О чем эта книга?

К оглавлению
1 2 3 

Наука может быть реальной силой лишь тогда, когда научные знания становятся достоянием широких масс рабочих, техников и инженеров. Вооруженные наукой, они могут постоянно совершенствовать производственные процессы, создавать новое оборудование, обеспечи­вающее высокое качество изделий, и значительно повы­шать производительность труда.

Роль науки в жизни нашего общества все время воз­растает. Еще А.М.Горький писал: "У людей нет силы более победной, более могущественной, чем наука". И недаром в период становления Советской власти В.И.Ленин под­писал более двухсот документов о развитии науки.

Для того чтобы творчески использовать новейшие достижения науки в производственной деятельности, необходимо знать основные особенности развития науки и некоторые закономерности эвристической деятель­ности человека.

Следует подчеркнуть, что эмпирические знания еще не наука. Эмпирические знания, как правило, сводятся к констатации фактов или их описанию.

Сущность научного познания заключается в достовер­ности обобщенных фактов, в том, что за случайным просматривается закономерное, за единичным - общее. Только на этой основе можно делать научное предви­дение.

В истории науки есть много фактов, когда ученые, открывая новое явление, не сумели понять его сущности, не увидели проявляющейся закономерности, не заметили за единичным общее и поэтому не смогли своим открыти­ем внести весомый вклад в науку.

В чем же причина этого явления?Одной из причин науч­ной "слепоты" ученого, столкнувшегося с новым явле­нием природы, является психологический барьер, возни­кающий благодаря уже накопленным знаниям и сформи­ровавшимся на их основе установкам.

О том, как и почему появляются такие психологические барьеры и какими способами они преодолеваются, рас­сказывается в настоящей книге.

 Это случилось в Англии в середине XVII века. Ученый-энциклопедист Роберт Бойль организовал в своем замке в Стольбридже крупную для своего времени лабо­раторию. Группа сотрудников под его руководством проводила исследования по физике, химии и агрохимии.

В лаборатории, как обычно, кипела напряженная работа. В кабинет к Бойлю, который намеревался сделать обыч­ный утренний обход своих лабораторий, вошел садовник и поставил в углу корзину с великолепными темно-фи­олетовыми фиалками. Восхищенный их красотой и аро­матом, ученый, захватив с собой букетик цветов, напра­вился в химическую лабораторию, где проводились опыты по получению концентрированной соляной кислоты.

На столе стояли две бутылки с соляной кислотой, только что доставленные из Амстердама. Бойль попро­сил сотрудника отлить из бутыли немного кислоты в колбу. Едкие пары повалили из горла бутыли и медлен­но расползлись по столу, на который Роберт Бойль поло­жил букетик фиалок. Выходя из лаборатории, он заметил, что фиалки как бы слегка дымились - на них попали пары кислоты. Чтобы их промыть, Бойль опустил цветы в стакан с водой, а сам принялся читать книгу. Через некоторое время, оторвавшись от чтения, он взглянул на стакан с фиалками и не поверил своим глазам - фиалки стали красными...

Отбросив в сторону книги и воскликнув: "Эврика? Я нашел", ученый взял корзину с цветами и быстро напра­вился в лабораторию. А через некоторое время Бойль с помощью бумажки, пропитанной фиолетовым раствором лакмусового лишайника, определял уже не только кислый, но и щелочной раствор. Эту бумажку мы хорошо знаем со школьной скамьи. Так, как будто случайно, был открыт в химии первый индикатор. Но почему же Роберт Бойль сумел разгадать секрет изменения цвета фиалок? Чтобы это понять, сделаем небольшую экскурсию в науку, которая называется психологией познавательной дея­тельности.

Мыслительные способности человека могут полностью раскрыться только в творческой деятельности, в процес­се, в котором осуществляется поиск нового способа действия. Творческое мышление обязательно сопровож­дается приобретением знаний в процессе решения таких задач, к которым данный субъект не может подойти с готовым рецептом, с готовым алгоритмом. Покажем это на способе решения конкретной задачи.

Квадратный ров шириной 2,5 метра наполнен водой. Есть две доски точно такой длины. Необходимо, не соеди­няя доски в длину, положить их так, чтобы можно было пройти над рвом.

Обычно человек, решающий эту задачу, прежде всего старается положить имеющиеся доски в различные части рва. Этим самым он воссоздает объект по такому его образу, какой он хорошо знает из своего предыдущего опыта. Такой тип мышления называется репродуктивным. При репродуктивном мышлении новые (для данного субъекта) способы действия не появляются.

Пусть при решении предложенной задачи субъект убедился, что известным ему способом задачу решить невозможно. Тогда у него возникает потребность поиска новых способов действий. Исследование показало, что большинство людей при этом вспоминают, как устроены мосты вообще, и приходят к выводу, что мост обязательно должен иметь опоры. Понятие "опора" помогает решающе­му задачу составить необходимую конструкцию из двух досок. Одна доска длиной в 2,5 метра используется при этом в качестве опоры. Ее кладут на угол квадратного рва. Теперь ширина водной преграды уменьшилась, на опору можно положить вторую доску и перейти через ров. Так, в результате решения этой задачи возник новый, ранее неизвестный данному субъекту способ действия.

Что же привело его к новому способу действия? Преж­де всего воображение. Человек, как правило, воображает мост и обычные опоры. Именно опоры явились тем ориен­тиром, который в конце концов привел к организации нового типа опоры, соответствующего решению данной задачи.

Ориентир или ориентирующий знак имеет решающее значение в поиске новых действий, в творческой дея­тельности человека. Харак­тер ориентира приобретает какой-либо объект или явление, которые часто возникают совершенно нео­жиданно для субъекта.

Таким образом, вообра­жение - это создание в про­цессе мышления новых образов на основе прошлых восприятий и имеющихся понятий. Если восприятия позволяют человеку создавать образцы настоящего, память прошлого, то воображение как форма мышления позволяет это сделать в отношении будущего. С помощью воображения мы можем представить в своем сознании не только знакомые образы, но и те, которых фактически нет и не^ыло.

Воображение как форма мышления бывает двух типов: репродуктивное и эвристическое (творческое). При репро­дуктивном воображении образ создается на основе пре­дыдущего опыта личности. Таким было воображение в приведенном ранее примере. При творческом воображе­нии могут создаваться совершенно новые образы, однако эти образы обязательно связаны с опытом личности.

Репродуктивное и творческое воображения тесно взаимосвязаны. Талантливый ученый или конструктор исходит из каких-то уже установленных истин, а любой учащийся, воссоздающий образ какого-либо предмета, как это было показано на примере решения задачи "как перейти ров", совершает для себя пусть элементарный, но творческий акт. Уровень творчества зависит от соотно­шения   репродуктивной   и продуктивной (творческой) деятельности. Самый высокий творческий уровень дос­тигается тогда, когда субъект создает новый, оригиналь­ный для себя продукт мышления. Воображение ученого открывает явление новое для всех.

Сейчас давление воздуха кажется нам неопровержи­мой истиной, и мы легко воображаем это явление. Между тем, когда воображение знаменитого физика Эванджелис-та Торричелли (1608 - 1647) подсказало ему, что давление атмосферы существует, то даже известные физики с ним согласились не сразу. Дело в том, что им было очень трудно преодолеть устоявшиеся взгляды. Вот, что писал крупнейший ученый XVI века Николо Тарталья (1499 -1552), последователь Леонардо да Винчи: "... признано, что никакое тело не имеет тяжести, находясь само в се­бе то есть вода в воде, масло в масле, воздух в воздухе не имеют никакой тяжести". Отсюда вывод: воздух, "вынутый из атмосферы", ничего не весит, а пустота не существует.

В начале XVII века появились "вакуисты" Галилей, Бруно и другие. Являясь сторонниками существования пустоты, они признавали, что воздух обладает абсолют­ной массой. Однако наличие массы у воздуха не приво­дило к выводу об атмосферном давлении, наоборот, в некотором смысле оно даже исключало его. Рене Декарт (1596 - 1650), один из незаурядных мыслителей своего времени, доказывал с полным логическим обоснованием, что открытый Торричелли эффект давления воздуха не­возможен. Только благодаря знаменитому эксперименту с "магдебургскими полушариями", открытый Торричелли закон атмосферного давления был окончательно доказан и признан.

Таким образом, творчество немыслимо без вообра­жения. Научный опыт Бойля и его воображение дали воз­можность определить причину изменения цвета фиалок.

Что же мешает человеку творчески мыслить? Оказы­вается, в ряде случаев ему мешают как раз те знания, которые он приобрел. Они, эти знания, формируют у чело­века установки, часто действующие вне нашего сознания. Другими словами, установка является неосознанным побуждением к действию.

При решении совершенно новой проблемы установка может оказаться трудно преодолимым психологическим барьером. Предложите товарищам решить такую задачу. В хозяйственный магазин зашел глухонемой. Ему нужен молоток. Он подошел к прилавку и несколько раз постучал кулаком о прилавок. Продавец понял, что ему нужно, и подал молоток. За ним подошел к прилавку слепой. Ему нужны были ножницы. Что он сделает? Уверен, что боль­шинство ваших товарищей с помощью двух пальцев начнут воспроизводить режущие ножницы. Между тем слепой умеет говорить и ему объясняться знаками, конечно, не надо . . . Таким образом, многие ваши това­рищи не сумели преодолеть психологический барьер, который требовал быстрого перехода от одних условий ситуации (показ) к другим (речь).

При восприятии новой информации и решении проблем люди могут сталкиваться и с другими типами психоло­гических барьеров: барьером трафаретного пути мышле­ния, барьером узкой специализации, авторитетных заяв­лений, барьером предвзятого отрицания возможности решения задачи и другими. Примером преодоления барьера трафаретного пути мышления может являться известная задача Д.Ландау: "Впишите недостающую бук­ву: О, Д, Т . .. П". В отличие от простой задачи: "Впишите цифру: 1, 2, 3 ... 5" в задаче Ландау необходимо преодо­леть психологический барьер - здесь цифры даны на­чальными буквами (один, два, три ... пять). Если барьер трафаретного мышления преодолен, то легко заметить, что пропущенная буква Ч (четыре).

Аристотель, великий авторитет естествоиспытателей древности, написал в одном из своих сочинений, что у мухи восемь лапок. Этому свято верили почти две тысячи лет, пока кто-то из естествоиспытателей не удосужился пересчитать лапки у назойливого насекомого. Их ока­залось шесть...

Психологические барьеры часто проявлялись при оценке новых открытий или изобретений, противоречащих привычным представлениям людей. Так был отвергнут французскими учеными открытый американским ученым Франклином громоотвод. Франклина чуть ли не объявили авантюристом. Только опустошающий пожар от грозы во Французском посольстве, единственном доме без гро­моотвода в Вашингтоне, убедил французов в их ошибке. Между прочим сам Франклин тоже не сумел преодолеть аналогичный психологический барьер. Он не поверил в противооспенную сыворотку и запретил сделать прививку сыну, который впоследствии заболел оспой и погиб.

Открытия и изобретения обязательно связаны с прео­долением многих психологических барьеров. Когда известный физик Вольта получил электрическую дугу, образующуюся при прохождении тока между двумя угольными электродами, он понял, что высокую темпе­ратуру дуги можно использовать для технических целей, например для плавления металлов и сплавов. Но уголь­ные электроды, расположенные по одной линии, быстро обгорали, и дуга гасла. Как же сделать так, чтобы дуга долго горела? Сегодня эту простую задачу решат даже школьники младших классов. Между тем физик Вольта долгое время не мог ее решить, хотя думал о ее решении день и ночь. В чем же дело? А в том, что у Вольта быстро сформировался психологический барьер: "Дуга должна гореть между угольными электродами, расположенными по прямой линии".

Наконец, взгляд ученого случайно остановился на двух карандашах, лежащих на его письменном столе. Каран­даши составляли две параллельные прямые... "Эврика, -воскликнул Вольта, - электроды надо поставить парал­лельно, и дуга будет гореть долго!"

В то же самое время, когда серьезные психологичес­кие барьеры почему-либо отсутствуют, творческая лич­ность достаточно быстро находит необходимые способы решения задачи. Ярким примером этого явления может служить открытие дешевого способа получения кислорода выдающимся ученым нашего времени академиком П.Л.Капицей.

В начале сороковых годов в промышленности накопил­ся большой опыт интенсификации металлургических процессов с помощью кислорода. Например, академик И.П.Бардин доказал, что если добавлять достаточно кислорода в доменное дутье, то производительность домны намного увеличится. Применение кислорода в сталеплавильных процессах позволяет значительно увеличить производство стали в тех же агрегатах, сокра­тить рабочую силу, автоматизировать металлургические процессы.

Еще большее значение приобрел кислород для сварки металлов и сплавов. Благодаря своевременной органи­зации получения большого количества кислорода нашим машиностроителям удалось во время войны обеспечить производство необходимой военной техники.

В свое время решение проблемы получения кислорода было поручено академику П.Л.Капице, который до этого практически не занимался этим вопросом. Кислород тогда для промышленных целей получали в холодильной порш­невой машине, которая называется детандером. Сжатый воздух поступает в ее цилиндр, расширяясь, производит работу и охлаждается. Из жидкого воздуха легко получить кислород, поскольку температура его испарения выше, чем у жидкого азота. Коэффициент полезного действия поршневого детандера довольно низкий, что с одной стороны ограничивало получение кислорода в больших объемах, а с другой - делало этот процесс довольно дорогим.

Между тем ученые давно доказали, что для получения жидкого воздуха в больших масштабах следует исполь­зовать вместо поршневого компрессора турбину. Еще в начале XX века английский физик Рэлей предложил применить турбину для получения жидкого воздуха. С тех пор ученые в Англии и других странах упорно работали над созданием турбинного детандера, но значительных успехов не добились.

Общий ход рассуждений западных ученых был пример­но такой. Для того чтобы получить холод, строили порш­невые детандеры, и чтобы поднять их коэффициент полез­ного действия, прибегали к высоким давлениям. По ана­логии с энергетикой, где для получения болших мощнос­тей паровую машину заменили паровой турбиной, для холодильных установок стали применять в качестве детандеров общепринятые типы паровых турбин. На практике оказалось, что турбинные детандеры такого типа работали с низким коэффициентом полезного действия.

В чем же дело? А в том, что конструкторы турбинных детандеров были специалистами по тепловым машинам и не сумели преодолеть элементарный психологический барьер. Совершенно не учитывался тот факт, что воздух благодаря большой сжимаемости при низких температу­рах становится настолько плотным, что по своим физи­ческим свойствам приближается к жидкости. А раз так, то детандер для сжижения воздуха надо строить не по образцу паровых, а по образцу водяных турбин ...

П.Л.Капица, который никогда не занимался тепловыми турбинами, это понял. Уже первый построенный им детандер по типу гидротурбины показал очень высокий коэффициент полезного действия и доказал полную возможность этого метода обеспечивать большим коли­чеством дешевого кислорода нашу промышленность. Этот турбодетандер для сжижения кислорода быстро получил признание за рубежом.

В приведенном примере "аналогия" помешала решить творческую задачу. Но чаще именно аналогия помогает найти нужный ориентир.

Писатель Владимир Орлов рассказывает о таком факте. Инженер-мостовик Броун работал на веранде своей дачи над проектом стального моста через реку Твид. Перед ним лежал чистый лист бумаги, работа не клеилась. Отча­явшись, Броун оставил работу и пошел в сад подышать свежим воздухом. Там он увидел паука, вьющего паутину. Посмотрев на паутину, освещенную ярким летним солн­цем, Брон вдруг ... ясно представил вычерченный сереб-рянным по голубому чертеж своего моста.

Теперь Броун знал, с чего ему надо начинать и к чему стремиться. Он снова приступил к работе над чертежами и расчетами, и вскоре проект нового висячего стального моста без дорогих и сложных опор был готов.

Кто не слышал о легендарных свойствах булатной стали? Эта узорчатая сталь обладала прямо противопо­ложными свойствами: высокой твердостью и пластич­ностью, прочностью и упругостью, но самое главное она обладала режущими свойствами и способностью самоза­тачиваться.

Чем объяснить способность булата самозатачиваться? Нельзя ли эти свойства придать ножам косилки или резцам токарного станка? Над этими вопросами часто задумывался замечательный изобретатель двадцатых годов XX века Александр Михайлович Игнатьев (1882- 1936).

Однажды Игнатьева сильно поцарапал котенок. В связи с этим он подумал: "А почему когти и зубы грызунов и хищников никогда не тупятся, в чем секрет их "самоза­тачиваемости". Изобретатель решил, что именно здесь и следует искать секрет самозатачиваемости материала.

Действительно, зубы грызунов настолько остры, что их называют "резцами". Бобр своими резцами подтачивает дерево и валит его. Как же самозатачиваются его зубы? Может быть живой организм все время восстанавливает роговое вещество на когтях и эмаль на зубах? Но если это так, то "мертвые" зубы должны быстро затупиться, и Игнатьев ставит удивительный эксперимент. Он сооружа­ет приспособление, в которое вставляет две пары рез­цов молодого бобра. Эти мертвые зубы, вставленные в стальные челюсти, с помощью специального механизма "грызут" деревянные щепки и доски.

Изобретатель специально затупляет напильником резцы, но они самозатачиваются. Теперь все ясно, сек­рет - в строении самих резцов. Они состоят из твердых внешних слоев и мягких внутренних. На затупленных напильником концах мягкие слои подвергались большей нагрузке и истирались быстрее твердых. Когда же восста­навливается естественный угол заострения, мягкие слои испытывают уже меньшую нагрузку, а твердые большую, и в дальнейшем износ осуществляется равномерно так, чтобы угол заточки оставался постоянным. Вот почему зубы бобра самозатачиваются.

В 1926 году А.М.Игнатьев изобретает самозатачи­вающиеся токарные резцы. Каждый резец состоит из нескольких металлических слоев разной твердости. Уни­кальный режущий инструмент был в свое время запатен­тован в США, Англии, Франции и многих других странах. Сегодня многослойные стали широко используются для производства различного инструмента: промышленных ножей, пил, лемехов и лущильников, тракторных плугов и других изделий. Дальнейшее развитие производства многослойных сталей предусмотрено Основными нап­равлениями экономического и социального развития СССР на 1986 - 1990 годы и на период до 2000 года.

Рассмотрим подробно, как преодолевались психологи­ческие барьеры при решении практических проблем доцентом кафедры "Технология металлов" Курганского машиностроительного института изобретателем А.Г.Юш-ковским.

На одном металлургическом заводе необходимо было вырезать плиты из многослойного слитка стали длиной 1,5 и диаметром 0,5 метра. Слиток закреплялся на токар­ном станке и к нему подводилось несколько больших резцов. Расстояние между резцами соответствовало необходимой толщине плиты. Слиток вращался в токар­ном станке, и все резцы постепенно его разрезали. Но полностью нарезать стальной слиток на плиты было невозможно. В этом случае тяжелые плиты рухнули бы на станок. Поэтому в слитке оставляли шейку толщиной в несколько сантиметров, которая позволяла удерживать его в станке. После этого слиток снимали со станка, резко ударяли по нему, отчего он и распадался на отдельные плиты. Однако во время удара у 10 - 15 % плит происхо­дит вырыв - разрушение не шло по центру шейки. Плиты с вырывом отбраковывались. Но как ликвидировать брак по вырыву тела плиты?

Первый психологический барьер изобретатель прео­долел быстро: надо на шейке делать неглубокую канавку и тогда при ударах разрыв будет идти по этому месту. Но как делать канавку? Для этого надо иметь "надрезные" резцы длиннее разрезных, чтобы после окончания резки ими можно было выточить канавку на шейке. Но где их расположить и когда они должны вступать в действие? Решение казалось бы простое - дополнительный резец должен быть приведен в действие тогда, когда основные резцы закончили работу. Следовательно, надо изготовить приспособление, чтобы основные резцы отводить, а "надрезные" подводить. Но конструктивно это осущест­вить трудно, такой метод не годится. Снова барьер, который надо преодолеть. А что если "надрезные" резцы' поставить с другой стороны заготовки и подводить их, когда основные уже сделали надрез и образовали шейку? Да, это проще. Но и тут оказалось, что станок надо зна­чительно реконструировать, ведь он не приспособлен для "двусторонней" обработки стали. И снова поиски, раз­мышления, догадки. Но оказалось все так просто! Надо только изменить геометрию основного режущего резца, сделать его в виде остроугольного треугольника. Тогда он будет и резать, и канавку делать! Так возникло это заме­чательное и простое изобретение, которое позволило сэкономить многие тонны дорогой стали.

Сварные трубы большого диаметра металлурги свари­вают из стального листа. Но в процессе сварки трудно обеспечить круглое сечение трубы, обычно оно получа­ется эллипсоидальным. Поэтому после сварки трубу помещают в специальную камеру и нагнетают в нее под большим давлением воду.

Как известно, давление жидкости по всем направлени­ям одинаковое, поэтому такая операция обеспечивает трубам строго круглое сечение. Кроме этого, под давле­нием металл деформируется ("течет"), и диаметр трубы увеличивается. Давление "снимается" в тот момент, когда диаметр трубы достигает нужного размера. Если диаметр трубы больше требуемого, то совершенно ясно, что при монтаже трубопровода стыки отдельных труб нельзя будет сварить. Но точно измерить диаметр трубы во время "правки и доводки" было достаточно трудным делом. Поэтому фиксировали то давление воды в трубе, которое по опытным данным обеспечивало необходимый размер ее диаметра.

При таком способе количество брака возрастало, так как механические свойства каждой трубы даже из одной и той же стали чуть-чуть, но отличаются друг от друга. И это "чуть-чуть" не позволяло часто получать необходимые размеры диаметра трубы - трубы шли в брак.

Многие специалисты в нашей стране и за рубежом пытались решить проблему точного измерения диаметра трубы в период "доводки", но не решили. Не смогли преодолеть простого психологического барьера. А.Г.Юш-ковский его преодолел и необыкновенно простым спосо­бом решил эту проблему. Дело в том, что он нашел со­вершенно другие ориентиры. Он поставил перед собой вопрос: "Непосредственно измерить диаметр трубы в этом процессе практически невозможно, следовательно, надо искать пути косвенного замера".

Такой путь был найден, и измерение диаметра трубы было осуществлено достаточно простым способом. В результате: авторское свидетельство на изобретение, увеличение выхода годной стали, экономический эффект в несколько миллионов рублей в год.

Металлы, как и все вещества и материалы, состоят из атомов. Они характеризуются особыми свойствами: высокой теплопроводностью, хорошей отражательной способностью, высокой склонностью к пластической деформации. Металлы обладают высокой электропровод­ностью и термоэлектронной эмиссией - способностью испускать электроны при нагреве.

Свойства металлов объясняются их строением. Напри­мер, электропроводность и термоэлектронная эмиссия объясняются строением атомов металлов. Металлы - хи­мические элементы, расположенные в левой части Пери­одической таблицы Д.И.Менделеева. На наружных элект­ронных орбиталях у них находятся один-три электрона. Обладая небольшой энергией ионизации, атомы металлов легко отдают внешние электроны, превращаясь в элемен­тарные положительные ионы. Этим и объясняется их электропроводность и электронная эмиссия.

Среди металлов особое место занимает железо. В отличие от серебра, золота, меди и других металлов железо редко встречается в природе в чистом виде (ме­теоритное железо). Температура плавления железа 1539 °С. Сплавы железа с углеродом имеют более низкую температуру плавления. Но и такой температуры люди долго достигнуть не могли. Поэтому век железа, в кото­ром мы сейчас живем, начался сравнительно поздно -примерно за 800 - 10ОО лет до нашей эры.

Сплавы железа с углеродом называются сталями (содержание углерода до 2 %) и чугунами (содержание углерода 2-6 %). Сталь и чугун являются наиболее распространенными конструкционными и инструменталь­ными материалами в промышленности.

Свойства металлов и сплавов объясняются особым расположением их атомов в пространстве. Как же распо­ложены атомы в структуре металла?

Еще в 1784 году монах Р.Гаюи (1743 - 1822) выдвинул гипотезу, что минералы состоят из совершенно одина­ковых "кирпичиков" постоянной формы. Кирпичики об­разуются совокупностью тесно примыкающих друг к другу, чрезвычайно малых частиц, названных Гаюи "ин­тегрирующими молекулами". Позднее Л.Зеебер, Г.Дела-фосс и А.Браве модернизировали представление Гаюи, заменив "интегрирующие молекулы" точечными молеку­лами, расположенными на постоянных, чрезвычайно малых расстояниях друг от друга во вполне регулярном каркасе. Однако понадобилось более ста лет, чтобы эта гипотеза была научно доказана. А случилось это так.

После открытия рентгеновских лучей физики никак не могли научно объяснить их природу. Дело в том, что для рентгеновских лучей в отличие от световых не удавалось наблюдать обычные оптические явления - отражение, преломление, поляризацию и дифракцию. Чем же это объяснить? А тем, считали вначале физики, что рентге­новское излучение не имеет определенной длины волны. Вскоре выяснилось, что звуковые волны, длина которых изменяется от долей сантиметра до нескольких метров, хорошо отражаются от тел достаточно больших размеров, например, от стены. В то же время от тел малых разме­ров, скажем от вертикального столба в поле, они не отражаются совсем. Это объясняется тем, что в образо­вании отраженной волны должно участвовать большое число элементарных волн, исходящих от всех точек препятствия, на которые падает волна.

Таким образом, факт отсутствия отражения рентге­новских лучей не дает основания делать выводы о том, что они не имеют волновой структуры. Если длина волн рентгеновского излучения очень маленькая, меньше расстояния между атомами вещества, то каждый атом может вести себя как отдельный вертикальный столб в случае звуковой волны. В этом случае никакое отражение рентгеновских лучей невозможно, возможна лишь их дифракция.

Многие физики ставили опыты, целью которых было обнаружение дифракции рентгеновских лучей на чрезвы­чайно тонких щелях. Но разве мыслимо искусственно создать дифракционную решетку путем нанесения штри­хов, удаленных на расстояние, соизмеримое с разме­ром молекулы?

Казалось бы, непреодолимый барьер в 1912 году перешагнул немецкий физик Макс Лауэ (1879 - 1959). Он высказал оригинальную гипотезу: "Если кристалл обла­дает регулярным каркасом, то для рентгеновских лучей он должен быть дифракционной решеткой!". Следова­тельно, если удастся установить дифракцию рентге­новских лучей на кристаллах, то одновременно будет доказана волновая природа рентгеновских лучей и дано экспериментальное подтверждение гипотезы о строении кристаллов.

Примененная Лауэ для эксперимента установка была очень простой: свинцовые пластинки защищали неболь­шой кристалл каменной соли от прямого воздействия рентгеновских лучей. Во всех свинцовых пластинах были проделаны крошечные отверстия, расположенные вдоль одной прямой. Проходя эти отверстия, пучок рентге­новских лучей должен был попадать на кристалл и далее на фотопластинку, защищенную черной бумагой от посто­роннего излучения. Опыты Лауэ увенчались успехом: на пластинке были обнаружены симметричные пятна...

Вскоре аналогичные опыты были повторены многими физиками. Однако подобно Лауэ, никто из них не понял огромного практического смысла наблюдаемого явления.

В мемуарах известного английского физика У.Г.Брэг­га-отца (1862 - 1942) описывается возможность при­менения рентгеновского излучения для определения параметров кристаллической решетки материалов. "Я могу совершенно точно назвать место в парке возле нашего колледжа, - пишет Брэгг, - где я гулял и где я вдруг понял, что, используя эффект Лауэ, можно познать структуру расположения атомов в кристаллах, а затем и не в кристаллах". Так, как будто случайно, Брэгг преодо­лел этот психологический барьер. Почти одновременно с Брэггом к аналогичным выводам пришел известный русский кристаллограф Г.В.Вульф (1863 - 1925). Иссле­дование дифракционных фигур позволило Г.В.Вульфу, У.Г.Брэггу-отцу и П.У.Брэггу-сыну (1890 - 1971) опреде­лять длину волны применяемого рентгеновского излу­чения. Зная длину волны, можно найти достаточно строгую зависимость между пятнами на пластинке и атомно-крис-таллической структурой вещества.

Многочисленные работы, проведенные с тех пор физи­ками всего мира, показали, что в твердых металлах атомы располагаются в пространстве вполне определен­ным, закономерным образом, образуя такую же кристал­лическую решетку, которая наблюдается в минералах.

Кристаллическая решетка складывается из элементар­ных кристаллических ячеек. Кристаллической ячейкой удобно изображать расположение атомов в кристалле. Например, в кубической объемноцентрированной решетке восемь атомов расположены в каждой из вершин куба и один на пересечении его пространственных диагоналей. В идеальной кристаллической решетке все ее узлы запол­нены атомами, вернее ионами, а в междоузлиях распо­ложен только электронный газ.

Железо существует в двух полиморфных модифика­циях: а-железо, которое устойчиво при температурах до 910 °С и выше 1390 °С, и v-железо, устойчивое в интерва­ле температур 910 - 1390 °С. Кристаллическая решетка ос-железа - объемноцентрированный куб, а у-железа -гранецентрированный. Изменение кристаллической решетки при нагревании и охлаждении называется поли­морфизмом.

Железо с углеродом образует химическое соедине­ние карбид железа (цементит). Кроме того, углерод растворяется в твердом железе. Твердый раствор угле­рода в а-железе называют ферритом, а в т-железе аусте-нитом.

Многие металлурги наблюдали изменение свойств стали в зависимости от температуры ее нагревания и скорости последующего охлаждения. Но только русскому ученому Дмитрию Константиновичу Чернову (1839 - 1921) пришла счастливая мысль, что изменение свойств стали зависит от изменения ее фазового состава. А раз так, то должна быть вполне определенная температура измене­ния фазового состава стали. И Д.К.Чернов открывает критические точки фазовых превращений в стали и опре­деляет их зависимость от содержания в стали углерода.

Открытие критических точек превращения в стали сделало возможным научно объяснить процессы, проис­ходящие в стали при ее закалке и отпуске. С древних времен известно, что закалка - нагрев стали до опре­деленной температуры и быстрое охлаждение ее в воде или масле - делает сталь твердой и прочной. Отчего же зависит прочность металлов и сплавов?

Прочность металлов и сплавов определяется их атом-но-кристаллической структурой. В 1926 году выдающийся советский физик Я.И.Френкель подсчитал, что прочность реальных металлов в сотни и тысячи раз меньше теорети­ческой. В чем же дело?

Физики немало лет ломали голову над этой загадкой, пока наука в конце концов не помогла ее разгадать. Оказалось, что реальные металлические изделия состоят из большого числа кристаллов, которые имеют разную ориентацию кристаллической решетки. В таком поли­кристаллическом агрегате кристаллы принимают непра­вильную форму и их называют зернами или кристалли­тами. Если кусок металла представляет собой один кристалл, то его называют монокристаллом.

В отличие от монокристалла строение кристаллитов несовершенно. Одним из видов несовершенного строения является наличие незанятых мест в узлах кристалличес­кой решетки - атомных "дырок", называемых вакан­сиями. Другим видом являются так называемые дисло­кации. Дислокацией (смещением) в геологии называ­ют нарушения первоначального залегания пластов земной коры, в результате которых образуется складка или сдвиг. В кристаллической решетке дислокация - это также смещение или сдвиг, приводящий к образованию лишнего ряда атомов. Дислокация образует в кристаллической решетке "лишнюю" неполную плоскость или полуплос­кость, которая получила название экстраплоскости.

Многочисленные экстраплоскости не проходят через все сечение кристалла, они обрываются внутри него. Экстраплоскость образует линейный дефект решетки -краевую дислокацию. Краевая дислокация может прости­раться в длину на многие тысячи ячеек решетки, может быть прямой, а может выгибаться в ту или другую сто­рону. В пределе она может закрутиться в спираль, образуя винтовую дислокацию. Вокруг дислокации возникает целая зона упругого искажения решетки, вызванная отталкиванием дислоцированных (внедренных в междо­узлия) атомов экстраплоскости.

Помните, что дислокация - это "складка". Теперь представьте себе, что нужно передвинуть по полу ковер.

Тащить его за край довольно тяжело. Сделайте на ковре складку и вы значительно облегчите его передвижение. Если ковер передвигать по полу постепенно, по мере волнообразного передвижения складки, то для его дви­жения потребуется совсем немного усилий. В металле дислокации играют роль примерно таких же "складок".

Вследствие искажения решетки в районе дислокаций последняя под действием небольших напряжений легко смещается и дислоцированные атомы занимают поло­женное им место в узлах кристаллической решетки. Но вслед за ними смещается соседняя плоскость атомов, занимая место дислоцированных, то есть превращаясь в экстраплоскость и вновь образуя краевую дислокацию.

Что же заставляет дислокацию перемещаться? Оказы­вается ее "толкают" атомы, расположенные непосред­ственно за ней. У них в результате искажения решетки появляется избыточная энергия и, чтобы избавиться от нее и занять новое стабильное положение, они сталкивают дислокацию на новое место. Поскольку дислокация испытывает давление с обеих сторон, суммарное воз­действие на нее равно нулю. Поэтому "атомы-толкачи" начинают работать лишь тогда, когда они сами испыты­вают давление от внешних сил.

Таким образом, дислокации могут сравнительно легко перемещаться под действием небольших напряжений. Это значит, что реальные металлы и сплавы деформируются постепенно за счет небольших смещений атомных слоев в области дислокаций. Говорят, что движение дислокаций напоминает движение гусеницы. При ее движении лишь у ограниченного количества атомов нарушаются связи.

Механизм деформации идеального кристалла состоит в сдвиге одних атомных плоскостей относительно других. Для такого сдвига требуются значительные усилия - этим и объясняется высокая теоретическая прочность моно­кристаллов по сравнению с поликристаллами реальных металлов и сплавов.

Пока под влиянием приложенной к металлу силы движутся дислокации, сопротивление металла дефор­мации невелико, значит, и прочность металла небольшая. А если движение дислокаций затруднено, если постав­ленный им заслон вообще мешает им перемещаться? Скажется ли это на прочности металла? Да, конечно, металл в этом случае будет труднее поддаваться дефор­мации и прочность его возрастет. Следовательно, для повышения прочности металла необходимо либо устра­нить дислокации вообще, либо повысить сопротивление их перемещению.

При деформации дислокации движутся подобно нитке -они способны изгибаться, цепляться за препятствия, образовывать клубки и даже уничтожать друг друга. В клубках плотность дислокаций достигает значительной величины, им становится очень трудно перемещаться. Значит, образование клубков дислокаций приводит к упрочнению металла или сплава.

Но где взять ту преграду, которая остановит движение дислокаций? Оказывается такое препятствие можно найти и даже не одно. Существует несколько способов тормо­жения дислокаций. Один из них - уменьшение размеров зерен. Границы зерна являются препятствиями для пере­мещения дислокаций.

Добавление в кристаллическую решетку атомов других элементов также приводит к торможению дислокаций. Чужеродные атомы окружают дефекты, блокируют их, не дают возможности дислокациям перемещаться. Теперь хорошо известно, что легирование стали хромом, вольф­рамом, марганцем, ванадием и другими легирующими элементами значительно повышает ее прочность.

Препятствием для перемещения дислокаций являются также любые искажения кристаллической решетки и "инородные" включения, соизмеримые с ее размерами. В качестве таких упрочнителей применяют высокодисперс­ные карбиды, нитриды, оксиды, интерметаллиды. Стали и сплавы, упрочненные таким образом, обладают чрезвы­чайно высокой прочностью. Самый простой способ упроч­нения металла - это пластическая деформация. С увели­чением степени деформации растет количество дислока­ций и уменьшается их подвижность. Это приводит к увеличению плотности дислокаций. Конечно, увеличение плотности дислокаций ведет к упрочнению металла до определенного предела. При слишком большой плотности дислокаций образуются микроскопические трещины и металл разрушается.

Таким образом, прочность металла повышается в двух случаях: когда в кристаллической решетке совершенно нет дефектов или плотность дислокаций достаточно велика.

Это произошло во время второй мировой войны. Новые весьма необходимые автоматические приборы, исполь­зующиеся в военной технике, выходили из строя один за другим - замыкались контакты. Видимую причину замы­кания долго найти не могли. Наконец после тщательного наблюдения установили: виновниками аварии являются тонкие волоски олова, выступавшие на тончайшей оло­вянной пленке, нанесенной на сталь. Волоски состригли и начали работать. Через некоторое время контакты вновь замкнулись, и исследователи опять обнаружили все те же волоски олова. Сколько их в дальнейшем ни "стригли", они вырастали вновь. Поэтому ученые назвали эти волос­ки "усами". Но почему рождались волоски и росли "усы", - этого никто ни понять, ни объяснить не мог!

После войны физики и металлурги более тщательно исследовали причины появления "усов". "Ус" имел толщину около 1,5 микрон. Оказалось, что тончайший "ус" обладал колоссальной прочностью. Если бы такой волосок имел сечение в один квадратный миллиметр, то он вы­держал бы нагрузку в несколько сот килограммов!

Рентгеноструктурный анализ помог разгадать ска­зочные свойства "усов" - они представляли собой почти бездефектные, "идеальные" монокристаллы чистого олова!

Как показали дальнейшие эксперименты, отсутствие дефектов в "усах" объяснялось условиями их роста и малыми размерами. Они росли столь быстро, что дефекты просто не успевали возникнуть.

Было обнаружено также, что "усы" после рождения могут быстро "погибать" за счет появления примесей в результате окисления их поверхности. Поэтому надо было принимать специальные меры для сохранения выражен­ных "усов". Поскольку "усы" состояли из отдельных нитей, их назвали также нитевидными кристаллами или монокристаллами.

Сегодня существует более 100 способов получения монокристаллов. Наиболее совершенными свойствами обладают нитевидные кристаллы, полученные осажде­нием из газовой фазы. В трубчатую печь помещают алун-довый или кварцевый тигель в виде лодочки с хлористой солью металла. При нагреве происходит возгонка соли. Через печь пропускают водород, который восстанавли­вает соль до металла. Нитевидные кристаллы появляются на стенках лодочки в виде пушистых наростов. Рост нитевидных кристаллов определяется влажностью, чис­тотой и количеством соли, стабильностью режима вос­становления. Основными факторами всегда являются температура и скорость восстановления.

В СССР в шестидесятых годах Е.М.Савицкий с сотруд­никами получил нитевидные кристаллы почти всех туго­плавких металлов. В настоящее время получают ните­видные кристаллы чистых металлов размером 2-10 мил­лиметров и толщиной от 0,5 до 2,0 микрон, практически лишенные дефектов кристаллической решетки. Эти моно­кристаллы обладают прочностью, близкой к теорети­ческой.

Так, например, предел прочности (в мегапаскалях) монокристаллов железа составляет 13000, меди 3000, цинка 2000, в то время как техническое железо имеет предел прочности 300, медь 250, цинк 180.

Исследование поверхности нитевидных кристаллов показало, что она не имеет микроскопических трещин. Кристаллическая решетка "усов" характеризуется почти полным отсутствием дислокаций. Таким образом, от­сутствие в металле каких-либо примесей при определен­ных условиях обеспечивает бездефектную структуру его кристаллов. Бездефектная структура чистых ("одно­родных") металлов является надежным способом повы­шения их прочности.

Но как же использовать в качестве материала ните­видные кристаллы, если они имеют столь малые разме­ры? И тут ученым вновь пришлось преодолевать немалый психологический барьер. Вопрос был решен, казалось бы, просто: оказывается можно сделать композиционный материал, в состав которого входили бы небольшие волоски металлов. Такие материалы сегодня находят все большее и большее применение в технике.

Интересно, что нитевидные кристаллы высокой прочности встречаются и в природе. К ним, например, можно отнести нефрит - разновидность минерала актинолита -лучистого камня (по-гречески "актис" - луч, "литое" -камень).

Нефрит состоит из игольчато-лучистых, иногда волосо­видных скоплений. Его цвет может меняться в зависи­мости от содержания в нем оксида железа, от светлых зеленовато-серых тонов до темно-зеленых. С древнейших времен нефрит ценится как необычайно прочный поделоч­ный камень. В Самарканде в мавзолее Гур-Эмира вы­деляется строгой красотой темно-зеленое нефритовое надгробие Тимура. Оно выглядит так, словно только вчера сооружено.

Мы уже рассказывали об огромной прочности метал­лических "усов". Однако наиболее прочными из всех известных материалов являются графитовые нитевидные кристаллы, их прочность на растяжение достигает 2-Ю4 мегапаскалей, а модуль упругости составляет 106 мегапаскалей. И все это при относительной легкости этого материала. Известны два способа получения ните­видных кристаллов графита: в дуге с графитовыми элек­тродами, горящей при высоком давлении, и при терми­ческом разложении углеводородов.

Сапфир - одна из форм существования оксида алюми­ния. Нитевидные волокна сапфира получают из расплав­ленного оксида алюминия. Устройством для вытягивания волокон служит молибденовый капилляр, укрепленный на дне молибденового тигля. Расплав оксида алюминия при температуре плавления 2050 °С поднимается по капилля­ру, захватывается затравкой, с помощью которой вытя­гивается волокно. Вытягивание волокон диаметром 0,1 - 0,5 миллиметра производится с достаточно большой скоростью. Прочность сапфировых волокон при растяже­нии достигает 2600 мегапаскалей.

К сожалению, до настоящего времени не разработаны эффективные методы введения нитевидных кристаллов в различные матрицы. Не изучены также в достаточной мере методы предотвращения взаимодействия и дости­жения необходимой степени сцепления нитевидных кристаллов с матрицей. Это в значительной мере пре­пятствует достижению высокого уровня упрочнения и позволяет использовать только малую часть исключи­тельных свойств нитевидных кристаллов. Кроме того, производить нитевидные кристаллы пока еще сложно и они еще очень дорогие.

В то же время исторический опыт свидетельствует о том, что при необходимости стоимость материала может быть резко снижена. Так, например, в середине прошлого столетия алюминий был в 1500 раз дороже золота и использовался только для изготовления украшений. Есть сведения, что на приеме во дворце Тюильри всем гостям подавали еду в золотой посуде, только императорская семья и самые знатные гости были удостоены чести есть из небольших алюминиевых тарелок. Все это, как извест­но, не помешало Н.Г.Чернышевскому заявить, что алю­миний - металл великого будущего, металл социализма. Предвидение замечательного писателя оправдалось. Алюминий сегодня один из самых распространенных и дешевых металлов в мире. Нет семьи, не пользующейся какими-либо предметами из алюминия.

Можно предположить, что такая же участь ожидает и нитевидные кристаллы. Уже сегодня освоено промыш­ленное производство "усов" сапфира и карбида кремния. Цена на них за последнее время снизилась более чем в 200 раз. Волокна сапфира характеризуются высокой химической инертностью к металлам, что дает возмож­ность использовать их в качестве упрочнителей никеле­вых, кобальтовых, титановых и других сплавов для работы при высоких температурах. Нитевидные кристаллы сапфира (прочность 7000 мегапаскалей) и карбида крем­ния (прочность 12000 мегапаскалей) в будущем начнут широко использовать в качестве армирующих мате­риалов.

Одна из проблем, которую надо решить для эффектив­ного использования волокон, - это проблема хорошего сцепления твердых и прочных нитевидных кристаллов с мягкой и пластичной металлической матрицей. Разреши­ма ли эта проблема? Оказывается, да! Недавно было найдено, что покрытие из сплава железоникелькобаль-тового сплава, нанесенное на поверхность нитевидных кристаллов сапфира вакуумным напылением, обеспечи­вает достаточно прочное сцепление волокон этого ма­териала со сплавом никель - палладий. Установлено также, что предварительная обработка поверхности углеродных волокон или нанесение на них барьерного слоя металлов, карбидов или нитридов значительно улучшает их смачиваемость металлом матрицы, а следо­вательно, и прочность сцепления с ней.

В связи с этим весьма перспективным становится композиционный материал на основе углеродного волок­на. Хотя углеродное волокно известно более 70 лет, интерес к нему возник сравнительно недавно, после того как был разработан процесс получения высокопрочных углеродистых волокон методом низкотемпературной графитизации. Этим методом получают углеграфитные волокна прочностью 3500 мегапаскалей. Волокна выпус­каются в виде нитей, содержащих 1000 - 2000 элементар­ных волокон.

Давайте представим, что ученые и инженеры нашли метод получения дешевых углеграфитных волокон, а еще лучше нитевидных кристаллов графита и разработали эффективную технологию армирования такими кристал­лами пластмассы. Такой ма­териал может быть в 2-6 раз прочнее легированных ста­лей и гораздо легче алюми­ния. Он очень легко будет подвергаться горячей дефор­мации, для этого его надо будет нагреть всего до 100-120 °С. Такой материал можно "ковать" после наг­ревания в воде или паре.

Автомобиль из композици­онного волокнистого материала будет в 3 - 4 раза легче, чем обычный, его сумеет поднять один человек ... Кроме того, в любых погодных условиях кузов автомобиля не будет подвержен атмосферной коррозии, а расход горю­чего сократится в несколько раз.

Читатель может быть думает, что это все фантазия? Нет. Фирма "Форд" уже сделала опытный образец такого автомобиля! Однако пока что его стоимость составляет несколько миллионов долларов!

Появление сравнительно дешевых автомобилей из прочных и легких композитов - дело недалекого будуще­го. Получение и применение композиционных материалов в промышленности развивается быстрыми темпами. Так, первый высокопрочный композиционный материал, армированный нитевидными кристаллами, был получен в 1961 году, а в 1975 году такие композиции уже применя­лись в газотурбинных двигателях, корпусах глубоковод­ных аппаратов, в качестве пропитанных тканей, тросов, кабелей и других изделий. Есть все основания предпо­лагать, что скоро композиты будут армировать волокнами с пределом прочности 7000 - 15000 мегапаскалей, а промышленность в достаточно большом количестве будет производить дешевые композиционные материалы на их основе. Можно предполагать, что волшебные нити широко будут использоваться для получения легких и прочных материалов.

Исследование свойств различных армированных материалов показало, что не только по прочности, но и по другим физико-механическим свойствам они превос­ходят каждый компонент, входящий в их состав. Созданы материалы, выдерживающие большие нагрузки, подвер­гающиеся значительному тепловому воздействию, при частых и резких сменах температур. Например, введе­нием волокон асбеста в керамику можно повысить в несколько раз ее способность выносить тепловые удары. Волокна асбеста связывают зерна огнеупора и предохра­няют их при резких перепадах температур от распада. Если изготовить трубку из керамической массы шамота (огнеупорной глины), добавив в качестве высокотемпе­ратурного связующего скелета волокна каолина, то тер­мостойкость шамота возрастает в десятки и даже сотни раз. Без подобных материалов сегодня немыслимы ато­моходы, сверхзвуковые самолеты и космическая аппа­ратура.

Уже сегодня волокнистые композиционные материалы конструируются как из металлической, так и из керами­ческой основы и упрочняющего волокна. Для получения волокон в зависимости от требуемых свойств материала используют самые разнообразные компоненты: молибден, вольфрам, оксид алюминия, каолин, графит, различные бороды, карбиды и нитриды. Каждое из таких волокон придает материалу определенный комплекс свойств. Введение волокон в матрицу чаще всего осуществляется методом формования волокон и порошка материала для матрицы или пропиткой волокон жидким материалом матрицы.

Только алмазные волоки способны длительное время противостоять разрушающему действию движущейся металлической полосы или проволоки. Стойкость алмаз­ных волок в тысячи раз большестальных и они практи­чески незаменимы при волочении тонких проволок из высокопрочных сплавов, особенно в тех случаях, когда требуются точная окружность, постоянный диаметр сечения и гладкая поверхность.

Даже нити парашютной ткани протягиваются только с помощью алмазных волок. Они обеспечивают нити необ­ходимую гладкость, которая гарантирует своевременное и быстрое раскрытие парашюта.

Примечательно, что первое производство алмазного инструмента в нашей стране было организовано в конце прошлого века Константином Сергеевичем Алексеевым (Станиславским), широко известным актером, режиссе­ром и основоположником науки о театре. Любопытно, что свою деятельность молодой инженер Станиславский начинал на московской фабрике, выпускавшей тончайшую проволоку и канитель (тонкую витую проволоку). Из канители делались самые дорогие серебряные и золотые изделия.

В производстве применялись чугунные волоки, с помощью которых процесс вытяжки тонкой проволоки был очень длительным ("канительным"). Применение алмаз­ного инструмента затруднялось в связи с тем, что вплоть до конца XIX века производство волок из драгоценных камней было монополией западных фабрикантов, в ос­новном французских и итальянских.

К.С.Станиславский едет за границу, знакомится с производством алмазного инструмента и по возвращении в Москву организует на фабрике цех по изготовлению алмазных волок. На состоявшейся в 1900 году Всемирной промышленной выставке в Париже продукция золотока-нительной фабрики получила высшие награды, а К.С.Ста­ниславский был награжден медалью и дипломом выс­тавки.

Как же обрабатывать алмаз, если он самый твердый из известных материалов? Долгое время алмазы служили только для украшений. Обрабатывать их не умели и они выглядели не совсем эффектно в своей естественной тусклой оболочке.

В 1745 году голландец Людвиг Беркен уже применял способ гранения, шлифования и полирования алмазов при помощи порошка этого же драгоценного минерала. Он обработал для бургундского герцога Карла Смелого крупнейший в Европе алмаз лимонно-желтого цвета, огранив его "розочкой". Этот легендарный алмаз полу­чил название "Санси". Он был куплен в свое время П.Н.Демидовым и привезен в Россию.

Полированные алмазы, сверкающие всеми своими гранями, были очень красивыми. С давних времен алмазы обрабатывают алмазным инструментом. На станке, подобном токарному, алмазную заготовку обтачивают острыми выступами другой такой же заготовки. Распили­вают, шлифуют или сверлят алмаз алмазным порошком, нанесенным на быстро вращающийся инструмент. В последнее время для ускорения обработки применяется вибрация инструмента с ультразвуковой частотой.

При обработке алмаза алмазными резцами превра­щается в отходы больше половины драгоценного крис­талла. Процесс обработки алмаза очень трудоемкий и дорогостоящий. Но это еще не все. Оказывается, механи­ческим способом алмаз удается обрабатывать не во всех направлениях. Особенности кристаллической решетки алмаза делают его неодинаково твердым в разных плос­костях. Поэтому алмаз поддается механической обработ­ке только по "мягким" направлениям и распиливать его можно лишь таким образом, чтобы плоскость среза соответствовала расположению атомов углерода в плоскостях куба и ромбододекаэдра.

В последнее время для обработки алмаза начали использовать луч лазера, который выжигает вещество. Импульс света делает в алмазе воронку. Серией импуль­сов, направленных в одну точку, алмаз сверлят, а распо­лагая импульсы в ряд - режут. При лазерной обработке поверхность воронок трескается из-за сильных терми­ческих напряжений. Слои алмаза, нарушенные лазером, приходится удалять с помощью все той же механической обработки.

Ученые долгое время искали новые, эффективные способы обработки алмаза. Один из таких способов, существенно упрощающий изготовление традиционных изделий из алмаза и открывающий новые возможности его обработки, разработан в Якутском филиале Сибирско­го отделения АН СССР. Он основан на явлении, давно известном металлургам, - растворении алмаза (углеро­да) в железе. Известно это явление очень давно, а вот применять его для резки алмаза научились совсем недав­но. В чем же дело? Чтобы ответить на этот вопрос, необ­ходимо рассмотреть строение и свойства алмаза. После этого читателю станет ясно, какие барьеры необходимо было преодолеть, чтобы заставить железо резать алмаз.

Каждый атом углерода в структуре алмаза соединен со своими соседями четырьмя прочными связями, назы­ваемыми ковалентными. Природа этих самых прочных связей определяется небольшим размером атомов угле­рода. С другой стороны, благодаря своему небольшому размеру атомы углерода при соответствующей темпера­туре способны проникать в решетку металлов, образуя твердый раствор внедрения. Растворять в себе углерод могут не все металлы, а только те, атомы которых имеют недостроенную внутреннюю электронную оболочку. Они называются переходными металлами. Из переходных металлов лучше всего в твердом состоянии растворяют углерод железо, никель и кобальт.

Много лет тому назад во Франции для подтверждения углеродной природы алмаза был проделан следующий эксперимент. Алмаз положили на брусок железа, который нагрели в нейтральной среде до 1000 °С. В месте контакта с алмазом мягкое железо науглеродилось и превратилось в сталь. Этот опыт хорошо объясняет, почему железо в ряде случаев не удавалось обрабатывать алмазными резцами - оно нагревалось и растворяло алмаз.

Читатель уже, наверное, догадался, как можно железом резать алмаз. Да, действительно, если положить на алмаз железную проволоку и нагреть в вакууме, то атомы углерода начнут "внедряться" в железо, а алмаз будет растворяться и проволока его разрежет!

Но процесс растворения углерода в железе не беско­нечен. Проволока сравнительно быстро "насытится" углеродом и процесс "резания" сначала резко замедлит­ся, а потом прекратится совсем. Следовательно, чтобы железо "резало" алмаз, из него необходимо все время удалять углерод. В этом случае железо не будет терять своих "режущих свойств". А как это сделать? Якутские ученые дали исчерпывающий ответ на этот трудный вопрос.

Дело в том, что при растворении алмаза в железе происходит разрыв прочных ковалентных связей, которы­ми атомы углерода связаны между собой в решетке алмаза. В твердом растворе внедрения, который образует углерод в железе при 1000 °С, растворимое вещество (углерод) практически находится в атомарном состоянии, испытывая лишь слабое химическое взаимодействие с металлом-растворителем (железом). Поэтому растворен­ные в железе атомы углерода значительно более активны, чем в алмазе. При температуре "резания" 1000 °С алмаз не способен взаимодействовать с водородом или угле­кислым газом, а растворенный в железе углерод хорошо с ними взаимодействует. Реакция протекает на поверх­ности металла и сопровождается образованием газооб­разных продуктов: метана или оксида углерода.

Если на алмаз поместить тонкую железную пластинку и нагревать ее до температуры выше 1000 °С в атмосфере водорода, то углерод начнет растворяться в железе и за счет диффузии двигаться в направлении поверхности пластинки. Достигнув ее, он "найдет" водород и, соеди­нившись с ним, образует метан, который тут же покинет пластинку. Растворяя углерод алмаза своей нижней поверхностью и передавая его газу верхней, железная пластинка будет равномерно погружаться в алмаз. Ско­рость погружения (она же скорость резания) будет зави­сеть от температуры, толщины пластинки, состава, давления и скорости протекания газа над пластинкой. А форма образующейся в алмазе полости с вертикальными стенками будет полностью соответствовать выбранной форме погружаемого в него железа или сплава на его основе.

Разработанным термохимическим способом обработки алмаза в Якутском институте геологии "гравировали" на его кристаллах всевозможные рисунки, вырезали шесте-" ренки, делали отверстия заданного диаметра. Были разработаны также термохимические методы шлифовки и обработки некоторых видов поликристаллических алмаз­ных пеков. Новый способ обработки алмаза перспективен и найдет свое место в работе с самым твердым в мире материалом.

Длительное время в качестве самого износостойкого инструмента для протяжки проволоки использовали только алмаз. В производстве лампочек накаливания для волочения вольфрамовой нити применяли исключительно алмазные фильеры. Особенно дорого стояли алмазные фильеры для протяжки проволок больших диаметров. Естественно, что дорогостоящие и дефицитные алмазы всячески старались заменить каким-либо другим по возможности равноценным и дешевым материалом.

В начале XX века появились исследования, показы­вающие, что алмаз можно заменить твердыми и тугоплав­кими, но более дешевыми карбидами металлов. Лучше всего для этой цели проходил карбид вольфрама. Попытки применить литой карбид вольфрама не дали положитель­ных результатов - изделия имели низкую прочность и высокую хрупкость. Дальнейшие поиски показали, что хрупкость карбида вольфрама можно несколько умень­шить при сохранении высокой твердости посредством добавления железа, никеля и лучше всего кобальта. В 1923 году в Германии патентуется способ спекания порошка карбида вольфрама с применением в качестве цементирующей связки порошка кобальта до десяти процентов. В более поздних патентах содержание кобаль­та увеличивается до двадцати процентов.

Положительный опыт применения твердых сплавов при волочении вольфрамовой проволоки открыл широкий путь для использования этого материала в других областях техники в качестве твердосплавного режущего инстру­мента. Так, изделие, предназначенное для одной узкой цели - производства лампочек накаливания с вольфра­мовой нитью, получило совершенно непредвиденное вначале универсальное значение.

Впервые спеченный твердый сплав для режущего инструмента был получен на основе порошков монокар­бида вольфрама и кобальта в 1923 - 1925 годах гер­манской фирмой "Осрам" по патенту немецкого инженера Шрёттера. В 1926 году промышленное производство таких сплавов под названием "видиа" (от немецкого "wie Diamant" - " как алмаз") было начато фирмой Круппа. Сплав "видиа" оказался очень хорошим материалом для металлорежущих резцов, наконечников для напайки на сверла, пластинок для фрез, пил, зенкеров и разверток. Благодаря новому композиционному материалу оказа­лось возможным обрабатывать резанием такие стали и чугуны, из которых раньше можно было получать изделия только ковкой или литьем. Этот материал, как в свое время быстрорежущая сталь, произвел революцию в машиностроении.

В СССР появление спеченных инструментальных твердых сплавов относится к 1929 - 1930 годам, когда были изготовлены первые образцы такого сплава на основе карбида вольфрама и кобальта под названием "победит".

Современная технология получения твердых сплавов состоит в следующем. Порошки карбида и кобальта тщательно перемешивают, формуют в заготовки и спе­кают в вакууме при 1400 - 1500 °С. При этой температуре появляется жидкая фаза на основе кобальта, которая "склеивает" частицы карбида и обеспечивает получение компактного материала.

Применение инструмента из спеченных твердых сплавов на основе карбида вольфрама и кобальта имеет огромное значение для промышленности. С помощью этих материалов удалось в несколько раз повысить скорость резания при обработке металлов по сравнению со ско­ростями, достигнутыми при использовании быстрорежу­щей стали. Замена стали твердыми сплавами на основе карбида вольфрама в производстве металлической проволоки повысила в тысячу раз стойкость инструмен­тов, через калиброванные отверстия которых тянут про­волоку.

При замене стальных штампов на твердосплавные их стойкость возрастает в 50 - 100 раз. Широкое применение получили твердосплавные буры, применяемые в горном деле. Их стойкость в десятки раз выше, а скорость буре­ния в несколько раз больше, чем у стальных.

Повышение производительности труда при применении твердых сплавов во многих отраслях техники обеспечи­вает высокую эффективность работы дорогостоящего вольфрама. Так, например, по данным В.И.Третьякова, инструментом из твердого сплава, имеющего в своем составе один килограмм вольфрама, можно обрабатывать в пять раз больше металла, чем инструментом из быстро­режущей стали с тем же количеством вольфрама.

В последнее время получают распространение без­вольфрамовые твердые сплавы на основе карбида ти­тана с никелемолибденовой связкой. Сравнительно дешевый и недефицитный карбид титана в ряде операций обеспечивает достаточно высокую стойкость режущего инструмента. Несмотря на это, поиск путей повышения износостойкости режущего инструмента продолжается постоянно с тех пор, как человек научился обрабатывать металл.

Одним из новых и важных источников для решения этой проблемы является технология нанесения нитридных и карбидных износостойких покрытий на режущий инстру­мент, в том числе твердосплавный. Харьковские изобре­татели инженеры А.Романов, Л.Саблев и А.Андреев разработали метод нанесения таких покрытий потоками высокотемпературной плазмы. Износостойкость режу­щего инструмента, обработанного в вакуумной камере потоками плазмы, несущей нитриды или карбиды титана, в три-шесть раз больше, чем необработанного. Повышение стойкости объясняется образованием тонкой, но очень прочной пленки из нитрида или карбонитрида титана на режущей кромке инструмента. Для реализации прогрес­сивной технологии в промышленных условиях созданы специальные установки, известные под названиями "Булат"и"Пуск".

Твердые износостойкие сплавы на основе карбида титана можно получать без значительных затрат по сравнительно простой технологии. В Курганском машино­строительном институте разработана оригинальная тех­нология производства сплава карбида титана - сталь для деталей технологического оборудования, работающего в условиях интенсивного износа и в агрессивных средах.

Технология основана на хорошо известном каждому свойству жидкости пропитывать пористые каркасы. Это свойство было использовано для пропитки каркаса из карбида титана жидкой нержавеющей сталью. Полученный таким образом материал был применен вместо высоко­легированных дорогостоящих сталей в деталях, рабо­тающих в условиях сухого трения. Стойкость деталей из нового материала увеличилась в десятки раз.

Огромной износостойкостью обладает материал, полученный на основе твердого карбида титана и срав­нительно мягкой нержавеющей стали. Ну, а в прошлом был материал, созданный по такому принципу? Да, был. Это булатная сталь!

Что же такое булат? Булат - высокоуглеродистая сталь, обладающая ярко выраженной структурной неод­нородностью. Булат - слоистая сталь, в которой очень твердые слей железа с высоким содержанием углерода чередуются со слоями железа, мало насыщенными углеродом и поэтому мягким и пластичным.

В процессе ковки разные слои булата "переплетаются", образуя естественный узор, характерный для этой стали. Узорчатая сталь обладает одновременно высокой твер­достью, прочностью, вязкостью и пластичностью.

Таким образом, с современной точки зрения булат -композиционный материал, состоящий из двух металли­ческих фаз. Одна, из фаз - мягкое железо, другая - вы­сокоуглеродистая сталь. Булат представляет собой объемное сочетание разнородных компонентов, один из которых пластичный, а другой обладает высокой проч­ностью.

Принципы, заложенные в строении булата, повторяются в недавно изобретенной естественной композиционной стали. Она также представляет собой композицию из мягкой матрицы и распределенных в ней высокопрочных волокон второй фазы.

Известно, что древесина представляет собой компози­ции целлюлозы с лигнином. Волокна целлюлозы обладают высокой прочностью на разрыв, но низкой на срез. Лигнин связывает волокна в единое целое и придает древесине жесткость. На этом принципе и были созданы новые материалы, представляющие собой композицию из мягкой основы (матрицы) и высокопрочных волокон или пластин, выполняющих роль ее арматуры. В таком материале так же, как и в древесине, основную часть нагрузки принима­ют на себя волокна, а матрица служит средой, пере­дающей нагрузку от одного волокна к другому.

Во всяком компактном материале, например в легиро­ванных сталях и сплавах, нагрузку воспринимает матери­ал в целом. Возникающая трещина быстро распростра­няется и приводит к хрупкому разрушению металла. Чем выше прочность материала, тем меньше его сопротивле­ние хрупкому разрушению. В композиционном материале возникшая при разрушении прочного волокна или пласти­ны трещина гасится мягкой матрицей. Поэтому наряду с высокой прочностью такие материалы обладают и высо­кой вязкостью, и в этом отношении они как бы продолжают традиционные свойства булатной стали.

Сталь, содержащая 0,8 % углерода, называется эвтек-тоидной; содержащая менее 0,8 % углерода - доэвтекто-идной, а более 0,8 % - заэвтектоидной.

Любая доэвтектоидная сталь после закалки по опре­деленному режиму может иметь феррито-мартенситную структуру. Феррит, как известно, мягкая, пластичная составляющая, а мартенсит - твердая, прочная. Но это все-таки еще не композиционный материал. Как же превратить его в композит? Для этого необходимо, чтобы участки твердой фазы мартенсита были слоистыми, то есть имели соизмеримые размеры в двух направлениях и намного меньший размер в третьем. Такую структуру можно получить при помощи термомеханической обра­ботки стали.

Научно установлено, что для того, чтобы композици­онный материал имел оптимальные свойства, его струк­тура должна отвечать определенным требованиям: в композиции должна быть достаточная объемная доля армированных волокон, каждое из которых определенной длины; обеспечена прочная связь между высокопроч­ными волокнами и мягкой матрицей, волокна должны быть строго ориентированы вдоль оси деформации, и отношение длины волокон к их толщине не должно быть больше некоторой критической величины.

Эти требования связаны с тем, что передача усилий от матрицы к волокну может происходить только при нали­чии прочной связи между ними. Частицы высокопрочной фазы должны брать на себя нагрузку при течении матри­цы. Поэтому они должны иметь вид длинных волокон, которые расположены в матрице параллельно друг другу. Течение матрицы параллельно оси волокон заставляет их упруго растягиваться только в том случае, если волок­на прочно связаны с матрицей. Кроме того, волокна препятствуют течению матрицы и поэтому в результате деформации такого материала может происходить его упрочнение (наклеп). Роль волокон в матрице могут играть и тонкие пластины. В зависимости от того, какую форму имеют частицы упрочняющей фазы, композиции называют либо волокнистыми, либо пластинчатыми.

Существует несколько методов получения компози­ционных сталей. Наиболее разработаны в настоящее время способы получения феррито-мартенситных И феррито-цементитных композиций при помощи термоме­ханической обработки (ТМО).

Для получения композиций с направленной феррито-мартенситной структурой доэвтектоидную сталь прока­тывают при температуре, обеспечивающей ей двухфазную структуру - аустенит и феррит. Непосредственно после прокатки сталь закаливают и слои аустенита превраща­ются в мартенсит, а феррит останется в прежнем сос­тоянии. Это и приводит к образованию композиций из слоистого мартенсита, расположенного в мягкой феррит-ной матрице.

Так же, как и структура булата, структура компози­ционной феррито-мартенситной стали обеспечивает увеличение ее прочности более чем в два раза по сравне­нию с обычной сталью такого же состава.

В 1973 году советские ученые И.Н.Кидин, В.И.Лизунов и В.М.Белевская получили авторское свидетельство на изобретение способа получения композиционных сталей с феррито-цементитной структурой. Такие стали вместо мартенсита имеют ориентированное расположение очень твердых цементитных частиц в ферритной матрице.

Известно, что Д.К.Чернов выдвигал гипотезу о том, что булатный узор - это перлит, в котором пластины феррита и цементита увеличены до таких размеров, что они видны невооруженным глазом. В какой-то мере эта идея вопло­щена в современном булате - феррито-цементитной композиционной стали!

Схема получения этой стали состоит в следующем. Сталь нагревают до температуры растворения цементита (карбида железа) в аустените со скоростью, исключающей выравнивание концентрации углерода в твердом раство­ре. Другими словами, в тех зонах аустенита, где раство­рялись карбиды железа, содержание последних значи­тельно выше средней концентрации их во всем объеме аустенита. Поэтому после того, как осуществляют дефор­мацию аустенита с неравномерно распределенным в нем углеродом со степенями обжатия, обеспечивающими направленное выделение из него карбидной фазы при охлаждении, получается направленное распределение частиц цементита в ферритной матрице.

Один из практических способов получения компози­ционной стали с феррито-цементитной структурой состоит в следующем. Проволоку диаметром 3,5 миллиметра быстро нагревают до необходимой температуры со скоростью примерно 400 градусов в секунду пропуска­нием через нее электрического тока. Одновременно проволоку деформируют прокаткой с установленной заранее оптимальной степенью обжатия. После прокатки проволоку охлаждают на воздухе.

Быстрый нагрев стали до температуры выше критичес­кой обеспечивает превращение феррита в мелкозернис­тый аустенит, но замедляет процесс растворения в нем карбидных частиц. Горячая деформация способствует вытягиванию в направлении прокатки аустенитных зон стали с повышенным содержанием углерода, а после­дующее быстрое охлаждение металла обеспечивает выпадение карбидов (цементита) в форме волокон, плас­тин и даже игл. Таким образом, увеличение длины цемен-титных частиц достигается увеличением степени дефор­мации аустенита.

Как показали электронно-микроскопические исследо­вания феррито-цементитных композиций, 90 % частиц цементита имеют достаточно строгую ориентацию в ферритной матрице. Такая "булатная" структура многих марок доэвтектоидных сталей приводит к увеличению их прочности примерно в полтора раза. Следует, однако, заметить, что феррито-мартенситные и феррито-цементит-ные композиции получают, как правило, на доэвтектоид­ных сталях, то есть на сталях, содержащих менее 0,8 % углерода. Твердость, прочность и режущие свойства нелегированных углеродистых композиционных сталей должны быть ниже, чем у булата, который содержит 1,5-2 % углерода.

Знаменательно, что идеи Д.К.Чернова о возможности получения булатной структуры, используя структуру эвтектоидного или эвтектического типа, практически полностью воспроизведены в так называемых эвтекти­ческих и эвтектоидных композициях. Получение этих композиций связано с использованием различных фазо­вых превращений в сплавах, в частности, с кристалли­зацией жидкости (эвтектическое превращение) или с превращением в твердом состоянии (эвтектоидный распад). В результате эвтектического превращения в системе образуются две (или более) твердые фазы, выпадающие одновременно в виде механической смеси, называемой эвтектикой.

Способы производства эвтектических композиций были разработаны только в начале 50-х годов XX столетия, когда удалось при помощи направленной кристаллизации получить эвтектический сплав волокнистой структуры.

Сегодня существуют методы, позволяющие управлять такими параметрами процесса кристаллизации, как температура, скорость превращения и направление теплоотвода. Последнее дает возможность получать неоднородные эвтектические и эвтектоидные структуры с пространственно ориентированным упорядоченным рас­положением фаз, то есть получать композиционные сплавы.

Одним из наиболее изученных и перспективных спосо­бов создания композиционных сплавов такого типа является направленная кристаллизация. Этот способ сравнительно прост и эффективен, поскольку одна из фаз, как правило, кристаллизуется в форме стержней или пластин, обладающих структурным совершенством и свойствами, близкими к нитевидным кристаллам ("усам"). Таким образом, в эвтектических композициях реализуется идеальная для композиционных материалов структура - высокопрочные нитевидные кристаллы армируют пластичную и вязкую матрицу. Аналогичным способом получают композиционные структуры в ре­зультате эвтектоидных превращений, происходящих в твердом состоянии в условиях резкого перепада тем­ператур.

Вот пример, как при определенных условиях сплав медноалюминиевый можно получать в виде эвтектичес­кой композиции. Медь с алюминием образуют интерме­таллическое соединение. При содержании в сплаве 33 % меди жидкий медноалюминиевый сплав устойчив до температуры 548 °С. При достижении этой температуры охлаждаемая жидкость кристаллизуется с одновремен­ным образованием двух фаз: твердого раствора меди в алюминии и интерметаллического соединения медь-алю­миний. Сплавы, которые кристаллизуются с образованием одновременно двух фаз, называются эвтектическими.

В процессе кристаллизации эвтектического сплава две твердые фазы часто разделяются, образуя геометрически регулярную структуру. К наиболее распространенным эвтектическим структурам относятся глобулярная, стро-чечно-волокнистая и слоистая.

Эвтектика медноалюминиевого сплава представляет собой слоистую или пластинчатую структуру. Но это еще не композиционный материал. Как же получить компози­ционный материал? Ученые долго не могли решить эту задачу, пока не пришла идея использовать процесс нап­равленной кристаллизации сплава. Он состоит в том, что, используя различные способы, обеспечивают такие условия, при которых фронт кристаллизации становится плоским.

Один из распространенных способов состоит в сле­дующем. Тигель с эвтектическим сплавом нагревают до полного расплавления шихты, после чего его начинают опускать из зоны нагрева с постоянной скоростью вниз. При этом сначала затвердевает материал на дне тигля. В последующем фронт кристаллизации перемещается вверх со скоростью, зависящей от скорости вытягивания тигля и условий теплообмена. Теплоотвод регулируют путем выбора материала тигля, его формы, толщины стенок и дна. Осуществляемая таким образом направленная кристаллизация обеспечивает достаточно резко выражен­ную физически неоднородную структуру со строгой ориентацией твердых и мягкой фаз в пространстве. Не может быть сомнений в том, что, если бы П.П.Аносову предъявили такую структуру, он ее тотчас же назвал бы булатом...

Автомобиль давно уже в нашей стране стал не рос­кошью, а средством передвижения. Каждый знает, что без генератора двигатель автомобиля работать не может. Но генератор не может работать без медно-графитовых щеток, которые "забирают" электрический ток с коллек­тора электромашины.

Сегодня изготовление медно-графитовой щетки не является проблемой, однако в процессе создания мате­риала для этих щеток ученые столкнулись с немалыми трудностями. Дело в том, что графит не растворяется в меди и поэтому получить этот материал традиционным методом сплавления невозможно. Можно, правда, распла­вить медь и путем интенсивного перемешивания в ней порошка графита создать медно-графитовую эмульсию. Если такая эмульсия будет кристаллизоваться (затверде­вать) в условиях невесомости (например, на космическом корабле), то ее состав после затвердевания будет одно­родным и полученный материал мог быть использован для медно-графитовых щеток. Сегодня такая "космическая" технология является, конечно, неприемлемой для про­мышленности. В условиях земного тяготения легкие частицы не могут равномерно распределяться в меди, обладающей значительной плотностью. Поэтому сплав­лением получать однородный медно-графитовый мате­риал практически невозможно.

Таким образом, традиционные методы получения сплавов в данном случае не подходили. . . Надо было преодолеть барьер узкой специализации и найти совер­шенно иной способ получения медно-графитовых изделий. И металлурги разработали способ производства медно-графитовых щеток, как две капли воды похожий на ста­ринный способ получения ... сварочных булатов...

Есть сведения, что в X веке нашей эры арабы приме­няли следующую технологию для получения клинков из сварочного булата: из прокованных железных полос получали опилки, которые слегка окисляли, сваривали горячей ковкой и "оттягивали" заготовку для клинка.

Аналогичный способ производства мечей применялся и германцами. Стальной порошок перед сваркой подме­шивался в корм птицам. Процесс пищеварения способ­ствовал равномерному окислению порошка, а взаимо­действие с птичьим пометом, содержащим азотсодержа­щие органические соединения, приводило к его упрочне­нию. Полученный ковкой или сваркой из такого порошка сварочный булат обладал высокими свойствами, пос­кольку частицы железного порошка, из которых он был "спечен", имели твердые, износостойкие карбидные или нитридные оболочки и пластичные, вязкие сердцевины.

Медно-графитные щетки стали изготовлять подобным образом. Сначала тщательно смешивали порошки меди и графита, затем путем прессования в специальных пресс-формах получали заготовки из полученной смеси и спе­кали их при высокой температуре в печах с нейтральной или восстановительной атмосферой. В настоящее время подобные методы получения металлических сплавов и других материалов относят к порошковой металлургии.

Порошковая металлургия как способ получения губча­того металла металлических порошков и изделий из них известна с глубокой древности. Порошки золота, меди и бронзы использовали для декоративных целей в керамике и живописи во все известные нам времена. Ювелирные изделия, полученные путем спекания засыпанных в соответствующие формы порошков золота и серебра, встречаются среди сокровищ египетских фараонов,' вавилонских царей и древних инков. В дальнейшем этот способ получения металлических изделий был забыт и его пришлось открывать заново.

Заслуга возрождения порошковой металлургии и превращения ее в технологический процесс производства металлических изделий принадлежит русскому метал­лургу П.Г.Соболевскому (1782 - 1841), который совмест­но с В.В.Любарским (1795 - 1854) разработал технологию прессования и спекания платинового порошка.

А случилось это так. В 1819 году на Урале в Верх-Исет-ском округе были открыты значительные залежи платины. Платина на Урале была известна давно - ее зерна часто находили при добыче золота. Вплоть до XVII века зерна платины никакого применения не находили, их выбрасы­вали в отвалы. Местные охотники подбирали зерна плати­ны и использовали их как ружейную дробь . . . Открытые большие залежи чистой платины никто не знал, как и на что применить.

В двадцатых годах XIX века для чеканки монет не хватало золота и министр финансов Е.Ф.Канкрин решил заменить золото платиной. Он поручил известному метал­лургу П.Г.Соболевскому организовать чеканку платино­вых монет. Но как это осуществить, если температура плавления платины 1773 °С и расплавить ее в то время было совершенно невозможно, тем более платина не ковалась, даже не раскалывалась при ударах на нако­вальне?

Как же из платины чеканить деньги? П.Г.Соболевский и его коллега В.В.Любарский нашли способ. Платину раст­ворили в царской водке (смеси азотной и соляной кислот), добавили хлористый аммоний и после этого выделили металл из раствора в виде комплексной соли. Прокаливая эту соль на воздухе, можно было получать платиновую губку, которая легко размалывалась в порошок.

Порошок прессовали в холодном состоянии в специ­альных формах. Заготовку нагревали и в одних случаях спекали, а в других превращали ковкой в различные изделия. Таким образом в 1826 году были получены проволока, чаши, тигли, медали и даже слиток, а с 1828 года Монетный двор начал серийный выпуск платиновых монет. На эти цели было употреблено 900 пудов (~ 15 тонн)платины.

Россия стала первой страной в мире, которая реализо­вала промышленную технологию порошковой металлур­гии платины. Англичанин Волластон только в 1829 году предложил аналогичный способ получения компактной платины.

В XX веке порошковая металлургия становится наукой и отраслью промышленности. В настоящее время порош­ковой металлургией называют область техники, охва­тывающую совокупность методов изготовления порошков металлов и неметаллических материалов, а также полу­фабрикатов и изделий из них. Методами порошковой металлургии получают ряд материалов, которые подобно платине и медно-графитовым щеткам трудно или невоз­можно получить традиционными методами. Вольфрамо-медные, железокерамические, металлостекольные, алюмографитовые, боропластмассовые и ряд других подобных материалов с равномерно распределенными частицами не растворяющихся друг в друге фаз получают только путем спекания или горячего прессования заго­товок из хорошо перемешанных порошков этих компо­нентов. В некоторых из перечисленных материалов достигнуто увеличение прочности примерно в десять раз при сохранении низкой плотности.

Спрессованные и спеченные из металлических порош­ков изделия получаются пористыми. Эти свойства исполь­зуются для изготовления фильтров. В настоящее время изготавливают фильтры из порошков меди, бронзы, латуни, никеля и нержавеющих сталей. Фильтры используют в автомобильных и авиационных двигателях для фильтрации масла, в дизелях для фильтрации горючего, в газопроводах для очистки газов от пыли, в химической промышленности для фильтрации щелочей и кислот. Благодаря возможности получения спеченных изделий почти с любой заранее заданной пористостью разработана технология изготовления сложных фильтров, имеющих первый слой для грубой очистки, а второй - для очень тонкой.

Еще в глубокой древности люди знали о свойствах высокопористых сосудов охлаждать залитую в них жид­кость, которая в знойный день в таком сосуде оставалась холодной. Это удивительное явление объясняется тем, что жидкость, просачиваясь через поры сосуда, интенсивно испаряется и этим самым отнимает у его стенок тепло. Сегодня это свойство пористых материалов используют в испарительных и охлаждающих элементах камер сгора­ния реактивных двигателей, пористых насадках криоген­ных газовых машин, охлаждающих гелий, и других устройствах для охлаждения газов и жидкостей. Приме­нение пористых железных катодов вместо гладких литых уменьшило непроизводительные потери электроэнергии в таких электрохимических процессах, как электролиз воды и хлоридов.

В 1922 году в промышленную практику были внедрены не требующие смазки пористые подшипники скольжения с универсальными свойствами, которые невозможно получить традиционными методами изготовления. Первые самосмазывающиеся подшипники на основе бронзы представляли собой пористый металлический каркас, пропитанный маслом.

Сегодня из смесей порошков железа, бронзы и меди с графитом, прессованных при относительно невысоких давлениях с последующим спеканием в защитной среде, получают пористые антифрикционные изделия. Наличие в таких изделиях графита и пор, заполняемых маслом, не только снижает коэффициент трения, обеспечивает само-смазываемость подшипников скольжения и значительно повышает срок их службы, но и позволяет в ряде случаев вообще отказаться от подвода к узлу трения масла извне. Последнее очень важно для труднодоступных узлов машин и механизмов, а также в тех случаях, когда масло подводить к подшипнику вообще нельзя, как, например, в кондитерской или фармацевтической промышленности.

На Курганском заводе колесных тягачей им. Д.М.Кар­бышева уже много лет на основе меди, железа и графита получают несколько наименований антифрикционных изделий. Производство нескольких десятков тонн изделий в год позволяет заводу сэкономить десятки тонн цветных металлов и повысить ресурс надежности выпускаемых машин.

Для подшипников турбин, работающих в воде, исполь­зуются нержавеющие стали и бронзы, пропитанные фторопластом. Для работы в условиях сухого трения при промышленных нагрузках и высокой температуре разра­ботаны антифрикционные материалы на железной основе, содержащие молибден и графит или фтористый кальций и графит. Антифрикционные изделия из порошков широко используются во многих отраслях промышленности: автотракторной, сельскохозяйственной, металлургичес­кой, радиотехнической и других. Использование каждой тысячи тонн пористых подшипников может дать экономию до 3 - 4 миллионов рублей.

Замена традиционных подшипников скольжения порис­тыми приводит также к значительному снижению шумо­вых эффектов при их работе. Порошковая металлургия является одним из важных орудий борьбы с шумом, который в ряде случаев является главной помехой высо­кой производительности труда. Дело в том, что к шуму, как и к боли, человек адаптироваться не может.

В технике играют большую роль материалы, имеющие высокий коэффициент трения, так называемые фрикци­онные материалы. Самолет плавно опустился на посадоч­ную полосу, в считанные секунды его скорость с несколь­ких сот километров в час падает до нуля. Тормозные устройства в это время должны поглотить огромную кинетическую энергию многотонной машины. Тормоза всех типов самолетов сделаны из спеченных порош­ковых материалов. Износостойкие фрикционные изделия из порошковых сплавов широко используют в тормозных устройствах других машин и механизмов.

Особое значение приобрели порошки быстрорежущих сталей, легированных вольфрамом, молибденом, вана­дием. Карбиды этих элементов, придающие стали изно­состойкость при высоких температурах, распределяются в ней неравномерно. Это явление, называемое ликвацией, значительно снижает стойкость режущего инструмента.

Ликвация связана со сравнительно медленной кристал­лизацией стали в изложницах (формах). Если обеспечить очень быстрый переход стали из жидкого в твердое состояние, то ликвацию можно практически полностью устранить. Но можно ли это сделать? Да, можно, если распылять жидкую сталь специальными форсунками в защитной атмосфере и получать из нее порошок. Осу­ществляется это следующим образом: расплавленная сталь протекает через небольшое отверстие и разбива­ется струями азота на мельчайшие брызги. Остывая, они в виде стального порошка падают в металлосборник. Скорость охлаждения частиц расплавленного металла в сотни раз выше той, которая характерна для монолитного металла в ходе его кристаллизации в слитке. Благодаря этому почти полностью устраняется ликвация, стойкость инструмента из порошковой стали увеличивается. Сотни изделий из новой порошковой стали уже сегодня приме­няются на южноуральских предприятиях. Стойкость инструмента увеличилась в 1,2 - 1,5 раза.

Чтобы получить из порошка заготовку для инструмента, надо миллионы "порошинок" превратить в компактный металл. Порошок насыпают в металлические капсулы, герметизируют их и прессуют. Полученные заготовки "перековываются" в любой нужный профиль. Правда, процесс этот осуществляется не молотом, а с помощью скоростного гидравлического пресса. Как тут не вспом­нить о японских кузнецах, которые с древних времен аналогичным способом получали высокоуглеродистые стали для инструмента. Они дробили крицу в мелкий порошок, науглероживали его в горне и сваривали под молотом в специальную заготовку. Такие заготовки в Японии были известны под названием "уваган". В твер­дом состоянии "уваган" приваривали к куску мягкого железа, после чего изделие подвергалось термической обработке. Готовый инструмент имел очень твердый, износостойкий наконечник и мягкую, упругую сердцевину. Вот уже поистине новое - это забытое старое. Но старое, повторенное, конечно, на более высоком уровне, на современной технической основе. Вот почему следует внимательно изучать историю науки и техники и уметь использовать ее для совершенствования современных технологических процессов.

Давно известно, что дисперсная (очень мелкая) фаза упрочняет сплав. Так, например, твердые дисперсные частицы цементита (карбида железа) упрочняют обычную углеродистую сталь. Высокая прочность никелевых жаропрочных сплавов в большинстве случаев обеспечи­вается наличием упрочняющей фазы - мелких частиц интерметаллического соединения никель-алюминий или никель-титан. Поэтому с увеличением в этом сплаве содержания алюминия и титана повышаются его механи­ческие свойства.

К сожалению, при высоких температурах легированные никелевые сплавы разупрочняются вследствие растворе­ния в них упрочняющей фазы. Старания металлургов повысить жаропрочность никелевых и алюминиевых сплавов к положительным результатам не приводили до тех пор, пока на помощь не пришла порошковая метал­лургия.

В 1947 году было сделано сенсационное открытие: алюминиевые сплавы, полученные из чешуйчатого тонко­дисперсного алюминиевого порошка путем брикетиро­вания и горячего прессования, обладали очень высокими жаропрочными свойствами. Оказалось, что в таких спла­вах упрочнение алюминиевой матрицы обеспечивается прочными и твердыми мелкодисперсными оксидами алюминия, которые отличаются высокой тугоплавкостью и стабильностью, а, главное, они практически не раство­ряются в алюминии даже при температуре его плавления.

Алюминий, упрочненный частицами оксида алюминия, называют САП (спеченная алюминиевая пудра). В нас­тоящее время промышленность производит несколько марок САП, которые применяются для производства самых разнообразных конструкций. САП имеет плотность алюминия и сохраняет его высокую коррозионную стой­кость. Поэтому его применяют вместо коррозионностой-ких сталей и титановых сплавов, а также для изготовления лопаток газовых турбин, поршней двигателей и других деталей, работающих при высоких температурах. Бла­годаря хорошей способности поглощать нейтроны, высо­кой теплопроводности и коррозионной стойкости САП нашел применение в атомных реакторах.

Методом порошковой металлургии можно изготовить различные детали из тугоплавких металлов: вольфрама, молибдена, тантала и ниобия с температурой плавления выше 2000 °С, которые находят применение в космичес­кой технике. Высокими эксплуатационными характерис­тиками обладают серебряно-вольфрамовые контакты, получаемые спеканием смеси порошков серебра и вольфрама при температуре ниже температуры плавле­ния серебра. Методом плавления серебряно-вольфрамо­вый сплав получить невозможно, поскольку при темпера­туре плавления вольфрама (3380 °С) серебро полностью испаряется.

Трудно представить себе плавающий в воде кусок стали. Между тем сегодня порошковая металлургия дает возможность получить сталь не только любого заданного состава, но и практически любой необходимой плотности. Стальные, не тонущие в воде изделия делают из полых, как надувной мяч, частиц порошка.

Кроме изготовления материалов и изделий с особыми составами, структурами и свойствами, которые недости­жимы при использовании других методов производства, порошковая металлургия применяется для изготовления обычных изделий, но при значительно более выгодных экономических показателях производства. Конструк­ционные детали чаще всего делают из материалов на железной основе.

Техническая революция потребовала огромного ко­личества металлов. Но вместе с ростом их производства резко подскочили и потери при обработке и последующей эксплуатации изделий. В нашей стране ежегодно при механической обработке уходит в стружку около 9 мил­лионов тонн стали, из них примерно 2 миллиона дорогих, высоколегированных. На тонну готовых стальных изделий расходуется полторы тонны металла. Убытки от коррозии и износа составляют примерно 50 миллиардов рублей в год.

Конечно, полностью избежать этих потерь невозможно. Но есть немало способов борьбы с ними. Во-первых, это создание коррозионностойких строительных сталей. Другой надежный путь борьбы с коррозией - это покрытия из тончайших порошков никеля, титана, алюминия и их сплавов. Коррозионная стойкость стали с такими пок­рытиями возрастает в 3 - 5 раз по сравнению с лакокрасочной защитой! Например, одна тонна порошкового покрытия может защитить от коррозии в течение 25 -30 лет 40 тысяч тонн металлических конструкций мостов, опор линий электропередач, железнодорожных вагонов и других строительных сооружений. Что же касается узлов трения машин и механизмов, то здесь одна тонна покры­тий экономит до 100 тысяч рублей, повышая стойкость деталей в 5 - 10 раз.

Каждый, кто был в механическом цехе, видел огромное количество стружки. Она струится из-под резцов токарных станков, заполняя цехи, а потом и заводской двор. 40 -50 % стали при изготовлении из нее изделий традицион­ными способами уходит в стружку. При изготовлении деталей из порошковых сталей коэффициент использо­вания металла составляет 90 - 95 %! Неудивительно, что каждая тысяча тонн деталей из железного порошка в среднем дает в год около 1 миллиона рублей экономии, сберегает 2 тысячи тонн металла, освобождает 190 квалифицированных рабочих и 80 металлорежущих станков. Несомненно, что в недалеком будущем степень развития порошковой металлургии будет характеризовать металлургический потенциал страны в целом.

Получение конструкционных деталей из порошковых сталей включает следующие операции: получение желез­ных порошков и порошков легирующих металлов, приго­товление из них порошковой шихты с заданным химичес­ким составом и крупностью, прессование (формование) порошковой шихты для получения заготовок (прессовок) заданной формы и размеров и их спекание. После холод­ного формования механические свойства заготовок очень низкие. Для повышения механической прочности и прида­ния изделиям необходимых физико-химических свойств сформованные заготовки спекают при температуре ниже температуры плавления железа. Спекание производят в среде восстановительного газа (водорода), инертного газа (аргона) или в вакууме.

Но все-таки после спекания из-за остаточной пористос­ти механические характеристики изделий из порошковой стали получаются недостаточно высокими. Поэтому такие стали могут применяться, как правило, только для слабо-и средненагруженных деталей, не претерпевающих во время работы значительных динамических нагрузок. Таких деталей немало на любом предприятии.

Для обеспечения необходимой плотности порошковой стали применяется горячая штамповка пористых загото­вок. Этот процесс в значительной мере повторяет древний способ получения железных изделий горячей ковкой пористых криц (губчатого железа). Одновременно с горячей деформацией пористых заготовок часто удается использовать эффекты термомеханической обработки, формирующие специфичную мелкозернистую структуру стали, обеспечивающую ей высокий комплекс механи­ческих свойств. Методом горячей штамповки или допрес-совки пористых заготовок можно получать конструк­ционные детали из порошковой стали, не уступающие по своим свойствам выплавленным и деформированным.

Железо и сталь издавна применяются в качестве строительного материала. Фермы мостов и опоры элект­ропередач, железнодорожные вагоны и горное оборудо­вание, конструкции цехов и трубы тепловых электростан­ций и многие другие конструкции выполняются из строи­тельных марок сталей.

Наибольшее распространение для строительных кон­струкций получила низкоуглеродистая сталь СтЗ. Это нелегированная углеродистая сталь обыкновенного качества. Она содержит углерод в пределах 0,12 - 0,22 %, в ней достаточно низкое содержание фосфора, а содер­жание хрома, никеля и меди не более 0,30 %. Такая сталь хорошо сваривается и поэтому удобна для строительных конструкций. Главный ее недостаток - в атмосферных условиях она легко подвергается коррозии.

Что же такое коррозия? Под коррозией понимают разрушение металлической поверхности под влиянием химического или электрохимического воздействия ок­ружающей среды. Такое воздействие на железо в атмос­ферных условиях называют также ржавлением, которое является самым опасным врагом стальных конструкций. С 1820 по 1923 год в мире было произведено более

1700 миллионов тонн стали; 718 миллионов тонн готовых конструкций из нее за это время было потеряно от разру­шительного действия коррозии. По данным Научно-иссле­довательского физико-химического института имени Л.Я.Карпова, потери от коррозии и затраты на борьбу с ней в нашей стране достигают почти 15 миллиардов рублей в год. Ежегодные потери металла от коррозии составляют около 14 миллионов тонн, причем только около двух третей прокорродировавшего металла удается исполь­зовать повторно в качестве металлолома, одна треть теряется безвозвратно.

Наибольшие потери металла от коррозии характерны для конструкций в газовой, химической, нефтеперера­батывающей и нефтехимической промышленности, металлургии, тепловой и атомной энергетики, коммуналь­ного хозяйства, морского и речного флота, железнодо­рожного транспорта. Около 10 % металлофонда СССР представляет собой строительные конструкции, эксплуа­тируемые в атмосферных условиях или в средах с повы­шенной влажностью и содержанием агрессивных газов. Сегодня от коррозии теряется 8 - 12 % выплавленной стали.

Недаром, когда в 1889 году Эйфель создал проект своей знаменитой башни в Париже, которая сооружена из стальных ферм, долго не принималось решение о ее строительстве. Многие металлурги предсказывали, что она простоит всего 25 лет, а потом рухнет из-за коррозии стали. Эйфель же гарантировал прочность сооружения только на 40 лет.

Как известно, Эйфелева башня в Париже стоит уже 100 лет, но это только потому, что фермы ее постоянно покрывают слоем краски. На покраску ферм каждый раз расходуют 52 тонны краски. Стоимость краски уже давно превысила стоимость самого сооружения!

Покраска строительных конструкций, работающих в атмосферных условиях, дорогое занятие и отвлекает много малопроизводительного рабочего времени. А красить приходится довольно часто. Так, например, широко известные мосты в Сан-Франциско красят пос­тоянно. Когда заканчивают покраску последнего пролета, необходимо уже красить первый. А пренебрегать покрас­кой нельзя: совсем недавно в Вене разрушился от корро­зии мост и упал в Дунай.

С давних пор люди искали способ борьбы с коррозией металлов. В 802 году арабский халиф Аль-Мамун, млад­ший сын Харун ар-Рашида (герой сказок "Тысяча и одна ночь") собрал архитекторов и каменотесов в лагере у подножья пирамиды Хеопса, вершина которой "касается неба". Халиф мечтал открыть тайну оружия, которое не ржавеет от воды и крови. Мудрецы утверждали, что эта тайна сокрыта за каменными стенами Большой пира­миды ...

В тульском музее оружия хранится древний кинжал. Длина его клинка пятнадцать сантиметров, а ручка с головой быка - всего десять. Кинжал найден на Кулико­вом поле, время его изготовления относят к 1380 году.

Небольшие размеры кинжала дают основание предпо­лагать, что это женское оружие. Внутри его ручки есть пружина, с помощью которой клинок смазывали ядом, вытекающих из специальной железной трубки. Трубка сильно проржавела, в то время как лезвие клинка без каких-либо следов ржавчины. Клинок за несколько столе­тий не подвергся коррозии.

В конце XIX - начале XX века поиски нержавеющей стали продолжаются. Металлурги находят, что высокохро­мистые железные сплавы не подвергаются коррозии. Но такие сплавы дороги и ученые упорно ищут дешевую сталь, которая бы не ржавела в воздушной атмосфере.

Свойства некоторых атмосферостойких сортов железа известны давно. Так, древнеримский историк Плиний писал, что железный мост, сооруженный через реку Ефрат при Александре Македонском, многие века находился в хорошем состоянии, в то время как металлические дета­ли, установленные во время его ремонта, ржавели.

В нашумевшей в конце шестидесятых годов XX века книге немецкого фантаста Эриха фон Деникена "Посев и космос" упоминается железный столб, установленный когда-то в нескольких километрах западнее Бонна. Столб этот, прозванный с прадедовских времен "железным человеком", не имеет следов ржавчины. Правда, после­дующие исследования показали, что "железный человек" установлен в XVII веке в качестве межевого знака и сделан он не из железа, а из литого чугуна, отлитого в песчаную форму. Чугун выплавлен на древесном угле и содержит мало вредных примесей. Такие чугуны обычно довольно стойки против атмосферной коррозии.

В нашей стране известны не только атмосферостойкие чугуны, но и атмосферостойкие стали. Такие стали для массовых изделий производили на Уральских заводах в XVIII - XIX веках. Так, например, в городе Свердловске обнаружили, что крыша одного старинного здания, пост­роенного еще во времена Демидова, ни разу не обновля­лась, и кровельное железо почти не подвергнуто коррозии. Сооруженная в это же время крыша здания парламента в Лондоне - Вестминстера была облицована уральским кровельным железом. С 1820 года покрытие ни разу не меняли и не красили.

Из аналогичного железа были сделаны в 1776 году перила лестниц на набережной фонтанки в Ленинграде. Они простояли неокрашенные под открытым небом более 160 лет. Академик А.А.Байков, который исследовал железные детали этих перил, пришел к выводу, что вероят­ной причиной высокой коррозионной стойкости металла является тонкий поверхностный слой оксидов.

Подобное железо находили в Западной Европе. Так, в Стокгольмском соборе Сторкиркан, построенном во второй половине XV века, бронзовое "семисвечье" под­держивает железный стержень. Длина его 3,5 метра, поперечное сечение у основания 50 х 50 миллиметров. Стержень изготовлен из отдельных кусков кричного железа, сваренных горячей ковкой под силикатным шлаком. На стержне до сих пор не замечено ржавчины.

На основании химического анализа было установлено, что ленинградские перила и стокгольмский стержень содержат повышенное количество фосфора, а демидовс­кая кровля - фосфора и меди.

В Дели во дворе мечети Куват-уль-Ислам, построенной в XII веке, стоит знаменитая железная колонна, назы­ваемая Кутубовой. Она очень популярна у местных жите­лей и иностранных туристов, масса ее 6,5 тонн, высота 7,5 метров. Примерно на 0,5 метра колонна закопана в землю. Диаметр колонны на уровне земли 420 милли­метров, а у вершины 320 миллиметров. Она создана индийскими мастерами в 415 году нашей эры в честь победы одного из императоров династии Гупта. Колонна стоит уже более 1500 лет, а следов коррозии (окисления) на ней не видно. Аналогичная колонна, но больших раз­меров, построенная в III веке нашей эры, стоит до сих пор в индийском городе Дхар.

Каких только гипотез не выдвигали металлурги, чтобы объяснить необыкновенную атмосферостойкость железа, из которого сделаны индийские колонны. Выдвигалась гипотеза, что колонны сделаны из цельных кусков метео­ритного железа. Но в метеоритном железе всегда нахо­дили никель, а в железе индийских колонн никеля не обнаружили.

Позднее было установлено, что колонны сварены кузнечной сваркой из множества криц - кусков пористо­го железа, полученных сыродутным или кричным спо­собом. Такое железо может быть достаточно чистым, без вредных примесей. Поэтому выдвинули гипотезу, что колонны сделаны из чистейшего железа, полученного на особом топливе. Одно время даже в учебниках делийскую колонну приводили как пример того, что чистое железо не ржавеет.

Действительно, содержание железа в делийской колонне 99,72 %. А вот в дхарской колонне содержание железа гораздо меньше. Но и она сотни лет не подверга­ется коррозии.

Английские ученые заметили, что в Дели относительная влажность воздуха лишь j течение 20 дней в году превы­шает 80 % и в течение 65 дней превышает 70 %. Поэтому выдвигалась и такая гипотеза, что стойкость индийских железных колонн объясняется сухим и чистым воздухом местности, где установлены колонны.

Авторы противоположной гипотезы предполагали, что в атмосфере когда-то была повышенная концентрация аммиака и дождевая вода в Дели содержала азота больше обычного. Это обстоятельство в сочетании с субтропичес­ким климатом Индии позволило якобы получить на по­верхности колонны защитный слой нитридов железа. Другими словами, колонны были азотированы самой природой.

Известны такж^ теории, объясняющие на первый взгляд необыкновенную стойкость колонн их большой массой, которая действует как стабилизатор температуры и уменьшает конденсацию водяного пара на металличес­кой поверхности. Противоположная теория объясняет стойкость колонн их оксидированием - высокотемпе­ратурным окислением в парах воды.

Некоторые металлурги считали, что колонны не под­вергаются коррозии из-за защитной окалины, образовав­шейся еще при их изготовлении. Выдвигались и более оригинальные гипотезы: стойкость колонн объяснялась тем, что, поскольку до XII века они считались священны­ми, их регулярно обливали благовонными маслами.

И сегодня около делийской колонны постоянно тол­пятся люди, в большинстве своем бедняки, которые надеются обрести счастье. Дело в том, что существует поверье, что тот, кто обхватит колонну руками, став к ней спиной, станет счастливым человеком. Таким образом, колонны долгое время постоянно смазывались жиром человеческих тел! И все-таки не в этом, конечно, причина их высокой атмосферостойкости.

Современная наука твердо установила лишь такой факт: так же, как и в ленинградских перилах,и в демидовс­кой кровле, в индийских колоннах найдено немного меди и обнаружено повышенное содержание фосфора: в де­лийской колонне его 0,114 %, а в дхарской 0,28 %. Не объясняется ли этим тот факт, что на поверхности колонн образовались устойчивые оксидные пленки, предохра­няющие железо от дальнейшей коррозии?

Не так давно английские металлурги У.Э.Барджет и Дж.Ф.Стэнерс экспериментально изучали коррозионные свойства делийской колонны. Они показали, что поверх­ность колонны покрыта слоем оксидов, толщина которого измеряется десятыми и сотыми долями миллиметра. Путем измерения скорости окисления стали, близкой по составу к делийскому железу, было установлено, что в условиях существования делийской колонны скорость ее коррозии в течение первого года соответствует переходу железа в оксидный слой толщиной всего 0,005 миллимет­ров. После 10-20 лет ежегодная скорость коррозии значительно уменьшилась.

Полученные данные позволили авторам исследования вычислить толщину слоя железа делийской колонны, перешедшего в окалину. Оказалось, что если бы даже колонна корродировала так же, как и обычное железо или малоуглеродистая сталь, в сухой атмосфере, то за

1600 лет толщина окисленного слоя не превысила бы 2,5 - 7,6 миллиметра.

В последнее время в Дели из-за большого движения

автотранспорта в атмосфере наблюдается обычное для промышленных городов содержание водяного пара и других агрессивных газов. В такой атмосфере коррозион­ные свойства колонны во многом определяются составом сплава, из которого она изготовлена. Как мы увидим в дальнейшем, стойкость колонны в атмосферных условиях, очевидно, объясняется повышенным содержанием в железе меди и фосфора.

Так или иначе к началу XX века секреты производства устойчивых к атмосферному воздействию железа и стали были потеряны. Лишь в 30-х годах в Соединенных Штатах Америки вновь появилась малоуглеродистая сталь с такими свойствами. Ее новое название кор-тен. Сталь кор-тен характеризовалась тем, что ее незащищенная поверхность в первый период воздействия окружающей среды ржавела так же, как и поверхность любой углеро­дистой или низколегированной стали. Однако обра­зующиеся при этом продукты коррозии обладали повы­шенной плотностью и более крепкой сцепляемостью с основным металлом, чем у обычной стали. Поэтому дальнейшая коррозия металла резко замедлялась.

Такие свойства стали обеспечивали повышенное содержание фосфора (0,07 - 0,15 %), а также меди, хрома и никеля. Содержание углерода в стали примерно 0,1 %. По нашим стандартам сталь маркируется 10ХНДП.

Коррозионную агрессивность атмосферы в промыш­ленных условиях определяет наличие в ее составе не только кислорода, паров воды и углекислого газа, но и сернистого газа. Сернистый газ очень опасен для обычных марок сталей, поскольку он резко увеличивает скорость коррозии.

Наличие в атмосферостойкой стали никеля и меди способствует переводу сернистого газа в труднораство­римые соединения, образующиеся в оксидной пленке при совместном взаимодействии меди и фосфора, а также хрома с кислородом, углекислым газом и парами воды. В результате периодического увлажнения и высыхания защитные слои на поверхности атмосферостойкой стали полностью формируются в течение 1,5-3 лет, и после этого разрушение металла практически прекращается.

Сталь 10ХНДП обладает еще двумя интересными особенностями. Если защитный слой повреждается, то с течением времени эти зоны "самозалечиваются", вновь защищая поверхность металла от коррозии.

Другая особенность атмосферостойкой стали состоит в специфичной "естественной" окраске защитного слоя, сообщающей металлу хорошие декоративные свойства. Защитный коррозионный слой стали, который иногда называют "благородной ржавчиной", с течением времени меняет свою окраску от светло-коричневого, коричневого, коричнево-фиолетового до черного и по характеру рас­цветки напоминает бронзу или медь. Кроме того, защит­ный слой имеет рубчатую поверхность, которая по-разно­му отражает солнечный свет.

Есть сведения, что верхняя, недоступная человеку часть делийской колонны имела бронзовый оттенок, благодаря чему некоторые наблюдатели принимали даже материал колонны за медный сплав. Другие говорят о синевато-коричневой или синевато-черной пленке окси­дов, покрывающей верх колонны. Таким образом, оксид­ные пленки на делийской колонне по своему внешнему виду очень напоминают защитную оболочку современной высокофосфористой атмосферостойкой стали.

Срок службы строительных конструкций из атмосфе­ростойкой стали в 3 - 5 раз больше обычных строитель­ных сталей. Большая экономия получается также за счет того, что конструкции из этой стали не надо красить. Несмотря на перечисленные преимущества атмосферо­стойкой строительной стали, в СССР она не получила большого распространения в основном из-за того, что обладает низкой ударной вязкостью и в связи с этим склонна к хрупкому разрушению.

Как известно, ударная вязкость характеризует хрупкое разрушение металла при данной температуре. С пониже­нием температуры ударная вязкость падает и вероят­ность хрупкого разрушения металла увеличивается.

Сталь кор-тен обладает удовлетворительной ударной' вязкостью при температуре минус 20 °С и не обеспечи­вает необходимых свойств при температуре минус 40 °С. Соединенные Штаты Америки и особенно Западную Европу такие свойства, как правило, устраивали. В усло­виях нашей страны, где температура зимой может пони­жаться до минус 30 - 40 °С, сталь с такими свойствами применять нельзя, так как она может разрушиться.

История уральских предприятий знает такие случаи, когда стальные балки, привезенные из Западной Европы и установленные летом, зимой трескались, лопались (ударная вязкость европейской стали обеспечивала нормальную службу конструкций только до температуры минус 20 °С).

Поэтому перед уральскими металлургами стояла задача создать такую марку атмосферостойкой стали, которую можно было бы без риска применять в условиях русской зимы. Это означает, что сталь должна иметь высокую ударную вязкость при температуре минус 40 °С.

Эту задачу можно было бы решить достаточно просто путем увеличения в стали содержания никеля и хрома или подвергнув сталь специальной термической обработке. Однако эти пути значительно увеличивают стоимость стали, ведут к высокому расходу дефицитных леги­рующих элементов и поэтому не самые удачные.

Можно ли при том же химическом составе стали без применения химико-термической обработки повысить ее механические свойства и особенно ударную вязкость? Казалось бы нельзя. Но задача была поставлена именно так, ибо единственный эффективный путь ее решения - это разработка достаточно дешевой технологии выплавки атмосферостойкой стали близкого к составу стали 10ХНДП, который обеспечивал бы необходимые механи­ческие свойства металлу.

Поиски решения этой проблемы все же привели к желаемой цели. В качестве основы для решения задачи была выбрана современная теория о связи физических свойств твердых легированных сплавов с их свойствами в жидком (расплавленном) состоянии. Как вы уже знаете, металлы - кристаллические вещества, и свойства затвер­девшего сплава зависят от расположения атомов леги­рующих элементов в его кристаллической решетке.

При плавлении и небольших температурах перегрева жидкого сплава в нем сохраняется так называемый "ближний порядок", то есть атомы в микрообъемах вещества расположены один относительно другого с некоторой закономерностью, зависящей от пространст­венного расположения атомов в кристаллической решетке твердого сплава.

При выплавке легированных сталей металл расплавля­ют, удаляют из него необходимое количество углерода, освобождают от лишнего кислорода и легируют путем добавления ферросплавов легирующих элементов. При выплавке стали 10ХНДП в жидкую ванну добавляют феррохром, никель, медь, феррофосфор и другие ферро­сплавы.

Однако в связи с тем, что в слабо перегретом жидком сплаве сохраняются устойчивые связи между сущест­вующими атомами, атомы хрома, никеля и фосфора после растворения в жидкой стали не могут попасть на те места, которые им предназначены природой. Такая закономер­ность сохраняется и после кристаллизации стали.

Поэтому в легированной стали, выплавляемой по обычной технологии, не реализуется полностью весь комплекс физико-механических свойств, который может обеспечить вводимые в нее элементы, в нашем случае главным образом хром и никель.

Если бы можно было производить легированную сталь без добавок легирующих элементов в период выплавки, она бы обладала более высокими физико-механическими свойствами. Такую сталь называют природно-легирован-ной. Но где найти руды для выплавки такой стали?

Как тут не вспомнить старых русских металлургов. Ведь они находили такие материалы (например, "деми­довская кровля" в Свердловске). Конечно, это были железные руды, содержащие никель, хром, медь и фос­фор. Из них и получали природно-легированный чугун и сталь. А в настоящее время?

Оказывается, есть много таких руд в Халиловском месторождении. Для работы на этих рудах был построен Орско-Халиловский металлургический комбинат в городе Новотроицке. И получают на комбинате природно-легиро­ванный чугун, который содержит никель, хром, фосфор и небольшое количество кобальта.

Получать-то получают, а выплавлять сталь на основе этого чугуна затрудняются, потому что в обычных марках стали фосфор - вредная примесь, он охрупчивает сталь и его надо удалять до сотых долей процента. Удаляют фосфор из жидкой стали путем окисления и перевода получающихся оксидов в шлак.

Но вместе с фосфором окисляется и хром, а оксиды хрома, переходя в шлак, делают его вязким, неактивным. Это затрудняет технологию выплавки стали, увеличивает время плавки, повышает стоимость стали. Металлурги так и не нашли оптимальной технологии выплавки обычной стали на основе халиловских природно-легированных чугунов.

Но атмосферостойкая сталь имеет высокое содержа­ние фосфора и, следовательно, фосфор из чугуна удалять практически не надо. Значит при переплаве природно-ле-гированного чугуна сохраняется хром, и нет опасности получать вязкие хромистые шлаки. Вот и получается, что хахиловский чугун самой природой создан для произ­водства природно-легированной атмосферостойкой стали.

Эксперименты на Орско-Халиловском металлурги­ческом комбинате начались в 1972 году. Конечно, были и неудачи, но к 1976 году состав новой природно-легиро­ванной атмосферостойкой стали был защищен авторским свидетельством на изобретение. Новая высокофосфорис­тая природно-легированная сталь с успехом выдержала все физические и механические испытания при темпера­турах минус 40 °С.

Была изобретена и рациональная технология передела халиловских чугунов в сталь типа 10ХНДП в подовых (мартеновских) печах. Технология обеспечивает произ­водство стали без необходимости присадок ферроспла­вов в процессе ее выплавки. Никель, хром, кобальт и фосфор почти полностью переходят в сталь из халиловс-кого чугуна. Этим и обеспечивается с одной стороны высокое качество стали, а с другой - ее очень низкая себестоимость. Кроме того, продолжительность плавки при новой технологии удалось сократить на 25 %. Это дает экономию 6,37 рубля на каждой тонне стали. При выплавке только 200 тысяч тонн такой стали в год экономический эффект составляет более 1,2 миллиона рублей. Еще большая экономия достигается при эксплуатации новой атмосферостойкой стали: 7-12 рублей на каждую тонну конструкций экономится благодаря тому, что их не надо красить.

Новая сталь и технология внедрены в производство. Появились уже и первые строительные конструкции из природно-легированной стали 10ХНДП - труба ТЭЦ в городе Темиртау сделана из этой стали. На ее строи­тельство израсходовано почти две тысячи тонн металла.

Новая природно-легированная атмосферостойкая сталь является одним из эффективных материалов для металло­конструкций. Ее внедрение должно обеспечить долговеч­ность и прочность многим строительным конструкциям.

Фосформедьсодержащие стали не ржавеют только в атмосферных условиях. Стальные детали различных сооружений и машин часто во время работы подверга­ются воздействию речной и морской воды, кислот, щело­чей, растворов солей, а также многих других сред, вы­зывающих быструю химическую и электрохимическую коррозию металла. Для предотвращения коррозии в этих условиях применяются специальные антикоррозионные стали и сплавы. Основным способом получения нержа­веющего сплава является введение в него легирующего металла, стойкого против коррозии по самой своей природе.

Наиболее стойкими к коррозии, как известно, являются благородные металлы, такие, например, как золото и платина. Высокая коррозионная стойкость этих металлов объясняется их атомным строением. Они принадлежат к элементам, которые имеют большое число электронных оболочек, и все, вплоть до самых наружных, заполнены электронами.

Коррозионные свойства благородных металлов в значительной мере сохраняются и в сплавах с неблаго­родными металлами даже в том случае, если содержание благородного металла в сплаве составляет меньше половины. Такие сплавы используются в качестве анти-• коррозионных лишь в крайних случаях, так как они очень дороги.

В ряде случаев химический элемент повышает корро­зионную стойкость сплава за счет образования в процессе взаимодействия с окислительной средой тонких и проч­ных, хорошо обволакивающих металл оксидных пленок. Образование таких пленок на поверхности металла или сплава приводит к ее пассивному состоянию, резко замедляющему коррозию. Переход поверхности металла в пассивное состояние, при котором резко замедляется коррозия, называется пассивацией.

Необыкновенной пассивацией обладает металлический хром, поэтому главной особенностью этого металла является его устойчивость к действию кислорода, кислот и других агрессивных сред. Исследованиями установлено, что стали, содержащие более 12 - 14 % хрома, ведут себя в химическом отношении так же, как и чистый хром. Такие стали подобны благородным металлам: они не ржавеют и не окисляются в воде, в ряде кислот, солей и щелочей, в технике называются коррозионностойкими.

Наиболее распространенная марка коррозионностой-кой стали Х18Н8, содержащая 18 % хрома и 8 % никеля. Состав стали был определен в 1915 - 1920 годы В.Штрау­сом и Е.Маурером и она была выплавлена на крупповских заводах в Германии.

Интересно, что знаменитый златоустовский мастер П.Н.Швецов еще в 1884 году выплавлял в тиглях высоко­хромистую нержавеющую сталь, причем феррохром для ее выплавки он также получал в тиглях.

Начиная с 20-х годов и до настоящего времени высо­кохромистые и особенно хромоникелевые коррозионно-стойкие стали являются самыми распространенными как у нас, так и за рубежом. Только благодаря созданию коррозионностойких сталей и сплавов на основе хрома стало возможным успешное развитие тепловой и атомной энергетики, получение синтетических материалов и минеральных удобрений, освоение космоса и развитие других отраслей техники.

Долгое время основная трудность при производстве высокохромистой коррозионностойкой стали была свя­зана с низким содержанием в ней углерода. Дело в том, что содержание углерода в нержавеющей стали должно быть очень невелико (до 0,10 - 0,12 %). Это связано с тем, что углерод обладает способностью связывать значи­тельные количества хрома в карбиды, а это приводит к обеднению стали хромом и резкому снижению ее анти­коррозионных свойств.

Основное количество коррозионностойкой стали и сплавов выплавляют в дуговых электроплавильных печах. В этих печах тепловая энергия для нагрева стали посту­пает от электрической дуги, образующейся между графи­товыми электродами и шихтой. В период плавки стали углерод из электродов в небольших количествах перехо­дит в сталь, науглероживает ее. Этот процесс идет наи­более интенсивно при плавлении металлического хрома или феррохрома, который присаживают в печь для леги­рования стали.

Проблема предотвращения науглероживания стали в момент присадки хрома долгое время не могла быть успешно решена металлургами. Традиционные методы выплавки стали мешали решению этой проблемы. Первая попытка решить проблему кардинально была предпринята на Златоустовском металлургическом заводе в 60-е годы.

"Если графитовые электроды науглероживают сталь, -решили златоустовские мастера, - значит надо плавить ее не с помощью графитовых, а с помощью остальных электродов". Но стальные электроды будут плавиться и расходоваться. Как же быть? Очень просто - пусть расхо­дуются, только стальные электроды должны быть рас­считаны на одну плавку и иметь химический состав, соответствующий выплавляемой марке стали!

Новая технология получения низкоуглеродистой нер­жавеющей стали была внедрена в промышленных мас­штабах и заключалась в следующем. Сначала плавку в электропечи вели как обычно, но после присадки в печь феррохрома графитовые электроды снимали и устанавли­вали расходуемые металлические с заданным химичес­ким составом. Такая технология обеспечивала получение хромоникелевой коррозионностойкой стали с содержа­нием углерода менее 0,03 - 0,05 %. При таком содержа­нии углерода образование его соединений с хромом полностью исключается и этим самым гарантируются высокие антикоррозионные свойства стали.

Замена графитовых электродов на стальные в произ­водственных условиях - операция весьма трудоемкая. Поэтому златоустовские и челябинокие металлурги продолжали искать новые, более простые способы вып­лавки низкоуглеродистой нержавеющей хромоникелевой стали. И такие способы были найдены. Один из них осно­вывался на следующем: если графитовые электроды науглероживают металл после присадки в печь ферро­хрома, то следует присаживать его в заранее нагретую стальную ванну, обладающую достаточным запасом тепла для плавления этого ферросплава, с тем, чтобы исключить взаимодействие ванны печи с металлическими элек­тродами. В этом случае после присадки феррохрома дальнейший подогрев металла можно исключить. Просто и оригинально, правда? Но можно ли это осуществить? Оказалось, что можно.

Если стальную ванну перед присадкой феррохрома продуть кислородом, то можно поднять температуру до 1760 - 1800 °С. Такой нагрев ванны полностью обеспе­чивает расплавление ферросплава при содержании хрома в готовом металле до 18 - 20 % без последующего вклю­чения печи и поэтому металл можно после продувки кислородом вылить из печи в ковш и туда добавлять феррохром. Для более быстрого растворения ферроспла­ва и обеспечения равномерного распределения хрома в стали ее продувают инертным газом - аргоном. Этот удобный и простой способ получения коррозионностой-ких сталей с содержанием углерода 0,02 - 0,04 % нашел сегодня широкое применение.

И все-таки проблема получения необходимых свойств коррозионностойкой хромоникелевой стали все еще окончательно не решена. Дело в том, что с понижением содержания углерода в стали значительно падают ее износостойкость, твердость и прочность. Поэтому метал­лурги всегда стоят перед дилеммой: хочешь получить коррозионную стойкость - уменьшай содержание угле­рода, хочешь получить высокую твердость и прочность -увеличивай содержание углерода, но теряй на коррозион­ной стойкости!

Таким образом, традиционные методы улучшения потребительских свойств коррозионностойких сталей, полученных в сталеплавильных агрегатах, в значительной степени себя исчерпали. Сегодня ученые считают, что резкого улучшения качества коррозионностойких сталей и сплавов можно добиться только при получении их мето­дами порошковой металлургии.

В последнее время неуклонно возрастает интерес металлургов к так называемым "металлическим стек­лам" - металлам, находящимся в аморфном состоянии. Аморфная структура металла достигается различными способами, основной из них - резкое охлаждение жидко­го расплава или "закалка" из жидкого состояния. При такой "закалке" металл необходимо охлаждать со ско­ростью не менее 1 миллиона градусов в секунду, осаждая его при этом на холодную подложку в вакууме.

Металлические стекла обладают высокими магнитны­ми, механическими, антикоррозионными и другими свойствами. Так аморфный сплав железо - хром -фосфор - углерод оказался совершенно коррозионно-стойким при содержании хрома всего 8 %!

Большую коррозионную стойкость аморфных мате­риалов наряду с высокой износостойкостью, твердостью и прочностью объясняют их однородным строением. В структуре аморфного сплава нет отдельных зерен и, следовательно, их границ. В них невелики протяженность дислокаций и отсутствуют другие дефекты кристалличес­кой решетки. Таким образом, будущее за аморфными материалами, коррозионностойкими сталями и сплавами на их основе.

Кроме кислорода "злостным" врагом металла являет­ся водород. Этот летучий враг в некоторых случаях коварнее и опаснее коррозии. Такое открытие сделали советские ученые Д.Гаркунов и А.Поляков.

Водород - первый элемент в таблице Менделеева. Он содержит минимальное число электронов и считается основным кирпичиком мироздания. Водород является составной частью чуть ли не всех природных органичес­ких химических соединений и очень многих неорганичес­ких.

Ион водорода - протон очень активен. У него нет электронов зокруг ядра и размер его в 100.000 раз мень­ше, чем у ионов других элементов. В отсутствии электро­нов облегчается взаимодействие протона с другими молекулами, уменьшается число препятствий при егс переходе от одного соединения к другому. Изучение ато­ма водорода позволило Нильсу бору подтвердить кван­товый принцип излучения энергии и построить современ­ную модель атома.

С другой стороны, активность водорода делает его в сочленениях машин таким же опасным компонентом, как песок. Он вызывает хрупкость и способствует появлению микроскопических трещин. Действие его подобно клинь­ям, которые вбиваются в зародыши дефектов, всегда имеющихся в металле. Это часто приводит к разрушению ответственных напряженных деталей - валов турбин, коленчатых валов двигателей стальных цистерн...

Водород внедряется в сталь во время ее выплавки. Источником водорода является окисленная шихта и влажные материалы. Попадает водород в металл также в результате его коррозии во время гальванических про­цессов, например, хромирования, никелирования, и кроме того, при сварко, травлении, термической обработке. В готовой стали для деталей, работающих с большими нагрузками в условиях трения и износа, обязательно определяется содержание водорода.

Во всех промышленно развитых странах исследуют влияние водорода на механические свойства стали и сплавов, изыскивают средства, как уберечь металл от нежелательного воздействия. Если же наводороживание металла все-таки имело место, то водород можно удалить из деталей путем нагрева и выдержки при температуре 250 °С. При этом водород "поднимается" из глубины к поверхности, так как он имеет свойства концентриро­ваться в нагретых местах, и удаляется из металла.

Бывают случаи, когда поверхностный слой металла, в котором должно быть ничтожное количество водорода, разрушается из-за того, что в нем накопилось водорода в сто раз больше нормы. Как же это происходит? Меха­низм этого процесса блестяще установили советские ученые Д.Гаркунов и А.Поляков. Их открытие в области физики трения получило название "самоорганизация разрушения при трении или водородный износ". Самоор ганизация - потому, что процесс износа состоит из нес­кольких взаимосвязанных последовательных стадий.

При трении всегда выделяется водород. Причин тому много. Главная из них - легкость переноса протона. В зоне контакта смазка, топливо, пластмасса и другие угле­водороды или просто вода из воздуха могут выделить водород. Он не распространяется по всему объему де­тали, а сосредоточивается в зоне нагрева слоя стали при трении. Создается так называемая гидридофильная - во-дородолюбивая - зона, которая в десятки раз интенсив­нее поглощает водород, чем не подвергнутая трению.

В зародышах трещин протоны водорода могут приоб­рести электроны и образовать атомы, а затем и моле­кулы. Увеличиваясь в размерах, они с огромной силой распирают поверхность в месте дефекта. Затем трещины сливаются друг с другом, и наружный слой может разру­шиться в порошок.

Области проявления водородного износа обширны. Практически все трущиеся поверхности деталей из стали, чугуна, титана и других металлических материалов содер­жат повышенное количество водорода и это рано или поздно сказывается. Особенно это заметно при работе деталей в условиях влажного или холодного климата. Известно, например, что техника на Севере изнашивается в несколько раз быстрее, чем в средней полосе. Это связано с тем, что водород при низких температурах и при повышенной влажности атмосферы оказывает более разрушительное действие на поверхность детали.

Сегодня убедительно доказано, что в содержащих водород средах и в чистом водороде, трущиеся детали изнашиваются в два-три раза быстрее, чем при обычной эксплуатации. Это должно особенно сказаться на ресурсе двигателей, которые в будущем должны работать на водородном топливе. Значит поиск средств защиты от водорода - весьма актуальная задача.

Работы в этом направлении уже приносят ощутимый экономический эффект. Так, Всесоюзный институт ас­бестовых технических изделий несколько лет назад разра­ботал новый фрикционный материал, не подверженный водородному износу. В результате тормозные накладки легковых автомобилей теперь служат в два раза дольше. Применение этого материала только на автозаводе им. Ленинского комсомола позволяет ежегодно сберегать более полутора миллионов рублей. В настоящее время аналогичный материал создается и для грузовых машин.

Оригинальный метод повышения долговечности тор­мозных колодок и колес вагонов разработали сотрудники Ростовского института железнодорожного транспорта. Они установили, что если ввести в пластмассу материала тормозных колодок некоторое количество иной по хими­ческому составу пластмассы, то в процессе трения можно зарядить сопрягаемый стальной бандаж электри­чеством положительного знака. Оно будет отталкивать такие же положительно заряженные ионы водорода, в результате долговечность трущейся пары возрастет.

В Киевском институте инженеров гражданской авиа­ции совместно с Институтом проблем материаловедения под руководством члена-корреспондента АН УССР А.Ф.Ак­сенова создан сплав для трущихся деталей машин, работающих в воде. Он не впитывает водород, и его износостойкость в несколько раз выше, чем у известных сплавов, применяемых для этой цели.

Научные исследования водородного износа продол­жаются. Как видно из приведенных примеров, проблема эта сложная, требующая вмешательства многих наук -металлургии, металловедения, физики, химии, науки о трении и износе. Только комплексные исследования помогут одержать решительную победу над этим истре­бителем железа и других металлов. А победа эта очень важная, ибо только водородный двигатель поможет значительно снизить загрязненность окружающей нас среды.

Открытие каждой новой закономерности, явления и даже технологического процесса, как правило, связано с преодолением какого-то психологического барьера. Старые представления, имеющиеся знания и установки часто мешают по-новому посмотреть на окружающую нас действительность.

Бойль и Игнатьев, Броун и Брэгг так же, как и многие другие ученые и изобретатели, решили свои проблемы как будто бы случайно. Один случайно заметил изменение окраски цветов, другой случайно обратил внимание на самозатачиваемость зубов грызунов. Примерно так же были сделаны многие открытия, и изобретения. Но слу­чайно ли это?

Конечно нет. Прежде всего нельзя забывать, что все ученые и изобретатели страстно увлечены своими проб­лемами. Они постоянно создают в своем воображении возможные схемы и планы решения этих проблем. Под­сознательно такая огромная работа ума постепенно готовит человека к решению проблемы.

Стратегия поиска постепенно осмысливается, возни­кают в глубине сознания необходимые варианты решения задачи. Нужен лишь небольшой внешний толчок. В качестве такого толчка чаще всего выступает явление, наталкивающее на новый ориентир, который очень быстро и даже часто без участия нашего сознания направляет мыслительную деятельность человека в совершенно новое, нужное русло. Такими ориентирами ученым часто служат кажущиеся "случайные" события.

Интересно, что подобным образом творческие задачи решаются в любой области деятельности человека.

В 1811 году французский ученый Бернард Куртуа работал в лаборатории. Перед ним на столе стояло два сосуда: в первом был спиртовой настой золы морских водорослей, во втором - серная кислота. А на плече ученого примостился его любимый кот.

Вдруг коту захотелось развлечься. Он прыгнул и столкнул на пол стоящие рядом бутыли. Жидкости смеша­лись, и сразу же появилось облако сине-фиолетового пара. Ученый понял: это дал о себе знать новый, тогда еще безымянный элемент. Так был открыт иод.

Врач Юлиус Роберт Майер в 1840 году, будучи кора­бельным доктором, плавал в районе экватора. Совершен­но случайно он заметил, что венозная кровь у оперируемо­го больного оказалась яркокрасной. Майер решил, что это связано с тем, что при высокой температуре окисление крови идет медленее из-за меньшей скорости теплооб­мена.

Дальнейшее обобщение этого явления привело Ю.Р.Майера к разработке эквивалента тепла и работы, к хорошо сегодня всем известному закону сохранения энергии.

Знаменитый изобретатель пулемета В.А.Дегтярев (1879 - 1949), сидя в кино, увидел замедленную съемку спортивных упражнений. Он тут же решил, что таким приемом можно воспользоваться для изучения траек­тории летящей пули. Этот метод впоследствии успешно применялся при испытании и создании новых видов оружия во время Великой Отечественной войны. Подоб­ных примеров можно привести множество.

Многие люди не могут объяснить, как они сделали великие открытия или маленькие изобретения. А иные объясняют это довольно странно: "Решение задачи я увидел во сне", "Проснулся с готовым решением проб­лемы", "Решение проблемы вдруг явилось мне на про­гулке" и так далее. Таким образом, творчество часто связано с подсознательной деятельностью человека, законы действия которой психологами еще не уста­новлены.

Итак, установка часто создает труднопреодолимые психологические барьеры. А когда ее нет, можно быстро найти нужное решение. А.Эйнштейн говорил, что если бы он знал некоторые факты, то не открыл бы теории относи­тельности. Рассказывают такой случай из жизни велико­го физика. Однажды кухарка прибежала к Эйнштейну с криком: "В вашу библиотеку забрались воры!" Физик задумался, а потом спросил: "Интересно, что они там читают?" Библиотека создана для чтения книг - другой ситуации Эйнштейн себе не представлял.

Есть еще одна закономерность в творческой деятель­ности. Она заключается в том, что изобретатели, как правило, не придумывают себе проблем, а решают те из них, которые выдвигает общество и производство. Таким образом, настоящие творцы науки и изобретатели почти всегда работают "на заказ".

Норберт Винер (1894 - 1962) создал теорию корреля­ции и сформулировал основные положения кибернетики в процессе разработки систем управления огнем зенитной артиллерии, которое было жизненно необходимо для Англии в период второй мировой войны.

А вот как известный конструктор авиадвигателей академик А.А.Микулин сделал свое первое изобретение. В начале XX века полеты на аэропланах считались удиви­тельным делом. Один из первых русских летчиков Сер­гей Исаевич Уточкин совершал публичные полеты во многих городах России и за рубежом. Один из таких полетов смотрел ученик реального училища Саша Мику-лин. И вдруг в полете отказал мотор, и машина резко пошла вниз. У Саши сжалось сердце. Публика ахнула. Но Уточкину удалось благополучно посадить машину - это был уже не первый случай, когда отказывало магнето.

Возвращаясь после неудачного полета Уточкина домой, реалист Саша Микулин встретил на улице прохожего с повязкой на глазу. Он подумал: "Если один глаз у челове­ка закрыт, то вторым-то он видит хорошо". И с этой мыслью он устремился в гостиницу, где Уточкин отдыхал после полета. Прямо с порога он изложил летчику свою идею установки второго магнето на авиационный двига­тель. Уточкин одобрил эту идею юного изобретателя. Он поставил на машину два магнето, и полеты пошли ус­пешнее.

На Челябинском трубопрокатном заводе горячие трубы длиной несколько метров движутся по рольгангу с до­вольно большой скоростью. Расстояние между ними менее полуметра. В нужном месте труба накатывается на датчик - флажок, который подает команду сбрасывателю, и сталкивается на шлеппер поперечного перемещения под душ для охлаждения.

Условия работы датчика-флажка очень тяжелые: пар, вода, высокая температура, металлическая пыль, окали­на. В этих условиях применяемые контактные датчики часто деформируются при соударении конца трубы с флажком и поэтому надежность их работы очень низкая. Много лет конструкторы пытались разработать надежный быстродействующий датчик для определения наличия горячей трубы на рольганге. Пробовали применять фото­эффект, термоэффект, индукционные и емкостные эффек­ты. Ни один из них не позволял работать датчику устойчи­во: мешали пар и вода. Так и мучились трубопрокатчики долгое время.

Однажды, когда очередной датчик быстро вышел из строя, инженер задумался: если вода мешает другим устройствам контролировать положение трубы на роль­ганге, то не может ли она делать это сама? Оказывается, может, и достаточно легко.

Если струю воды направить в зону движения трубы на рольганге и измерить ее сопротивление электрическому току, то в момент входа трубы в эту зону электросопро­тивление резко упадет, поскольку электросопротивление стали гораздо меньше электросопротивления воды. На этом эффекте и был сконструирован новый датчик, кото­рый длительное время работает без ремонта и позволяет трубопрокатчикам значительно увеличивать производи­тельность трубопрокатных станов.

Итак, крупные открытия и изобретения почти всегда появляются тогда, когда авторы ощущают острую необхо­димость выдвинуть новую идею для решения практических задач. Весь исторический опыт развития науки свидетель­ствует о том, что важные открытия делаются при двух обязательных условиях: эти открытия должны быть подго­товлены самим развитием науки и они должны обязатель­но быть необходимы производству.

Ну, а бывает ли так, что наука уже готова, а производ­ство еще не подготовлено к использованию нового откры­тия или изобретения? Да, бывает! Только в этом случае о сделанном открытии либо быстро забывают, либо знает очень узкий круг людей.

Приведем еще один пример. Джеймса Уатта часто называют изобретателем паровой машины. Между тем задолго до Уатта были разработаны принципы действия этой машины и изготовлены ее работающие модели. Заслуга Уатта состояла лишь в том, что он изобрел паро­вую машину двойного действия с центробежным регуля­тором как раз в тот момент, когда для дальнейшего развития производства был крайне необходим механи­ческий двигатель непрерывного действия. Именно поэто­му паровая машина Уатта сыграла огромную роль в переходе к машинному производству, именно поэтому имя Уатта связывают с изобретением паровой машины.

Подобных примеров можно привести немало. Исполь­зование древесного угля в доменных печах грозило уничтожению лесов, поэтому в Англии были зафиксиро­ваны первые попытки выплавки руды на каменном угле. Технология получения чугуна на каменноугольном коксе сравнительно быстро внедряется в металлургическую промышленность. Известно, что еще в 1619 году Д.Дод-лею был выдан королевский патент на способ выплавки железной руды и получения из нее чугунного литья путем применения каменного угля в печах. Но повсеместного распространения этот способ в то время не получил. Только в 1735 году А.Дерби получил хороший чугун.

Сегодня широко известен мартеновский процесс полу­чения литой стали. Мало кто знает, что идея получения литой стали на подине отражательной печи путем погру­жения стальных отходов в жидкий чугун была высказана еще в 1722 году известным физиком Рене Антуаном Ферено де Реомюром. Однако до 1865 года этот процесс реализовать не удавалось из-за низкого качества ог­неупорных материалов, применявшихся для кладки печей, и (недостаточной температуры в рабочем пространстве, поскольку в то время еще не была известна регенера­ция - использование тепла отходящих дымовых газов. В печах без регенерации тепла (пудлинговых) практическая температура горения топлива не превышала 1500 °С, что не позволяло получать жидкую сталь на поду

В 1856 году братья Вильям и Фридрих Сименс открыли принцип реконструкции существующих печей, обеспе­чивающий высокую температуру рабочего пространства. Он заключался в использовании тепла уходящих из печи газов для подогрева воздуха и газообразного топлива в специальных камерах, называемых регенераторами. Принцип Сименса позволил в печах с регенерацией тепла достигать температуры 1850 - 1900 °С. При такой тем­пературе уже можно было получить жидкую сталь с очень малым содержанием примесей.

Пьеру Мартену удалось осуществить идею сплавления скрапа с чугуном для получения стали на подине пламен­ной печи. Этого не могли достигнуть его предшественни­ки - изобретатели описанного процесса. Но П.Мартен создал производство стали в промышленных масштабах, и процесс получения жидкой стали на поду пламенной печи заслуженно получил название "мартеновского".

Знаменитый златоустовский мастер П.Н.Швецов пер­вым в мире в 1884 году получил в тигле феррохром, необходимый для выплавки нержавеющей стали. По данным американского инженера Е.Тума, в 1903 году в Соединенных Штатах Америки металлургом Маршем тигельным процессом выплавлялись никель и хром. Это создало условия для выплавки хромоникелевой нержа­веющей стали, производство которой было налажено в 1915 году на заводе Фирт - Стерлинг.

Между тем, на вопрос: "Кто изобрел нержавеющую сталь? Журнал "Айрон Эдж" (1948, № 16) отвечает, что изобретателями надо считать французов Гипе и Портвена, которые предложили составы нержавеющих хромоникеле-вых сталей в 1902 - 1906 и в 1907 - 1912 гг. И все-таки чаще всего считают, что изобретателями хромоникелевой нержавеющей стали являются немецкие металлурги Маурер и Штраус, потому что в Германии впервые было организовано широкое производство такой стали и пока­зана возможность ее применения во многих отраслях техники.

Вот какой случай произошел при открытии В.К. Рентге­ном х-лучей, которые известны сегодня под названием рентгеновских. За год до Рентгена немецкий физик Ф.Э.Ленард исследовал природу катодных лучей. Он обнаружил, что катодные лучи являются фотоактивными. "При достаточно долгой экспозиции, - писал Ленард, -можно вполне наблюдать их действие на фотографичес­кую пластинку. На пластинке, помещенной под листом картона, видны четко очерченные зсны почернения". Ленард установил также, что "катодные лучи проходят сквозь картон и металлы". Почему же х-лучи назвали рентгеновскими, а не ленардовскими?

Во-первых, потому, что именно Рентген доказал, что. проникающей способностью обладают не катодные лучи, а какие-то другие, х-лучи, входящие в состав катодных. Но это не главное. Главное состоит в том, что Рентген тут же нашел им применение. "Если держать руку между разряд­ной трубкой и экраном, то видны темные тени костей на фоне более светлых очертаний руки" - писал он. Фото­графию костей руки Рентгена получили многие физики мира вместе с поздравлением с Новым, 1900-м годом. Вот почему благодарное человечество никогда не забудет Рентгена и его лучей, сделавших буквально революцию не только в медицине, но и в физике, химии, металлургии и других "отраслях науки и техники.

Сегодня мы знаем об огромном вкладе Леонардо да Винчи в гидравлику и механику. Леонардо спроектировал землечерпалки, во многом сходные с современными, придумал механизмы для рытья каналов, спроектировал ворота шлюзов, открыл ряд закономерностей в механике, гидравлике, динамике и аэродинамике. Чем же объяснить, что многие его изобретения и разработки приписывают другим крупным ученым XVI века? Иногда это объясняют тем, что рукописи Леонардо оставались неизвестными ученому миру вплоть до опубликования в 1797 году знаменитой работы по гидравлике Д.Б.Вентури. На самом деле, это не так. Установлено, что в рукописях работы Леонардо были известны многим ученым.

В чем же дело? Дело только в том, что при жизни Леонардо да Винчи производство еще не нуждалось остро в его разработках. Это случилось немного позже: в сере­дине и, в особенности, в конце XVI столетия. Вот почему именно XVI век становится веком интенсивной научной деятельности, результаты которой тут же находят при­менение в развивающейся промышленности. Разработки Леонардо забыты, а их первооткрывателями становятся выдающиеся ученые этого времени Николо Тартальи, Иеронимо Кардана, Джован Бенедетти и другие, внедрив­шие свои научные разработки в производство.

Гениальный русский ученый Михаил Васильевич Ло­моносов сделал немало открытий, которые впоследствии получили "другую прописку" и названы другими именами. Так, в частности, он еще до Лавуазье высказывал свои взгляды об окислении металлов: "... нет никакого сом­нения, что частички воздуха, текущего постоянно над обжигаемым телом, с ним соединяются и увеличивают его вес". Широко известный блестящий эксперимент Антуана Лавуазье, который доказал с помощью пропускания водяного пара через ствол ружья, наполненного железны­ми опилками, что вода состоит из горючего воздуха (водорода) и чистого воздуха (кислорода) стал широко известен только потому, что ученый подробно объяснил с помощью изученного явления причину коррозии железа и других металлов. Проблема коррозии к этому времени широко обсуждалась в практике применения железа и стали.

В 1831 году П.П.Аносов за 23 года до того, как это сделал английский металлург Генрих Сорби, почитаемый европейскими учеными как "отец металлографии", применил микроскоп для определения структуры стали. П.П.Аносов впервые увидел и показал, что поверхность металла покрыта мельчайшим слоем оксидов и загрязне­на. После шлифовки, полировки и травления стали кисло­той на ее поверхности были четко видны узоры, поскольку разные структурные составляющие неодинаково реаги­руют на действие кислоты.

Систематическое исследование стали под микроско­пом побудило П.П.Аносова разработать технологию изготовления шлифов. Замечательно, что найденный Аносовым способ приготовления шлифов в основных чертах применяется до сих пор. И все-таки одна из типич­ных перлитных структур стали названа сорбитом, а не "аносовитом". В чем же дело?

Дело в том, что во времена Сорби металлургам уже хорошо было известно, что углерод может существовать в стали как в виде химического соединения - карбида железа, так и в свободном состоянии - в виде графита. Теперь все знают, что железо, сталь и чугун различаются между собой содержанием углерода и формой его су­ществования. А раз так, то качество чугуна и стали долж­но зависеть от ее структуры. Начинает развиваться новая наука - металловедение, и микроскопические исследова­ния становятся основным методом этой науки о метал­лах. Вот почему применение микроскопа быстро рас­пространяется на металлургических предприятиях, без него уже невозможно контролировать качество полу­чаемых стали и чугуна.

Приведенные примеры подчеркивают, что в развитии науки определяющим является не только логическое развитие проблемы, но и практические потребности производства. Таким образом, для того, чтобы обеспечить успех своим открытиям и изобретениям, необходимо прежде всего как следует изучить и хорошо себе пред­ставить те вопросы, которые требуется решить современ­ному производству. Только тесная связь науки и произ­водства обеспечит решение стоящих перед нашей страной задач.

На наших глазах происходит ускорение процесса развития науки во всех ее отраслях. Отрасли науки развиваются неравномерно - то одна, то другая отрасль вырывается вперед. Вот почему всем нам необходимо всегда помнить об одной из важных закономерностей развития науки, которая заключается в том, что открытия и изобретения в естественных науках только тогда полез­ны обществу, когда они обуславливаются двумя взаимо­связанными факторами: логикой развития самого науч­ного познания и потребностями развития самого естест­вознания (производства).