка при температуре 768 градусов, вторая – при 910 градусах, третья – при 1400 градусах. А при 1539 градусах, мы говорили, железо плавится.
Нагревание напоминает подъем на лестницу, перемежающуюся широкими горизонтальными площадками. Так же, переходами с площадки на площадку, происходит и остывание металла. Что это за площадки?
Ответить на этот вопрос было нелегко. И первым ответил на него человек, который без всяких термометров и электрических счетчиков невооруженным глазом наблюдал остывание стальных болванок в цехе завода. Это великий русский металлург Дмитрий Константинович Чернов. Он заметил эти площадки.
Сегодня ученые глубоко разобрались в этом вопросе. И вот что они рассказывают.
Первая остановка связана с потерей магнитных свойств железа. До 768 градусов оно магнитно, выше – нет. Наоборот, при охлаждении ниже этой температуры железо становится магнитным. При 910 градусах происходит перестройка всей кристаллической решетки железа. Если до этой температуры атомы железа в кристаллах образовывали кубики и занимали свои места в углах этих кубиков и в центрах их – такая кристаллическая решетка называется объемоцентрированной, – то теперь они образуют кубики, атомы в которых находятся в вершинах кубов и в центрах их граней, – так называемую гранецентрированную кристаллическую решетку. Вот на эту перестройку и затрачивается тепло, когда его подводят к металлу, а температура остается постоянной.
В гранецентрированном кубе содержится на пять атомов металла больше, чем в объемоцентрированном, «упаковка» их здесь плотнее. Поэтому железо меняет при переходе через эту температуру свой объем. Изменяются и некоторые другие его свойства.
При температуре 1401 градус снова происходит изменение кристаллической решетки железа. Выше этой температуры она опять становится объемоцентрированной кристаллической решеткой. И такой остается до температуры плавления.
Железо легко образует сплавы почти со всеми металлами, кроме щелочных и щелочноземельных, и отказывается в большинстве случаев сплавляться с серебром, ртутью, галлием, свинцом и висмутом.
Но самым важнейшим из сплавов железа является его сплав с углеродом. Вот он-то и образует стали.
Вот для чего нужна «остановка».
Путеводитель по чугунам и сталям
Как это ни странно на первый взгляд, по-настоящему изучены только те сплавы железа с углеродом, в состав которых входит не больше 6,67 процента углерода. Но вот эти-то сплавы, содержащие от долей процента углерода до шести с лишним его процентов, и составляют все многообразие углеродистых сталей и чугунов, которыми располагает современная техника. Малейшее изменение содержания углерода, мало того – изменение условий, при которых образовался тот или иной сплав, например, быстро он охлаждался или нет, уже изменяют его свойства.
Путем проведения тысяч опытов ученые построили так называемую диаграмму состояния железоуглеродистых сплавов. Выяснилось, что для того, чтобы предвидеть, какими свойствами будет обладать тот или иной сплав, надо знать всю историю его образования – с момента начала застывания и до охлаждения до комнатной температуры, а то и ниже. Вот это и изображает знаменитая диаграмма. Значение ее для черной металлургии не менее, пожалуй, велико, чем значение таблицы Менделеева для химии. Познакомимся же с диаграммой состояния.
Судьбы бесчисленного семейства чугунов и сталей читает металлург по этим линиям.
На нижней линии – ее называют абсциссой – нанесено процентное содержание углерода в железе. Крайняя левая точка соответствует стопроцентному содержанию железа, крайняя правая – 6,67 процента углерода. Это именно то содержание углерода, которое соответствует химическому его соединению с железом. Это соединение химики называют карбидом железа, а металлурги – цементитом. Цементит в чистом виде является чрезвычайно твердым и хрупким веществом. Он легко царапает стекло и имеет нулевую пластичность.
Часть диаграммы состояния сплава железа с углеродом, следующую за 6,67 процента последнего, можно рассматривать как диаграмму состояния сплава цементита с углеродом. Ее исследованиями занимались многие ученые как у нас, так и за границей. Но практического значения эти сплавы не имеют, и мы не будем интересоваться сегодня ими.
На вертикальной линии диаграммы состояния сплавов железа-цементита– так называемой ординате – отмечают температуру. Поле между этими линиями занимают различные состояния сплава.
Верхняя линия диаграммы – линия ликвидуса. Выше ее существует только жидкий раствор углерода в металле. На этой линии при снижении температуры начинается застывание расплава.
Линия ликвидуса по мере увеличения углерода в металле сначала снижается, но потом резко начинает расти. Это означает, что температура начала застывания различна у сплавов, содержащих разные количества углерода. Минимальную температуру имеют сплавы, содержащие 4,3 процента углерода. Это самая низкая точка плавления сплава. Она соответствует самому легкоплавкому сплаву – эвтектике. Этот сплав железа с углеродом плавится при температуре 1130 градусов.
Следующая за линией ликвидуса вниз по диаграмме – линия солидуса. Она начинается в той же точке, что и линия ликвидуса, – мы знаем, что чистые металлы имеют определенную точку плавления, – затем резко снижается и вдруг из кривой линии превращается в прямую.
Это превращение происходит при двух процентах содержания углерода и температуре эвтектики 1130 градусов. Отметим здесь же, что два процента углерода – это максимальное его количество, которое может находиться в железе в виде твердого раствора.
Вся область между линиями ликвидуса и солидуса, – их названия происходят от греческих корней, – это область, в которой сплав находится частично в твердом, частично в жидком виде. В области диаграммы до эвтектики из расплава начинают выделяться кристаллы твердого раствора углерода в железе. В заэфтектоидной области из расплава выделяются кристаллы цементита. На линии солидуса происходит окончательное затвердение расплава. Ниже ее сплав бывает только в твердом состоянии. Но изменения его далеко еще не завершены.
Найдите точку, соответствующую на диаграмме состоянию чистого железа, нагретого до температуры 910 градусов. У чистого железа эта линия соответствует одной из «площадок» – той самой, на которой происходит при нагревании перекристаллизация из объемоцентрированной кристаллической решетки в гранецентрированную, а при остывании – наоборот. Из этой точки также выходит какая-то линия, круто спускается до температуры 723 градуса при содержании углерода 0,8 процента и также круто поднимается к уже известной нам точке– 1330 градусов и 2 процента углерода.
На этой линии в сплаве начинается перекристаллизация. Выше этой линии кристаллическая решетка железа гранецентрированная.
Через самую нижнюю точку этой кривой проведена горизонтальная линия. На ней кончается перекристаллизация сплава.
На диаграмме состояний сплавов железо – углерод есть и еще целый ряд линий, главным образом в той области, которая относится к сплавам с малым количеством углерода. Мы не будем рассказывать подробно об этих линиях, которые также свидетельствуют о тех или иных превращениях в сплавах.
Для того чтобы разобраться, что же все-таки может сообщить нам наша диаграмма, рассмотрим застывание сплава, содержащего, например, около одного процента углерода.
При температуре около 1470 градусов, скажете вы, глядя на диаграмму, из расплава начнут выделяться частицы твердого сплава железа с углеродом, имеющие кристаллическую гранецентрированную решетку. Такая структура железа и углерода называется аустенитом.
Аустенит мягок, пластичен, это хорошо знают кузнецы, которые нагревают металл до высокой температуры, прежде чем начать его ковать.
При температуре чуть ниже 1250 градусов весь металл затвердеет. Крупные кристаллы аустенита заполнят весь объем расплава. Углерод, содержащийся в сплаве, в это время весь растворен в нем. Он вклинивается в самую середину гранецентрированной кристаллической решетки. А так как свободное имеющееся там место мало для него, он несколько деформирует, раздвигает всю ее структуру.
Аустенит сохранит свою структуру до пересечения со следующей линией. Это пересечение произойдет при температуре чуть выше 800 градусов.
В нашем аустените содержится, как мы условились, один процент углерода. Он отлично растворился в металле при застывании; весь аустенит при высоких температурах может растворить до двух процентов углерода. Но теперь, когда мы охладили металл до температуры в 800 градусов, столько углерода раствориться в аустените не может. Углерод начинают выбрасывать из кристаллических решеток. Но он уходит не один, а только прихватив с собой на каждый атом по три атома железа в виде химического соединения – карбида железа или цементита.
Это выделение цементита будет продолжаться до температуры 723 градуса, при которой в металле останутся растворенными всего 0,8 процента углерода. И при этой температуре весь оставшийся аустенит превратится в перлит. Это тонкая структура, состоящая из зерен феррита с объемоцентрированной, то есть почти не содержащей растворенного углерода, кристаллической решеткой. Таким он будет оставаться и при нормальной температуре.
Возьмем сплав с содержанием углерода в 0,8 процента. Нагреем выше 723 градусов, чтобы попасть в область аустенита. Выдержим его там некоторое время, чтобы быть твердо убежденными, что весь цементит распался и углерод занял свое место в кристаллах твердого сплава.
Теперь начнем медленно охлаждать сплав. Лучше всего тигель с ним не будем извлекать из электропечи, где мы осуществляли его нагрев, а просто выключим ток. Пусть металл остывает вместе с печью.
Этим способом мы и получим перлит, о котором уже говорили. Измерим его твердость. Окажется, что она равна 200 единицам.
Другой такой же тигель с металлом вынем из печи и дадим ему остыть на воздухе. Измерим твердость. Ого, оказывается, чистый воздух способствовал укреплению здоровья металла! Твердость равна 300 единицам.
Металл из третьего тигля охладим в горячем масле. И масляная ванна полезна металлу. Твердость уже 400 единиц.
И тогда металл из последнего тигля опустим в воду. Взлетает облако пара. Но вот вода перестает кипеть. Достаем слиток и измеряем твердость. Не только спортсменам, но и металлу полезны водяные ванны. Твердость уже 600 единиц – в три раза больше, чем у металла, оставшегося в печи!
Имея перед глазами диаграмму состояния сплава железа и углерода, металлург всегда может сказать, до какой температуры надо нагреть того или иного состава сплав, чтобы закалить его, если он мягкий, или, наоборот, отпустить, если он твердый.
Уже не делая опыта, мы можем вывести из диаграммы и другую закономерность. Чем больше содержится в сплаве углерода, тем он более твердый. Это и понятно: в нем будет содержаться все больше химического соединения железа с углеродом цементита – твердого и хрупкого, и все меньше и меньше феррита – твердого раствора углерода в железе.
Сплавы, содержащие до двух процентов углерода, принято называть сталями. Два процента – это максимальное количество углерода, которое может быть еще растворено в аустените.
Сплавы, содержащие больше двух процентов углерода, называются чугунами.
Вот, оказывается, в чем главное различие между двумя великими братьями сплавами! Мы узнали его, знакомясь с удивительной диаграммой– настоящим путеводителем по чугунам и сталям.
Еще раз пройдем по этой диаграмме.
Мягкие стали с содержанием углерода до 0,3 процента можно гнуть, штамповать, вытягивать в холодном состоянии. Их хорошо берет резец, снимая длинную неломкую стружку. Они хорошо свариваются, легко режутся огнем. Но не пытайтесь их закалить: они почти не принимают закалки.
Стали, содержащие больше углерода – до 0,7 процента, прочны, упруги, но все же достаточно хорошо обрабатываются. И резко увеличивают свою прочность, если их подвергнуть закалке.
Все эти стали называются конструкционными. Из них делаются бесчисленные детали машин, валы, оси, бандажи, железнодорожные мосты, фермы, балки, болты, гайки, гвозди, пружины и т. д. и т. д. Конечно, для каждого изделия подбирают свой сорт стали.
Еще более высокую твердость имеют стали с содержанием углерода выше 0,7 процента. Эти стали – до 1,3 процента содержания углерода– называют инструментальными. Из них делают инструмент для обработки металлов. Конечно, перед тем как пустить этот инструмент в работу, его закаливают. И сталь становится очень твердой.
Еще дальше начинается область чугунов. Совсем недавно он шел только на отливки грубых деталей, таких, как станины станков, да на переработку в сталь. А сегодня даже коленчатые валы автомобилей нередко делают из чугуна, так улучшились его качества. Но о чугунах нам еще придется говорить отдельно.
…Химик, пользуясь периодической таблицей элементов Менделеева, может многое сказать о свойствах того или иного металла, зная только его место в периодической системе элементов. Металлург, имея в руках диаграмму состояния железоуглеродистых сплавов, не меньше может сказать о качествах той или иной стали, хотя он и никогда не имел с такой сталью дела.
Здесь варят электросталь – металл, превосходящий по качеству булат древних мастеров
