Популярное

Атомный цемент

АХИЛЛЕСОВА ПЯТА

С тех пор как человек научился плавить руду и добывать металл, он непрерывно старался улучшить его качество. Уже в глубокой древности узнали люди полезные свойства сплавов: некоторые металлы, взятые порознь, особыми качествами не отличались, но сплавленные воедино вдруг приобретали крепость и гибкость. Так, хрупкая сталь, в которую вводили небольшие количества никеля, хрома или молибдена, становилась прочной и гибкой.

Техника наших дней требует от металлов все новых и новых качеств. Металлы опаляются жаром газовой струи в реактивных двигателях, сжимаются с колоссальной силой, растягиваются и скручиваются во всевозможных конструкциях. Человек терзает металл и требует, чтобы он возможно дольше оставался таким же, каким был до испытаний.

Для этого металлурги непрерывно ищут средства улучшить качество металла. До сих пор поиски шли по двум направлениям: в металл вводили добавки, о которых мы упоминали выше, так называемые легирующие вещества (от латинского слова ligo — связываю, соединяю), металл закаляли — сильно нагревали, а потом охлаждали. После этого полученный образец начинали «терзать» в лаборатории: испытывали на растяжение и сжатие, скручивали и изгибали. Затем ученые клали его под микроскоп и придирчиво всматривались в сложный рисунок кристаллов металла, его зерен. То, что обнаруживалось под микроскопом, ученые фотографировали и зарисовывали.

О чем же рассказывает рисунок, который вы видите на этой странице? Образец из специальной стали, нагретый до 700/-С, растягивали на испытательной машине. Прошло 18 часов, и образец лопнул, разорвался в наиболее слабом месте. «Ахиллесовой пятой» оказались границы зерен — стыки между ними. Разрыв прошел именно здесь. А зерна стали, которую растягивали, «пытали», словно бы и не почувствовали этого. Они, казалось, не принимали участия в борьбе. Глубокая извилистая трещина прошла между ними, разделив образец на два куска. Почему это произошло?

ЗЕРНА ВСТУПАЮТ В БОЙ

Это произошло потому, что сталь разорвалась до того, как основная часть объема зерен вступила в бой. Нужно было создать сплав, зерна которого вступали бы в борьбу задолго до разрыва. Для этого необходимо было упрочнить слабые места.
Возможно ли это?
Да, советские ученые это осуществили. Другая микрофотография убеждает нас в этом. Второй образец стали простоял до разрушения двести с лишним часов. За это время образец вытянулся, успели потерять привычную форму и зерна металла. Взгляните на рисунок: борясь с растяжением, зерна вытянулись стали похожими на пучок волокон. Они сопротивлялись до тех пор, пока трещина не прошла прямо по их телу (рис. на стр. 68).

Что же изменило свойства металла?
Эти изменения внес бор.

ПЕРЕХОД КОЛИЧЕСТВА В КАЧЕСТВО

Бор — элемент, занимающий пятый порядковый номер в таблице Менделеева, — упрочнил слабые места.
Еще недавно бор мало использовался в технике. Правда, в цехах химических заводов получали борную кислоту. Широкое применение нашли соединения бора и углерода — карбиды, идущие на изготовление абразивных материалов.

В металлокерамике используются теперь бориды — соединения бора и различных металов. Но в легирующие свойства бора верили только теоретики.
Стоило ввести в плавку несколько процентов бора, как металл становился настолько хрупким, что никуда не годился. Понадобились долгие годы, на протяжении которых настойчивые люди провели тысячи опытов, пока не нашли ошибку в обращении с бором.

Первые серьезные шаги для практического использования бора были сделаны нашими учеными во главе с академиком Н. П. Чижевским. Русские ученые первыми начали изучать сплавы с добавкой бора. В результате этих исследований была получена диаграмма «железо — бор». Эта диаграмма показывала зависимость структуры стали от количества вводимого бора и температуры. Но исследователи неточно определяли, сколько нужно бора для улучшения свойств стали. Они пытались вводить в железо сотые доли процента бора, но и этого было много. Поэтому попытки получить качественный сплав терпели неудачи.

Бор начал улучшать качество стали лишь теперь, когда его вводят в ничтожных дозах — тысячных долях процента. Так еще раз проявил себя закон диалектики — закон перехода количества в качество.

Чтобы понять, почему бора нужно так мало, необходимо разобраться в том, что происходит в различных сплавах.

«ГЛИНА», «ПЕСОК» И «ЦЕМЕНТ»

Есть металлы родственные: железо и золото, никель, хром и железо. Подобно частицам песка и глины, из которых создается кирпич, атомы родственных металлов — равноценный строительный материал. Из него строятся зерна сплавов. Такие родственные металлы «растворяются друг в друге», говорят металлурги.

Но имеются и нерастворимые друг в друге металлы. К ним относятся железо и бор. Атомы бора не строят зерен вместе с атомами железа.
В момент кристаллизации железа его атомы собираются в зерна, однако далеко не все атомы успевают это сделать. Некоторые из них остаются без места, и уже образовавшиеся зерна стараются притянуть их к себе. Но так как их тянут в разные стороны, они не примыкают ни к одному из зерен и остаются в промежутках между ними. Поэтому расстояния между такими атомами не одинаковы. Это ухудшает свойство металла. Зоны, где остались такие дезориентированные атомы, разрушаются прежде всего. По этой причине и разорвался первый образец.

Если для улучшения качества металла ввести в него несколько процентов или сотых долей процента бора, то лишь часть его атомов постарается занять свободные места, заполнить расстояния между дезориентированными атомами железа. А так как для этого нужно лишь ничтожное количество, то остальные атомы бора вступят в химическую реакцию с углеродом и металлом, образуя карбиды и бориды. Эти соединения значительно уступают в прочности стали, а значит, ухудшают ее качество.

Другое дело, когда бор вводят в ничтожном количестве. Диаметр его атомов меньше диаметра атомов железа, хрома или никеля. Они свободно проникают в зоны дезориентации атомов, в «щели» между зернами, заполняют все пустоты, образно говоря — словно цементный раствор скрепляют зерна стали. Металл становится более пластичным и прочным.

Крошечные атомы бора наделяют богатырской крепостью сталь.

Бористая сталь много дешевле никелевой и хромистой, а в крепости нисколько им не уступает. Изделия из нее с честью выходят из любых испытаний.