В истории русской и всемирной культуры 1868 и 1869 гг. являются поистине выдающимися. Они ознаменовались событиями исключительного значения. Знаменитый русский химик Д. И. Менделеев опубликовывает свою периодическую систему элементов, ставшую основой современной химии. Гениальный русский писатель Л. Н. Толстой выпускает в свет свой бессмертный роман «Война и мир». И наконец, выдающийся русский металлург Д. К. Чернов публично выступает с идеями, знаменующими собою переворот в области металлургии.
*
Крымская война 1853—1856 гг. со всей
убедительностью показала техническую отсталость русской армии, скудость ее
вооружения, полный застой в военном деле. В то время как за границей уже
вводился новый металл для производства пушек — сталь — и на смену гладкоствольному
оружию приходило оружие нарезное, русская армия оставалась вооруженной
архаическими пушками из бронзы — сплава меди, олова и свинца.
Севастопольское поражение заставило правящие
круги тогдашней России обратить серьезное внимание на развитие пушечного
производства. С Урала вызывается известный в то время металлург Обухов, который
строит в Петербурге большой сталелитейный завод. С 1858 г. в России начинается
изготовление стальных орудий.
Дело это было новое, а учиться было не у кого.
За границей его начинал вести известный немецкий капиталист Крупп, но все свои
методы он держал в строжайшем секрете. Правда, на Златоустовском заводе к этому
времени уже было налажено в небольших размерах производство стального литья, но
нужного опыта и этот завод не имел,
Изготовление тяжелых стальных отливок
оказалось делом сложным. В начале 60-х годов не было еще мартеновских печей и
тем более электроплавильных печей, дающих возможность получать большие
количества жидкой стали. Вся сталь лучшего качества, предназначаемая для
производства ответственных изделий — пушек и снарядов, варилась в тиглях
старым, веками испытанным способом. Тигель представлял собой сосуд,
изготовленный из огнеупорного материала, в котором выплавлялось несколько
десятков килограммов стали. Для того чтобы отлить болванку для ствола орудия,
приходилось вести плавку сразу в нескольких тиглях.
Секрет тигельной плавки сводился к правильному
подбору состава шихты, т. е. смеси веществ, из которых выплавляется сталь.
Русские инженеры имели уже в то время прекрасные рецепты для выплавки стали.
Привезенные Обуховым из Златоуста рабочие давали для пушек сталь хорошего
состава. Ковали эту сталь выписанные из Англии мастера. Все оборудование нового
завода, включая даже громадную разрывную машину Киркальди, предназначенную для
испытания материала, было привезено из Англии.
Однако дело не ладилось. Несмотря на
прекрасный химический состав металла, механические качества его были плохими.
При выстреле пушки часто разрывались, причиняя увечья стреляющим из них артиллеристам.
Попытки установить причины плохого качества орудий, оставались безуспешными.
В это время на завод пришел молодой инженер
Дмитрий Константинович Чернов. Ему удалось не только блестяще разрешить загадку
плохого качества орудий, но и сделать из этого обобщающие выводы, послужившие
научной основой для особого вида обработки металлов термической, или тепловой,
обработки.
*
Д. К. Чернов родился в Петербурге 1 ноября
1839 г. Девятнадцатилетним юношей он с отличием заканчивает курс
Технологического института и остается при нем в качестве преподавателя
математики. Чернов неуклонно повышает свои знания. Одновременно с преподаванием
математики он сам успешно проходит курс физико-математического факультета
Петербургского университета. В 1866 г. Чернов временно оставляет
преподавательскую деятельность и поступает на Обуховский сталелитейный завод.
*
Итак, перед Черновым стояла задача —
установить причины плохого качества стального литья.
Ежедневно в закопченных цехах громадного
завода можно было встретить высокую угловатую фигуру молодого инженера.
Тщательно изучает Чернов продукцию завода и убеждается, что не все пушки
одинаково плохи. Некоторые из них отличаются хорошими качествами, а другие
разрываются при первых же выстрелах. Чернов внимательно рассматривает место
разрыва и убеждается в том, что сталь здесь имеет крупнозернистое строение, в
то время как орудия, показавшие продолжительный срок службы, отличаются
мелкозернистым строением металла при одинаковом химическом составе. Выходит,
что из одного и того же материала можно получить разную по качеству продукцию.
Шаг за шагом наблюдает Чернов все звенья
процесса производства стального орудия. Литейный цех выпускает тяжелые стальные
слитки. Химический анализ показывает, что полученная сталь полностью
соответствует своему назначению. Слитки поступают в кузницу, нагреваются в печи
до ярко-желтого цвета и, обжимаясь под мощными молотами, принимают форму
заготовки для орудийного ствола. После остывания эти заготовки передаются в
механический цех, где на металлорежущих станках производится их окончательная
обработка.
Особое внимание уделяет Чернов работе
кузнечного цеха. Он наблюдает за цветом нагреваемых в печи болванок. В то время
еще не было приборов, позволяющих измерять высокие температуры, и Чернов
определяет температуру «на глаз». Каждой температуре свойственен определенный
цвет металла. При нагревании куска стали она последовательно принимает все
цвета каления — от тёмно-красного до ослепительно белого.
Чернов подвергает ковке сталь, нагретую до
различных температур, т. е. до различного цвета каления. Откованные образцы он
испытывает на разрывной машине. Таким образом он устанавливает, при каком
температурном режиме ковки стальное изделие отличается наилучшими механическими
качествами.
В 1868 г. семьдесят лет тому назад, Чернов
сообщает Русскому техническому обществу, объединявшему весь цвет тогдашнего
инженерства, о своих наблюдениях и выводах. Его сообщение сводится к
следующему: при нагревании сталь не остается неизменной; в определенные,
критические моменты она претерпевает особые превращения, изменяющие ее свойства
и структуру (строение).
Чернов установил четыре критические точки,
характеризующиеся внутренними превращениями в стали. Эти точки, известные
теперь в науке под названием точек Чернова, он обозначил буквами «а», «в», «к»
и «с».
*
Сейчас всем известно, что если нагреть
стальное изделие до некоторой высокой температуры и затем быстро охладить его,
опустив в воду, то изделие закалится, т. е. твердость его значительно
возрастет. Закаливать сталь умели и до Чернова, но Чернов впервые подходит к
этому процессу научно. Он изучает закалку при различной степени нагрева стали и
убеждается, что существует определенный минимум температуры, по достижении
которого сталь начинает принимать закалку. Этот предел температуры,
соответствующий темновишневому цвету нагретого куска стали, и есть критическая
точка «а». В «Записках Русского технического общества» за 1868 г. Чернов писал:
«Сталь, как бы тверда она ни была, будучи нагрета ниже точки «а», не принимает
закалки, как бы быстро ее ни охлаждали; напротив, она становится значительно
мягче и легче обрабатывается пилой». Двадцать лет спустя температура,
соответствующая точке «а», была точно определена известным французским ученым
Осмондом. Оказалось, что она равняется 700°.
Излом стального изделия показывает, что сталь
имеет кристаллическое (зернистое) строение. Величина зерен в стали при
нагревании не остается постоянной. При повышении температуры наступает момент,
когда строение и свойства стали изменяются. Чернов проделывает многочисленные
опыты. Он берет стальные образцы крупнозернистого строения, постепенно
нагревает их до различных температур и затем быстро охлаждает. После этого он
ломает образец и по излому определяет величину зерна. Чернов наблюдает
замечательное явление: оказывается, любая сталь, какую бы начальную величину
зерна она ни имела, приобретает при нагревании до определенной температуры
мелкозернистую структуру (строение). Этот температурный предел,
характеризующийся красным матовым цветом нагреваемого металла, Чернов назвал
точкой «в». В тех же «Записках» Чернов указывает: «Сталь, нагретая ниже точки
«в», не изменяет своей структуры, медленно ли, или быстро после того она
охлаждается». При нагревании же за точку «в» «сталь переходит из зернистого
(или, вообще говоря, кристаллического) в аморфное, воскообразное состояние».
Таким образом. Чернов установил, что для получения мелкозернистой структуры,
которая обеспечивает наилучшие механические качества стального изделия, нужно
нагреть это изделие до точки «в» (или немного выше) и затем медленно охладить.
Эта операция часто применяется теперь при тепловой обработке стальных изделий,
и называется она отжигом.
*
Что же произойдет со сталью, если продолжать
повышать температуру в печи? Критический интервал, характеризующийся точкой
«в», пройден, и зерна стали снова начинают увеличиваться. Чем выше температура,
тем быстрее растут зерна. Сталь начинает светлеть. Она принимает светло-красный
цвет, затем оранжевый, желтый. В таком состоянии сталь отличается высокой
пластичностью, она легко изменяет свою форму под ударами молота. Но вот
стальной слиток приобретает соломенно-желтый цвет, наступает новый критический
момент — точка «к» Чернова. Каждый кузнец теперь знает, что это предел нагрева,
что дальнейшее повышение температуры приведет к чрезмерно большой величине
зерна. В промежутки между зернами проникнет кислород окружающей атмосферы,
поверхность зерен покроется тончайшей пленкой окисла, и под ударом молота такая
сталь рассыплется на куски.
Температура, при которой происходит плавление
стали, обозначена Черновым буквой «с». Эта температура тем ниже, чем больше в
стали углерода. Химически чистое железо плавится, например, при 1528°, в то
время как сплав железа с 1,4% углерода (инструментальная сталь) имеет
температуру плавления около 1450°.
*
Практическое значение критических точек,
установленных Черновым, огромно. Точка «а» дала возможность правильно находить
температуру закалки. Точка «в» внесла понятие об изменении структуры стали при
нагревании. Она дала в руки кузнецов могучее средство, позволяющее давать
продукцию высокого качества. Чернов указывал: «После нагрева болванки до
высокой температуры ковать ее до тех пор, пока она не остынет до температуры,
обозначенной мною точкой «в»; тогда вместе с изменением куска в данную форму мы
не дадим ему кристаллизоваться и по возможности приблизим структуру его к
аморфной массе».
Однако почему же необходимо кончать ковку
именно при температуре, соответствующей точке «в» (800—850° для обычной стали)?
Почему качества изделия будут плохими, если его ковку закончить, например, при
1000°? Для ответа на этот вопрос познакомимся с явлениями, происходящими при
ковке. Ковать металлы начинают при высокой температуре (точка «к»). При этом
сталь отличается высокой пластичностью, т. е. легко изменяет свою форму. Но при
высокой температуре сталь имеет крупнозернистое строение. Процесс ковки состоит
из двух одновременно происходящих явлений. С одной стороны, при ударе молотом
происходит раздробление зерен, с другой стороны, в промежутках между ударами
зерна под влиянием высокой температуры снова вырастают и быстро восстанавливают
свою форму. Попробуйте закончить ковку при 1000°. Размельченные зерна снова
быстро вырастут, и изделие получит крупнозернистую структуру, отличающуюся
плохими механическими качествами. Закончите ковку при температуре,
соответствующей точке «в», и вы получите мелкозернистую поковку отличного
качества. При этой температуре раздробленные и размельченные зерна не обладают
способностью к росту.
Замечательная работа Чернова быстро дала
практические результаты. Разрывы орудий стали редкостью. Они объяснялись теперь
скорее неправильным обращением, чем недоброкачественным материалом. «Детские
болезни» артиллерийского производства были излечены.
Выводы, сделанные Черновым 70 лет тому назад,
были для тогдашнего времени смелыми и дерзкими. Идеи 28-летнего исследователя
были встречены недоверчиво. Однако это не смутило Чернова. Свой исторический
доклад он закончил словами:
«Что касается вообще до проводимых мной идей,
то я уже получил упреки в том, что слишком смело высказываю свои выводы, но
пусть же я покажусь еще смелее и выскажу окончательное заключение из своих
наблюдений в следующих словах: вопрос о ковке стали при движении его вперед не
сойдет с того пути, на который мы его сегодня поставили».
Дальнейшее развитие техники металлургии и
металлообработки показало, что Чернов был вполне прав.
*
Прошло 10 лет со времени знаменитого доклада о
критических точках, и Чернов снова поднимается на трибуну Русского технического
общества. Его новая работа посвящена процессу затвердевания жидкой стали и
изучению строения стального слитка.
В семидесятых годах уже широко применялись
новые способы производства стали — в мартеновских печах и ретортах Бессемера. Эти
способы давали возможность получать большие слитки литой стали. Однако процессы
разливки жидкой стали и ее остывания еще не были изучены. Сейчас мы знаем, что
разливка стали — это не просто механическая операция, а сложный процесс,
который необходимо регулировать. Переход стали из жидкого состояния в твердое в
известной степени определяет качество будущего изделия, изготовленного из этой
стали. Порочно застывший металл иногда нельзя исправить последующей обработкой.
 |
| В семидесятых годах прошлого столетия уже широко применялся способ производства стали, предложенный французом Мартеном в 1865 г. На фото — одна из первых мартеновских печей, установленная на Сормовском заводе в 1870 г. |
Главное положение Чернова заключается в том,
что сталь застывает не воскообразно, не однородной массой, а образует сложную
систему кристаллов. Это положение стало основой современного представления о
строении стали и металлов вообще.
Чернов долго и тщательно изучал кристаллизацию
различных веществ. Он выращивал большие кристаллы поваренной соли и различных
квасцов. С интересом наблюдал он явления замерзания воды. Сохранились снимки
оконных узоров льда, один из которых, как указывает надпись, сделан Черновым 24
февраля 1915 г., т. е. когда ему шел 76-й год. Все эти наблюдения позволили
Чернову создать схему затвердевания стали, которая впоследствии была
установлена и практически.
В процессе затвердевания жидкой стали прежде
всего появляются так называемые центры кристаллизации, дающие основу для роста
осей будущих кристаллов. Оси отбрасывают от себя многочисленные
перпендикулярные ветви, составляющие скелет кристалла. Затвердевание начинается
прежде всего в зоне соприкосновения жидкой стали с холодными стенками
массивного чугунного сосуда — изложницы. Расплавленный металл покрывается твердой
стальной коркой. Эта корка защищает жидкую сталь от быстрого остывании, процесс
затвердевания замедляется, и кристаллы получают возможность вырасти до большей
величины.
 |
| В процессе затвердевания жидкой стали прежде всего появляются центры кристаллизации, дающие основу для роста осей будущих кристаллов. Оси отбрасывают от себя многочисленные ветви, составляющие скелет кристалла. На рисунке схема скелета кристалла стали, изображенная Д. К. Черновым. |
При остывании сталь уменьшается в объеме,
однако внешние размеры стального слитка уже определены коркой затвердевшего
металла. Жидкого металла не хватает для заполнения внутренней полости слитка,
поэтому часть его остается не заполненной металлом и образует пустоту, или так
называемую усадочную раковину. В затвердевающем слитке, где находится большое
количество кристаллов, их растущие ветви переплетаются друг с другом,
искривляют друг друга. Бывают случаи, когда отдельный кристалл начинает расти в
усадочной пустоте. Этому кристаллу уже нет препятствий для роста со стороны
других кристаллов, его форма не искажается. Чернов собирал и изучал такие
кристаллы. В его коллекции хранился громаднейший кристалл, найденный в
усадочной пустоте 100-тонного стального слитка. Вес кристалла равнялся 3,45 кг,
а длина составляла 39 см. Фотография этого знаменитого кристалла, названного
кристаллом Чернова, вошла во все руководства по металлографии и пользуется
всемирной известностью.
 |
| В коллекции Чернова хранился громаднейший кристалл стали, найденный в усадочной пустоте 100-тонного слитка. Вес кристалла равнялся 3,45 кг, а длина составляла 39 см. Справа — автограф Д. К. Чернова. |
*
У стальных слитков часто бывали и другие
серьезные пороки. Сильно снижало качество стальных изделий значительное
количество больших и маленьких пузырей, сосредоточенных главным образом в
поверхностных слоях слитка. Эти пороки до некоторой степени «залечивались» во
время ковки или прокатки: при сжатии пустоты иногда заваривались. Однако очень
часто пустоты приводили к браку изделия.
Чернов изучает возникновение газовых пузырей в
стали и убеждается, что они являются результатом не закончившихся химических
реакций. Выделяющиеся при остывании стали водород, окись углерода, азот и другие
газы не могут пробиться сквозь слой густеющего металла и остаются в нем. Чернов
разрабатывает лучшие способы отливки (вращающаяся изложница). Он указывает, как
лучше вести процесс плавки, чтобы химические реакции закончились еще в печи. Он
устанавливает такой режим остывания стального слитка, при котором получается
металл высокого качества.
*
С 1889 г. до самой своей смерти Чернов
руководит кафедрой металлургии и сталелитейного дела Михайловской
артиллерийской академии в Петербурге. Лекции знаменитого профессора, имеющего
большой производственный опыт, вызывают исключительный интерес у слушателей.
Несколько поколений русских артиллеристов прошли серьезную школу под
руководством Чернова. Уезжая на заводы, они не теряли связи со своим учителем.
Чернов всегда быстро и аккуратно отвечал на письма, давал производственные
советы и справки своим бывшим ученикам.
Деятельность Чернова была многогранной. Он
отличался разносторонностью своих дарований. Наряду с большой работой,
проводимой им в области металлургии, Чернов интересовался геологией и
ботаникой, математикой и авиацией, фотографией и музыкой. Он задумывался над
такими проблемами, которые были полностью решены только много лет спустя.
Чернов мечтал найти способ получения стали прямо из руд, минуя доменный
процесс. Но только теперь металлурги достигли в этом отношении определенных
положительных результатов. Он детально исследовал вопрос о разгаре орудий, т.
е. изменении каналов стволов, производимом действием пороховых газов высокой
температуры.
Многосторонность Чернова роднила его с
великими учеными и художниками эпохи Возрождения. Подобно Леонардо да-Винчи, он
работал над проблемой летания человека с помощью крыльев, на аппаратах тяжелее
воздуха. В специальных докладах, прочитанных Черновым на заседаниях Русского
технического общества 17 и 23 декабря 1893 г., задолго до появления первого
аэроплана, он говорит о возможности механического летания без помощи баллонов.
Чернов внимательно изучает полет птиц, присматривается к устройству и работе их
крыльев и приходит к выводу, что человек может летать с помощью крыльев. Он
разрабатывает проект летательного аппарата, основной частью которого является
пропеллер, приводимый в действие посторонним источником энергии. Развитие
авиации показало, что и в этом вопросе Чернов стоял на верном пути.
Во время одного из своих докладов он
демонстрировал прибор, практически показывающий подъемную силу воздушного
винта. Прибор этот состоял из мощной пружины, которая весила 2,66 кг и имела
ширину 76 мм. Для того чтобы завести эту пружину, требовалось затратить около
60 кгм механической работы. С помощью системы шестерен пружина приводила во
вращательное движение вертикальный валик с насаженными на его верхнем конце
железными лопастями. Весь прибор, весящий 14 кг, помещался на чашку весов.
Валик с лопастями приводился в движение. Чернов выгибал лопасти на угол в 1° и
убеждался, что если валик делал 80 оборотов в минуту, вес прибора уменьшался на
5 г, а при 140 оборотах в минуту уменьшение веса равнялось 16 г. Увеличив угол
наклона лопастей до 2°, Чернов получил уже тягу винта, равную 27 г при скорости
вращения валика 140 оборотов в минуту.
 |
| Чернов практически установил подъемную силу пропеллера. Он поставил на чашку весов пружинный механизм, снабженный железными лопастями. При вращении валика с лопастями вес механизма уменьшался. |
Таким образом была практически доказана
подъемная сила пропеллера и установлена зависимость этой силы от угла наклона
лопастей и скорости их вращения.
*
Осенью 1916 г. Чернов опасно заболел и
вынужден был выехать для длительного лечения в Крым. В первые годы после
Октябрьской революции он не мог возвратиться в Петроград, для того чтобы
продолжать свою большую научную работу: Крым был отрезан войсками
белогвардейцев и интервентов. Эти годы Чернов жил впроголодь; белогвардейская
сволочь использовала 80-летнего ученого в качестве... садовника. Когда разбитые
наголову доблестной Красной армией интервенты и белогвардейцы поспешно удирали
из Крыма, англичане предлагали Чернову уехать с ними в Англию. Однако Чернов
категорически отказался покинуть свою родину, которой он отдал все свои силы.
Он умер в Ялте 2 января 1921 г.
*
Заслуги Чернова перед наукой огромны. Он создал новую отрасль науки — металлографию. Он сделал много для того, чтобы сталелитейное дело превратилось из ремесла и искусства одиночек в науку, законы которой стали известны человеку.
Комментариев нет:
Отправить комментарий