/
Автор: Лапотышкин Н.М.
Теги: металлургия металлы сплавы химические элементы пособие для учащихся
Год: 1973
Текст
Н.М.ЛАПОТЫШКИН
В МИРЕ
СПЛАВОВ
Н. М. ЛАПОТЫШКИН
В МИРЕ
СПЛАВОВ
ПОСОБИЕ ДЛЯ УЧАЩИХСЯ
МОСКВА «ПРОСВЕЩЕНИЕ» 1973
6П3.4
Л24
z/Z
(Гее. публичная Г
научно - техии >е кая !
библиотека Ос» Р
ЭКЗЕМПЛЯР |
ЧИТАЛЬНОГО здлд |
УЗ *7^3 3^
Лапотышкин Н. М.
Л24 В мире сплавов. Пособие для учащихся. М.,
«Просвещение», 1973.
151 с. с ил.
В книге рассказывается о сплавах, давно известных че-
ловеку или только вступающих в жизнь. Сплавы, знакомые
учащимся по школьному курсу, по-новому освещены автором,
который заставляет и в привычных вещах увидеть необычное
и интересное. В пособии раскрыты физические и химические
свойства сплавов, их кристаллическое строение и рассказано,
как эти свойства использованы человеком, о методах получе-
ния сплавов.
В книге рассказано и о сплавах, которые не упоминаются
в учебниках (сплавы циркония, гафния и др.).
Книга будет хорошим дополнением к школьному учебнику.
Л
0252-316 206.73
М103(03)-73
6П3.4
Издательство «Просвещение», 1973
Часть первая. МИР СПЛАВОВ
СПЛАВЫ ВОКРУГ НАС
В наше время невозможно представить себе жизнь
без металла. На каждом шагу — на производстве, в
школе и дома — везде с помощью металла человек со-
здал условия для учебы, работы и отдыха. Поезд или
трамвай, на котором мы едем, дом, в котором мы жи-
вем, ручка, которой пишем, вилки и ножи, которыми
едим,—все создано из металла или с помощью метал-
ла. Человек давно стремился использовать металл. Да-
же периодизация истории человечества частично осно-
вана на металле: медный век, бронзовый век, железный
век. Металл — основа цивилизации, один из главных при-
знаков могущества государства. Чем больше страна про-
изводит металла, тем богаче ее промышленность, выше
ее оборонная мощь.
Что же мы понимаем под словом «металлы»? В сво-
ей книге «Первые основания металлургии или рудных
дел», изданной более двухсот лет назад, М. В. Ломо-
носов писал: «Металлом называется светлое тело, кото-
рое ковать можно. Таких тел находим только шесть: зо-
лото, серебро, медь, олово, железо, свинец»1.
Это определение в основном сохранило свое значе-
ние и до сих пор. Металлический блеск, и способность к
пластической деформации («ковать можно») тесно свя-
заны с особенностями физической природы металлов.
Однако есть и исключения. Например, сурьма обладает
1 Цит. по ки.: С. С. Штейнберг. Металловедение, т. 1. М.,
Металл ургиздат, 1952, стр. 78.
3
металлическим блеском, но ковать ее нельзя ни в холод-
ном, ни в горячем состоянии.
Какие же признаки служат сейчас для отличия ме-
талла от неметалла? Специалисты по физике твердого
тела считают, что основным, характерным для металла
признаком является электропроводность. Причем речь
идет не об абсолютной величине электропроводности, а
о характере зависимости величины электросопротивле-
ния от температуры. Об этом признаке более подробно
будет сказано в главе «/Чикромир сплавов».
В таблице Д. И. Менделеева металлы занимают ве-
дущее место. Если М. В. Ломоносов насчитывал только
шесть металлов, то в настоящее время их насчитывает-
ся более 70, т. е. более 2/3 всех известных элементов:
никель и олово, медь и железо, вольфрам и цирконий,
уран и бериллий, алюминий и титан и т. д.
Металлы делят на черные и цветные. К черным от-
носят только один металл — железо. Железо — основа
всех видов стали и чугуна-—составляет 5,1% от массы
земной коры и является самым распространенным ме-
таллом. Железо не встречается на Земле в виде само-
родного, оно находится в рудах, которые представляют
собой химические соединения железа с кислородом и
другими элементами: Fe2O3, Fe3O4, FeO-SiO2, Fe2(CO3)2
и т. д.
К цветным металлам относят: золото, серебро, медь,
свинец, никель, вольфрам, титан, ванадий, кобальт, алю-
миний, молибден, тантал и другие. Цветные металлы
подразделяют на легкие (алюминий, магний и др.), тя-
желые (медь, свинец и др.) и благородные (золото, пла-
тина, серебро).
Но в технике и производстве применяют, как пра-
вило, не чистые металлы, а сплавы: сплавы металла с
металлом, металла с неметаллом, многокомпонентные
сплавы. Чистые металлы дороги, недостаточно прочны и
в большинстве случаев неудобны в производстве. Спла-
вы более выгодны, они значительно дешевле чистых ме-
таллов, более прочны и тверды и обладают более цен-
ными свойствами: лучшие литейные качества, более лег-
кая. обрабатываемость режущими инструментами, кор-
розионная устойчивость, и, что особенно важно, сплавы
можно получать с теми свойствами, которые требуются
в данной отрасли производства.
4
Развитие технического прогресса и современной тех-
ники, в том числе и космической, основывается на ши-
роком применении сплавов. Это закономерно, так как
физические и механические свойства чистых металлов,
доступных для технического использования, не могут
удовлетворять разносторонним, а часто и комплексным
требованиям.
Таким образом, то, что мы в обычной жизни при-
нимаем за металл, в огромном большинстве случаев
оказывается сплавом. Мы живем не в мире металлов, а
в мире сплавов. Так, например, при входе в дом вы об-
ратили внимание на красивую блестящую дверную руч-
ку из желтого металла. Что это за металл? Это брон-
за— сплав меди, алюминия и олова.
Золотое кольцо на руке — это сплав золота, меди, ни-
келя и серебра. На внутренней стороне кольца выграви-
рованы цифры 386, 567 и др. Цифра 386 означает, что
на 1000 г сплава приходится только 386 г золота, ос-
тальное— другие металлы. Проба 567 свидетельствует,
что в сплаве на 1000 г имеется 567 г золота.
Часы выполнены из нескольких сплавов, каждый из
которых обладает особыми свойствами. Например, ча-
совая пружина сделана из немагнитного, коррозионно-
устойчивого сплава с высокими упругими свойствами.
В состав сплава входят железо, хром, никель, молибден,
кобальт, вольфрам, марганец и алюминий.
Лезвие перочинного ножа изготовлено из сплава
железа с углеродом. А нержавеющий столовый при-
бор—из более сложного сплава, в котором, кроме
перечисленных выше элементов, находятся хром, ни-
кель, титан..
Над вами — медные провода для троллейбуса. Но
они не медные, а из сплава меди с кадмием. Добавка
к меди 0,9% кадмия хотя и уменьшает электропровод-
ность по сравнению с чистой медью на 10%, но зато
увеличивает прочность провода в два раза.
В небе белой птицей стремительно проносится само-
лет, одетый в блестящую одежду. Металл, из которого
сделан корпус самолета, отличается малой массой и вы-
сокой прочностью. Что это? Алюминий? Не? — это сплав
алюминия с другими металлами. Алюминий недоста-
точно прочен и непригоден для самолетостроения. Про-
мышленно-чистый алюминий, содержащий 99,9% алю-
5
миния и 0,1% примесей, имеет предел прочности1 всего
6 кгс/мм2. Добавка к алюминию малых количеств меди,
магния и марганца увеличивает его прочность в несколь-
ко раз — до 20 кгс!мм2. А если сплав подвергнуть тер-
мической обработке, то прочность его повысится еще в
два-три раза и будет составлять около 50 кгс/мм2. Вот
такой термически обработанный сплав и применяют для
самолетов.
Однако в новейших самолетах, летающих со сверх-
звуковой скоростью, алюминиевые сплавы уже не могут
удовлетворить требования конструкторов. Для таких са-
молетов разработаны новые высокопрочные сплавы ца
основе титана.
В районе ВДНХ в Москве стремительно взметнулся
ввысь ослепительно блестящий в солнечных лучах мону-
мент победителям космоса. Монумент облицован поли-
рованными листами титанового сплава. Пройдут века,
но не померкнет блестящая поверхность монумента.
Под сложившимися понятиями «железо», «сталь»,
«чугун» мы понимаем сплавы железа с различным коли-
чеством углерода и непременными попутчиками — мар-
ганцем, кремнием, серой, фосфором. Если в сплаве со-
держание углерода не превышает 0,1%, то такой сплав
называется техническим железом. Сплавы железа с со-
держанием углерода до 1,7% называют сталью. Из ста-
ли изготовляют большинство окружающих нас предме-
тов. Любой инструмент — топор и стамеска, пила по де-
реву и нож рубанка, зубило, слесарная пила, сверло и
штампы — изготовляют из стали. Автомобили, вагоны,
электровозы, станки, железнодорожные рельсы, различ-
ные машины —все это сделано из сплавов железа с раз-
личным содержанием углерода.
Если в сплаве железа с углеродом содержание уг-
лерода составляет от 1,7 до 6,6%, то образуются метал-
лические сплавы с отличными от стали свойствами —
чугуны. Чугуны применяют для деталей машин, рабо-
тающих в основном на сжатие. Чугун обладает хороши-
1 Предел прочности характеризует прочностные свойства ме-
талла. Образец металла испытывают на разрыв специальной раз-
рывной машиной. Усилие, необходимое для разрыва образца, де-
ленное на площадь в месте разрыва, и выражает количественную
величину предела прочности.
6
ми литейными свойствами, поэтому из него в литейных
цехах отливают большое количество деталей машин и
станков.
Заводы черной металлургии нашей страны произ-
водят около полутора тысяч различных марок стали и
сплавов. Широко распространены стали конструкцион-
ные, инструментальные, строительные, нержавеющие, бы-
строрежущие, жаропрочные, электротехнические и мно-
гие другие.
Добавка к железу или к углеродистой стали других
металлов изменяет свойства сплава в определенном
направлении. Добавляемые металлы называют леги-
рующими, а полученные стали — легированными или спе-
циальными сталями. Приведем несколько примеров из-
менения свойств стали в результате действия легирую-
щих элементов. Хром, например, повышает прочность и
твердость стали, хотя несколько снижает ее пластичность
и вязкость. При содержании хрома свыше 12% сталь
приобретает свойства нержавеющей; оксиды хрома пре-
дохраняют поверхность стали от ржавления. Никель,
кроме прочности, придает стали высокую пластичность
и вязкость. Сочетание в определенной пропорции хрома
и никеля дает сталь для ответственных конструкций. Мо-
либден и кобальт вместе с повышением прочности и
твердости увеличивают стойкость стали при высоких
температурах. Поэтому молибденовые стали широко из-
вестны как теплоустойчивые и жаропрочные; их при-
меняют в конструкциях турбин, паровых котлов и т. д.
Марганец сообщает стали свойство сопротивления
против истирания, поэтому из марганцовистой стали с
12—14% марганца изготовляют стрелки для железнодо-
рожных и трамвайных путей, трущиеся части ковшей для
экскаваторов и т. д. Вольфрам в сочетании с хромом и
ванадием придает стали красностойкость. Резцы из бы-
строрежущей вольфрамовой стали не теряют своей твер-
дости и способности к резанию даже при нагревании до
600 °C, в то время как резец из углеродистой стали вы-
ходит из строя при 150—200 °C. Свойство красностойко-
сти позволило в десятки раз увеличить скорость реза-
ния при обработке металлов на металлорежущих стан-
ках. Кремний сообщает стали свойство упругости, по-
этому все рессоры и пружины изготовляют из кремни-
стых сталей.
7
Медь повышает сопротивляемость стали к коррозии.
Ванадий измельчает структуру металла, цирконий еще
более измельчает структуру, увеличивая прочность и
пластические свойства стали. Фосфор и сера ухудшают
пластичность и вязкость стали, при большом содержа-
нии фосфора сталь становится хрупкой, особенно на
морозе. Сера делает сталь хрупкой при высоких тем-
пературах— при ковке или прокатке эта сталь дает тре-
щины. Сера, содержащаяся в чугуне, ухудшает его жидко-
текучесть, а также увеличивает хрупкость чугуна, фос-
фор же, наоборот, повышает жидкотекучесть чугуна.
Эти данные не исчерпывают всего многообразия влия-
ния добавок на свойства стали. Различные по количе-
ству добавки к железу одного и того же вещества рез-
ко, а иногда совершенно неожиданно меняют свойства
стали. А если учесть, что в практике применяют не толь-
ко двойные, но и тройные и более сложные сплавы же-
леза с другими веществами, то число возможных ком-
бинаций буквально неисчислимо. В настоящее время
применяют только ничтожную часть из бесконечного чис-
ла возможных железных сплавов. Пути для создания
новых, еще более совершенных сплавов открыты и ждут
своих исследователей.
Сплавы на основе железа являются главным мате-
риалом современной техники. Расход железа и его спла-
вов составляет 92—93% от общего расхода всех при-
меняемых металлов и сплавов.
Цветные металлы, так же как и железо, довольно
редко применяют в виде чистых металлов. Исключение
составляют золото, серебро, медь и некоторые другие
металлы. Многие из цветных металлов используют в ка-
честве легирующих (облагораживающих) добавок к же-
лезным сплавам. Сплавы цветных металлов играют в
технике все большую роль. Особое распространение по-
лучили сплавы легких металлов. Производство алю-
миния и его сплавов за последнее десятилетие возрос-
ло примерно в тридцать раз, сплавов магния — более
чем в пятьдесят раз. Легкие сплавы получили широкое
распространение в самолетостроении и других отраслях
промышленности. Более 2/з конструкций современного
самолета состоят из легких сплавов — алюминиевых и
магниевых. Магниевые сплавы значительно легче алю-
миниевых, за последние годы их все более уверенно
8
применяют для конструкций самолетов. Во всех странах
увеличивается добыча и производство магния. Успеш-
но осваивается в промышленных масштабах извлече-
ние магния из морской воды.
Наряду с резко возросшим применением легких спла-
вов значительно расширилось использование в технике
и производстве сплавов тяжелых цветных металлов, та-
ких, как медь, олово, цинк, сурьма. Повседневным ста-
ло применение сплавов циркония, церия, тантала, гер-
мания, лития, бериллия и других редких металлов. За
последние годы особенно бурно увеличивается потреб-
ление сплавов на основе титана.
В стали и других сплавах всегда присутствуют не-
металлические включения, которые, несмотря на их весь-
ма небольшое содержание, оказывают большое влия-
ние на качество сплавов. Включения проникают в ме-
талл в процессе плавки из руды, извести и других ма-
териалов, применяемых при выплавке, а также в ре-
зультате разрушения огнеупорной кладки плавильной
печи. По химическому составу неметаллические вклю-
чения подразделяют на оксиды (SiO2, А12О3, Сг2О3,
TiO2, ZrO2 и др.), шпинели (MgO-Al2O3, FeO-Al2O3,
FeO-Cr2O3), нитриды (TiN, ZrN, NbN, AIN, CrN, VN,
MnN и* др.) и сульфиды (MnS, FeS и др.).
Сплавы металлов — это не только творение рук че-
ловека. Они создаются и самой природой. Сплавы мож-
но встретить и в глубине земных недр и в космосе. В при-
роде, в естественных условиях, чистые металлы встре-
чаются редко. Мы знаем самородное золото, платину,
серебро, медь. Вот, пожалуй, и все. Основная масса ме-
таллов находится в виде сплавов или химических сое-
динений. Огромной кладовой сплавов является Земля.
По одной из современных геофизических теорий малое
и большое ядра Земли (рис. 1) представляют собой
сплав железа с никелем и кремнием. Расплавленный же-
лезный пояс Земли начинается на расстоянии 2900 км
от ее поверхности и простирается более чем на 2000 км
в глубину. На глубине 5000 км располагается твердое
металлическое малое ядро Земли. По данным геофизи-
ки, физики высоких давлений, а также космохимии, рас-
плавленный железный пояс и твердое ядро имеют один и
тот же состав: железо, никель и кремний. Эта научная
гипотеза хотя и не подтверждена прямыми эксперимен-
9
тами, но соответствует современному уровню знаний о
природе.
Сплавы существуют не только в недрах Земли, но и
в космосе. Об этом свидетельствуют посланцы космо-
са— метеориты. Метеориты раньше считались послан-
цами богов, им поклонялись, связывали с ними различ-
ные суеверия.
Континентальная кора
Верхняя мантия
Переходный слой
Нижняя мантия
Сплав железа, никеля
и кремния
Рис. 1. Строение Земли, каким оно представляется по совре-
менным гипотезам.
Метеориты бывают каменные, железные и железо-
каменные. Железный метеорит Бургавли нашли при
горных работах в Якутии. Метеоритный дождь выпал
в 1937 г. в Татарской АССР на площади, равной 400км2.
Железо-каменный метеорит Лухан в Аргентине был най-
ден на глубине 6 м под останками вымершего живот-
ного— мегатерия. Полагают, что мегатерий был убит
этим метеоритом.
Анализы состава железных метеоритов показали, что
они представляют собой сплав железа и никеля, с пре-
обладающим содержанием железа. Для изучения внут-
реннего строения метеорита был приготовлен шлиф с
полированной поверхностью. После травления в кислоте
поверхность шлифа изучали под микроскопом с увели-
to
пением более чем в сто раз. Фотография структуры ме-
талла метеорита показала давно известную металлове-
дам типичную структуру перегретого металла. Такая
структура известна под названием видманштетовой и
характеризуется выделением кристаллов железа в виде
игл под углом 60° по отношению друг к другу.
Железо-каменные метеориты— это сцементирован-
ные конгломераты силикатов с никелистым железом —
сплавом железа и никеля. В каменных метеоритах в
небольших количествах присутствует сплав железа с
никелем, а также сульфид железа.
Любопытно, что в метеоритах, в том числе и в же-
лезных, иногда находят дорогие подарки — алмазы.
Предполагают, что превращение графита в алмаз про-
исходит во время удара о поверхность Земли, когда при
высоких температурах возникает огромное давление. Уче-
ные считают, что существование алмазов, образующих-
ся при ударе многочисленных метеоритов о поверхность
Луны, очень вероятно. Если это предположение под-
твердится, то, может быть, мы станем свидетелями от-
крытия алмазной промышленности на спутнике Земли —
Луне.
После космоса заглянем в глубины Мирового океа«
на. Во многих районах Тихого, Индийского и Атланти-
ческого океанов, на глубинах от 2—3 до 5—6 км дно
океана покрыто округлыми или лепешковидными кам-
нями и напоминает безбрежную замощенную булыжни-
ками площадь. Размер их небольшой — от 3—4 до 10—
12 см в диаметре, а количество достигает нескольких
десятков килограммов на один квадратный метр дна.
Характерно, что «булыжники» располагаются на самой
поверхности донных отложений. Они не прикрыты даже
ничтожным слоем осадков. Это залежи нового метал-
лургического сырья — железо-марганцовистые конкре-
ции, богатые многокомпонентными конгломератами; из
них получают сплавы различных металлов. Вновь от-
крытые сырьевые запасы металлов — принципиально но-
вый тип сырья, не имеющего аналогов на Земле. Внутри
конкреции, как правило, встречаются органические ос-
татки. Общие запасы железо-марганцовистых конкреций
на поверхности дна Тихого океана, по самым скром-
ным подсчетам, составляют не менее 9-Ю13 кг. Ми-
ровые запасы кобальта на суше составляют примерно
И
109 кг, а в конкрециях на дне океанов его заключено
около 1012 кг.
Экспедициями Института океанологии Академии наук
СССР изучаются запасы и возможности использования
железо-марганцовистых конкреций.
В 1967 г. в один из институтов были доставлены пер-
вые килограммы океанской руды. Был разработан ре-
жим плавки железо-марганцовистых конкреций в элект-
ропечах. Эксперимент удался. Плавка прошла хорошо.
Впервые люди держали в руках сплав железа, марган-
ца, никеля, меди и кобальта, полученный из запасов под-
водной кладовой. .
На очереди стоит разработка проекта плавучего ме-
таллургического комбината для добычи и первичной пе-
реработки конкреций (рис. 2). Подъем конкреций со
дна океана с глубины до 6 км теоретически разра-
ботан.
Человек вошел в царство сплавов как экономный и
рачительный хозяин. Для каждого сплава есть свое ме-
сто, свое применение, каждый используется сообразно
своим способностям и возможностям. Если науке, тех-
нике, производству требуются новые металлы с особыми
свойствами, ученые создают такие сплавы. И с каждым
годом по мере усложнения производства и создания
новых машин и приборов .возникает большое число но-
вых сплавов, новых марок стали. Ибо поистине безгра-
ничны возможности сочетания в сплавах различных эле-
ментов, металлов и неметаллов.
Разработкой новых сплавов занимается большой от-
ряд ученых и инженеров, техников и лаборантов. К ус-
лугам ученых обширные лаборатории, чудесные приборы
и установки, позволяющие глубоко проникнуть в глубь
металла, познать природу и сущность металлов и спла-
вов, их кристаллическое и атомное строение. Доста-
точно сказать, что современные электронные микроскопы
позволяют изучать структуру металлов и сплавов при
увеличении в 100,-150 тысяч раз.
Ученые-металлурги увлечены своей работой, поиска-
ми новых путей увеличения прочности сплавов, создани-
ем новых металлических материалов с не виданными до
сих пор, но так необходимыми современной технике свой-
ствами. Успешное решение проблемы — это не случай-
ная удача одиночки, а результат, предопределенный
12
научным предвидением, знанием закономерностей изме-
нения структуры, свойств металлов и сплавов и целе-
устремлением, настойчивым трудом коллектива энтузи-
астов науки, ученых и лаборантов, практиков и Теоре-
тиков, рабочих и конструкторов.
Рис. 2. Схема установки для подъема железо-
марганцовистых конкреций со дна океана.
Металлурги любят и понимают металл. Они знают
его. особенности и капризы, знают, как поведет себя
сплав, созданный из определенных компонентов. Стале-
вары изучили химические реакции, которые происходят
при выплавке железа, стали и сплавов, и умеют направ-
13
лять их в нужную сторону. Ученые уверены в возмож-
ности создания таких сталей и сплавов, прочность кото-
рых будет в десятки раз выше той, что имеется в на-
стоящее время.
Металлурги: доменщики, сталевары, прокатчики, тер-
мисты, металловеды, говоря о металле, образно приме-
няют многие термины, свойственные живой природе. На-
пример, металл может «устать», «заболеть». Термины
«усталость металла», «старение», «водородная болезнь»,
«оловянная чума» являются общепринятыми во многих
странах. Но об этом в следующих главах.
СЛУЖБА И СВОЙСТВА СПЛАВОВ
Сплавам приходится вести различную жизнь. Боль-
шинство из них живет деятельно, бурно, выполняет тя-
желую работу, несет большие нагрузки. Другие, наобо-
рот, ведут спокойный образ жизни, выполняют неслож-
ную, легкую работу, нагрузки их иногда ограничиваются
только собственной массой.. Поэтому и длительность
службы у них различная. Детали авиационного или тан-
кового мотора, электродвигатели или турбины живут
меньше, чем станина, на которой стоит станок, или кор-
пус для часов. Крупнейший металлург нашего времени
И. П. Бардин сравнивал жизнь металла с жизнью двух
животных —коня и черепахи. Красавец конь, полный ог-
ня, вечно скачет по дорогам, горам и долинам, черепаха
или спит, или медленно двигается по пескам. Поэтому
она и живет до трехсот лет, а жизнь коня исчисляется
двумя десятками лет. Так и металл. Столовый прибор
из серебра или нержавеющей стали, изящная скульп-
тура из чугуна могут жить сотни лет, а детали турбин
или мотора живут считанные годы или месяцы.
Для того чтобы представить себе, в каких условиях
приходится работать деталям машин, инструментам и
другим изделиям из стали и сплавов, приведем несколько
примеров. По улицам городов, поселков, по дорогам на-
шей страны день и ночь не умолкает шум моторов. Ав-
томашины, тракторы и комбайны, бульдозеры и дорож-
ные машины работают во всех уголках нашей Родины.
Комфортабельные, изящные автобусы делают тысячеки-
лометровые рейсы по новым автострадам, соединяющим
наши города и республики. Давайте попытаемся разо-
14
браться, какую работу совершают детали мотора. Колен-
чатый вал двигателя каждые 60 сек делает 3600 оборо-
тов, испытывает 7000 ударов от взрыва рабочей смеси,
толкающей поршень. Всего за тысячекилометровый про-
бег коленчатый вал делает более двух с половиной мил-
лионов оборотов. Многие детали мотора выполняют еще
большее количество операций за это время. Поршни,
например, делают более пяти миллионов ходов. Почти
полтора миллиона раз открываются и закрываются кла-
паны цилиндров, каждый раз испытывая толчок и удар
о металл. Это только за тысячу километров! А ведь ав-
томобиль проходит до ремонта в сотни раз больше.
Многие водители проходят на своих машинах 200 тыс. км
и больше до смены мотора. К полутора миллиардам
подойдет тогда счет оборотов, сделанных за это время
коленчатым валом. Разве можно было думать несколь-
ко десятков лет назад, в начале нашего века, о том, что
металлурги найдут способы получать сплавы и стали,
которые в состоянии будут выполнять такую чудовищ-
ную работу?
В руках у вас тонкая металлическая пластинка,
свернутая спиралью. Вы зажигаете спичку и подносите
ее к спирали. Спираль начинает развертываться, и плас-
тинка выпрямляется. Погасла спичка — и снова сверну-
лась спираль. Такая спираль может служить основой
очень чувствительного прибора для измерения темпе-
ратуры, способного регистрировать самые ничтожные
температурные колебания. Что же это за металл? Это
термобиметалл, состоящий из двух разнородных, сва-
ренных между собой металлических пластинок. Одна
пластинка — активная, изготовлена из сплава с большим
коэффициентом линейного расширения, другая — пас-
сивная—с очень малым. Поэтому ничтожное нагре-
вание, вызывая различное линейное расширение сва-
ренных пластинок, распрямляет спираль. Приборы, ос-
нованные на свойствах термобиметалла, применяют там,
где измеряют малейшие изменения температуры.
Выдающееся событие нашего века — путешествие лу-
нохода по поверхности Луны. Земной механизм, создан-
ный советскими людьми, бороздит лунные пески, спус-
кается в кратеры, берет пробы лунного грунта, произ-
водит анализ и всю эту исключительно ценную научную
информацию передает на Землю. Сложность условий, в
15
ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ДИ. МЕНДЕЛЕЕВА
ЛСРИОДн 1 РЯДЫ Гр у п п ы . эл е.ме нто в
I я а III IV j VI VII VIII
I 1 1 он вОДОРОД - (Н) 2 Не 7 гелий
11 2 3 ы и i литий 4 оВе БЕРИЛЛИЙ 5 В 7 БОР. в р ВО УГЛЕРОД г . - т е* 8 о fflO КИСЛОРОД 9 р 7 ФТОР 10 Ne □ иеом
Ill 3 “ Na □ НАТРИЙ ”оМв МАГНИИ 13 А1 □ АЛЮМИНИИ 14 Si и кремний 15 г р С> 18 S СЕРА 17 С1 '» плоя 18 Аг □ днгон
IV 4 19 QK МАЛИЙ 20 г«а □0 КАЛЬЦИЙ Sc 21 t СКАНДИЙ ТС 22 Ои ТИТАМ уТ^зз вАфНИЙ Сг 24 □ ИРОМ м“§0 марганец Feae Со27 Ni2» □□ 0о о железо кобальт никель
5 Си 29 □ МЕДЬ Zn 30 ЦИНИ 81 Ga О л ГАЛЛИЙ 33 Ge 0 ГЕРМАНИЙ 33; а» 94oSe селен 35 рг 7 ВРОМ 88 Кг □ КРИПТОН
V 6 37 Rb □ РУБИДИЙ 39 Sr □ СТРОНЦИИ V 39 Yo ИТТРИЙ zr 40 ЦИРКОНИЙ н Мо 42 □ МОЛИБДЕН Тс 43 7 технеций Ru44 Rh4J Pd48 0 □ □ рутений РОДИЙ ПАЛЛАДИИ
*7 СЕРЕБРО cdo 49 КАДМИЙ 49 DIn индий 50 00 олово Mlsb с У (МА 52 TV» 0 теллур 59 1 О ИОД 54 Хе □ ксенон
1 1 VI 8 %cs цезий 56 Ва □ БАРИЙ 41 ЛАНТАН ш0 «. Гафний Тв 73 taJcaa j вольфрам Re 75 0 рений Os78 Ir77 Pt78 Od o ОСМИЙ ИРИДИЙ ПЛАТИНА
9 Au 79 □ золото %80 РТУТЬ х 82 РЬ □ свинец 83 j Bi • фгТ 1 84 Ро полоний 85 At ? АСТАТ 9в Rn 7 РАДОН
VII IO 37 "Fr ФРАНЦИЙ 89 На РАДИЙ Ас" 89 АС -103 АКТИНИЙ Ku 104 КУРЧАТОВИЙ
КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ ЕГРУКТУРА ЭЛЕМЕНТОВ
Условны»-' обозначения
□ Кубическая гранецентркрважяая Q Гексагональная
□ Кубическая центрирования [] Тетрагоиалъкая
В Кубическая типа алмаза О Ромбоэдрическая
Ш Кубически сложная
Рис. 3. Кристаллическая структура элемитов периодической системы Д. И. Менделеева.
16
2 Заказ № 3492
которых работают детали и узлы лунохода, заключа-
ется в том, что луноход действует в условиях полного
вакуума и резкой смены температурных условий. Когда
после лунной ночи восходит солнце, то сторона лунохо-
да, освещаемая его лучами, имеет температуру до
4-100°С, а сторона, остающаяся в тени, —90°C. В ре-
зультате в металле возникают большие внутренние на-
пряжения, которые могут привести к его разрушению.
Но этого не случилось. За много месяцев работы луно-
ход прошел по поверхности луны около десяти километ-
ров. Безотказно работали приборы и механизмы. Это
означает, что сплавы, из которых сделаны детали и узлы
лунохода, блестяще выдержали сложные испытания и
показали свою способность работать и на других небес-
ных телах.
Большую задачу решили металлурги, создав целый
ряд новых сплавов, способных нести службу на атомных
станциях. Материалы, из которых выполнены конструк-
ции атомного реактора, подвергаются беспрерывной бом-
бардировке элементарными частицами. Летящие с ог-
ромной скоростью протоны, нейтроны и другие частицы
выбивают атомы из свойственной данному металлу кри-
сталлической решетки, в результате чего изменяются
свойства сплава. Созданы новые оригинальные сплавы,
устойчивые к бомбардировке элементарными частицами.
Не всегда сплавы работают в трудных условиях.
Иногда они несут легкую, простую службу, и это про-
длевает их жизнь на века. Вам, наверное, приходилось
любоваться ажурными чугунными перилами на Литей-
ном мосту в Ленинграде или на мостах через реку Мо-
скву в нашей столице. А бронзовые конные* группы на
Аничковом мосту Невского проспекта. Бронза и чугун
увековечили бесценные произведения искусства. В му-
зеях, антикварных магазинах, во многих квартирах вы
можете встретить удивительно изящные, тонкой работы
небольшие скульптуры с блестящей черной поверхно-
стью. С большим вкусом и художественным мастер-
ством передают эти фигурки скульптурные портреты,
забавных животных, сценки из народного быта. Вот, на-
пример, прощание казака с невестой, тройка, стреми-
тельно распластавшаяся в полете, старушка с прялкой,
уморительный чертик, выразительная в своей благород-
ной беспомощности фигура Дон Кихота, пулеметная та-
18
чанка. Это знаменитое каслинское литье. На многих вы-
ставках мира в течение полутора веков каслинское чу-
гунное литье отмечали премиями и медалями. Каслин-
ский завод существует с 1747 г. Он расположен на от-
рогах Урала в Челябинской области, среди изумитель-
ных горных озер с хрустальной водой и высокими ска-
лами по берегам. Более двухсот лет каслинские мастера
удивляют весь мир своим искусством, отливая из грубо-
го, неподатливого чугуна прекрасные скульптуры.
Вообще, чугун— замечательный литейный материал.
В отличие от стали, железа и других металлов чугун
не дает усадки при затвердевании. Только лед, кристал-
лизуясь из воды, обладает таким же свойством. При за-
твердевании объем его увеличивается, поэтому лед всплы-
вает на поверхность воды. Так же и твердый чугун пла-
вает в расплавленном металле. Объясняется это тем,
что при затвердевании чугуна, содержащего 4—4,5%
углерода, из него начинает выделяться графит с неболь-
шой плотностью, и поэтому твердый чугун занимает срав-
нительно больший объем.
Каслинские умельцы добавляют в чугун фосфор. Хотя
фосфор является нежелательной, вредной примесью (да-
же в долях процента фосфор делает металл хрупким,
резко ухудшает механические свойства), но в то же вре-
мя он делает чугун жидкотекучим, что дает возможность
заполнять мельчайшие изгибы формы. В данном случае
это свойство чугуна важнее, чем прочность, потому что
скульптуры не испытывают никаких нагрузок, кроме
собственной массы.
Приведенные примеры —это ничтожная часть из все-
го многообразия службы сплавов. Десятки тысяч спла-
вов с самыми различными механическими, физическими
и химическими свойствами поставлены на службу че-
ловеку. Рассмотрим, какие же особенности металличе-
ских сплавов способствовали возрастанию их роли в тех-
нике и производстве.
Одним из самых изумительных свойств металлов яв-
ляется их способность образовывать сплавы с другими
металлами и неметаллами. При этом получается ма-
териал с новыми свойствами. Однако все металлические
сплавы при широком различии их свойств сохраняют
присущие металлу особенности, обусловленные внутрен-
ним кристаллическим строением.
/
2*
19
Важнейшей осо’бей’йо^РЬю металла Является пластич-
ность, ковкость, т. е. способность в результате пласти-
ческой деформации принимать нужную форму. Это уди-
вительное свойство присуще и металлическим сплавам.
Наличие пластичности позволяет обрабатывать сплавы
давлением, прокатывать их, ковать, штамповать, изги-
бать. Не все металлы и сплавы обладают одинаково вы-
сокой пластичностью. Свойство пластичности зависит от
особенностей кристаллического строения. Поэтому плас-
тичность может быть различной не только у различных
металлов и сплавов, но и у одного металла, в зависи-
мости от направления деформации. Металлические спла-
вы, как и всякое кристаллическое вещество, характери-
зуются «анизотропией»1 свойств, в противоположность
аморфным веществам, которые «изотропны»1 2. Иначе го-
воря, физические свойства в кристалле различны по раз-
ным его направлениям, в то время как >в аморфном теле
свойства не зависят от направления. Вам, наверно, из-
вестно, что кристаллы слюды легко раскалываются по
определенным плоскостям, образуя-тончайшие пластин-
ки, в то же время «расколоть» слюду в других направ-
лениях невозможно. Каждое кристаллическое вещество
имеет вполне определенные плоскости скалывания (сдви-
га), расположенные под точно определенными углами.
Физические и химические свойства металлических
кристаллов точно так же различны по разным направ-
лениям. Например, упругие свойства цинка в четыре
раза меньше в направлении, параллельном главной оси
кристалла, в сравнении с направлением перпендикуляр-
ным; кадмия — в три раза, сурьмы —в два раза. Коэф-
фициент линейного теплового расширения у этих же
металлов, наоборот, больше ,в «направлении*, параллель-
ном главной оси; для цинка — в четыре с половиной,
кадмия — в два с половиной, сурьмы — в два раза. Фи-
зическая неоднородность свойств кристаллического ве-
щества может быть иллюстрирована следующим приме-
ром: если цилиндр из монокристалла вольфрама погру-
зить в кислоту, то в результате различной скорости
1 Анизотропность — неоднородность свойств кристалла по раз-
личным направлениям от главной оси.
2 Изотропность — однородность свойств кристаллов вне зави-
симости-от направления относительно главной оси.
20
растворения по разным направлениям цилиндр превра-
тится в кристалл многогранной формы.
Анизотропия свойств металлов и сплавов объясняется
геометрически правильным расположением в них ато-
мов, в противоположность относительно беспорядочному
расположению атомов в жидкостях или хаотическому —
в газообразных веществах. Совокупность атомов в кри-
сталлическом веществе образует пространственную кри-
сталлическую решетку.
Через узлы решетки, пред-
ставляющие собой наибо-
лее вероятное размеще-
ние атомов, можно про-
вести в различных на-
правлениях параллельные
и равноудаленные друг от
друга плоскости. В за-
висимости от направ-
ления кристаллографиче-
ские плоскости, проведен-
ные через узлы решетки,
будут характеризоваться
разным расстоянием меж-
ду плоскостями и различ-
ной густотой заполнения
атомами. На рисунке 4
представлена возможная
схема расположения кри-
сталлографических плос-
костей. Плоскости, имею-
Рис. 4. Схема изменения меж-
плоскостных расстояний для раз-
лично ориентированных кристал-
лографических плоскостей.
щие самые большие межплоскостные расстояния (dj,
являются в то же время и наиболее густо заполненны-
ми атомами. Чем меньше расстояние между плоскостя-
ми, тем плотность заполнения их атомами меньше (d2).
Установлено, что скольжение, или сдвиг под дейст-
вием приложенных сил, происходит по плоскостям, наи-
более далеко расположенным друг от друга. Однако
нельзя упрощать процесс пластической деформации кри-
сталлов, представляя себе сдвиг по металлографическим
плоскостям, как скольжение плоскостей друг относитель-
но друга, подобно скольжению столбика, составленного
из монет. В соответствии ’ с современным представле-
нием о механизме пластической деформации плоскости
21
скольжения рассматривают не как определенные атом-
ные плоскости, а как целую группу или пачку атомных
слоев, в пределах которых каждая атомная плоскость
смещается по отношению к соседней плоскости на рас-
стояние, соизмеримое с межатомным расстоянием. На
рисунке 5 показана схема постепенного образования
плоскостей сдвига. Повышение температуры увеличива-
ет пластичность металла, что объясняется большей под-
вижностью атомов. Поэтому металлические сплавы, как
правило, подвергаются
пластической деформа-
ции в горячем состоянии.
Стальные слитки, напри-
мер, перед прокаткой на-
гревают до температуры
1000 °C. Горячая прокат-
ка, кроме изменения гео-
метрической формы, за-
метно улучшает качест-
во металла за счет зава-
Рис. 5. Схема деформации ме-
талла по плоскостям скольжения.
бой, измельчаются, что ведет
ривания дефектов отлив-
ки (газовые пузыри, уса-
дочные пустоты) и раз-
дробления структуры ли-
того слитка. Зерна стали
при этом вытягиваются,
переплетаются между со-
к увеличению прочности
стали (рис. 6).
Ковка и сварка железоуглеродистых сплавов извест-
на много веков, но прокатка его в станах насчитывает
немногим более двухсот лет. Прокат крупных балок впер-
вые был осуществлен в Германии, в Сааре, на заводах
Круппа в 1856—1857 гг. Одновременно с этим в 1856 г.
русский механик В. С. Пятов сконструировал прокатный
стан для прокатки стальных броневых листов, пред-
назначенных для военных кораблей. Прокатные станы
быстро специализировались для проката стального ли-
ста, фасонных и простых профилей, в том числе и труб.
В настоящее время прокаткой можно получить самые
разнообразные профили с широким диапазоном толщи-
ны и сложности. Современные металлургические заводы
производят листы различной толщины, от толстого
22
(200—300 мм) листа до тонкой холоднокатаной транс-
форматорной стали и тончайшей ленты до 2—3 мкм
толщиной. А какой разнообразный по конфигурации сор-
товой прокат получают из металлов и сплавов! Здесь
и уголок, и тавровые и двухтавровые балки, круг, квад*
рат, фигурный прокат и т. д.
Высокая пластичность металлических сплавов по-
зволяла народным умель-
2
Рис. 6. Микроструктура средне-
углеродистой стали:
1 — до деформации; 2 — после де-
формации.
цам создавать уникаль-
ные миниатюрные прибо-
ры. Лет десять назад
японцу Мацуи Мисиема
удалось сделать мотор
величиной меньше напер-
стка. Затем немецкий ин-
женер Капнек изготовил
мотор величиной с горо-
шину. Мотор размером
меньше спичечной голов-
ки сделал Михаил Мас-
люк из Жмеринки. Его
рекорд продержался два
года. Японская фирма
продемонстрировала элек-
тромоторчик с микробата-
рейкой меньше маково-
го зерна. Но и этот ре-
корд просуществовал не-
долго. Киевский мастер
Николай Сергеевич Сядристый сделал двигатель в ше-
стнадцать раз меньше макового зерна и в восемьсот раз
меньше спичечной* головки. Удивительным мастером
Н. С. Сядристым изготовлен также замочек в пятьсот
раз меньше макового зерна и томик стихов с двенадца-
тью серебряными страницами, который проходит через
ушко самой тонкой иголки. Производство микродвигате-
лей не забава и не хобби мастера. Такие двигатели, по-
мещенные в капсулу, могут регистрировать биологические
процессы в организме человека, помогать распознавать
болезни. Биохимия и биофизика с помощью микроаппа-
ратов все глубже проникает в тайны живой материи.
Как указывалось выше, сплавы обладают неизмери-
мо большим комплексом свойств по сравнению с чис-
23
тыми металлами. Как правило, чистые металлы имеют
высокую пластичность, но низкую твердость, прочность и
упругость. Можно, конечно, повысить твердость и проч-
ность металла при помощи наклепа. Например, если
кусок мягкой проволоки многократно сгибать и разги-
бать, то в месте сгиба металл нагреется и приобретет
высокую твердость, сопротивляемость изгибу при этом
заметно повысится. Через некоторое время сопротивле-
ние деформации настолько возрастет, что изгиб пере-
местится на недеформированную часть проволоки или
же наступит разрушение. Такой же эффект получится,
если создать наклеп ударами молотка по металлу или
холодной прокаткой в валках. Во всех случаях прочность
и твердость резко возрастают, но при этом металл ста-
новится хрупким, теряет свою пластичность. А в техни-
ке, как правило, требуются материалы, сочетающие вы-
сокую прочность с достаточным запасом пластичности.
Чистые металлы не могут удовлетворять таким требо-
ваниям, они не обладают комплексностью свойств, что
почти полностью исключает их из области применения
в качестве конструкционного и строительного материа-
ла. Точно так же не может быть и речи об использова-
нии чистых металлов для изготовления режущих инст-
рументов из-за их недостаточной твердости при высокой
температуре.
Жаростойкость сплавов также в несколько раз выше,
чем жаростойкость чистых металлов. Например, чистый
ниобий (темп. пл. 2415°С) после нагревания до 1100°C
и выдержки 100 ч имеет прочность 5—6 кгс/мм2, а сплав
ниобия с вольфрамом, молибденом и цирконием —26—
27 кгс!мм2. Чистый молибден (темп. пл. 2610 °C) при
тех же условиях испытания имеет прочность 10—
12 кгс/мм2, а добавка к нему небольших количеств ти-
тана и циркония увеличивает прочность до 35—
39 кгс!мм2.
Важнейшей особенностью .сплавов является их спо-
собность к термической обработке. Термическую обра-
ботку применяют и для отдельных чистых металлов, но
при этом не получают сколько-либо существенного из-
менения свойств. Совсем другое положение в сплавах.
Закаленный резец из железоуглеродистых сплавов при-
обретает такую твердость, что может легко обрабаты-
вать сплавы такого же состава, но не подвергшиеся за-
24
калке. Термически обработанные сплавы алюминия ста-
новятся в несколько раз прочнее, без заметного снижения
пластичности.
Только в сплавах можно эффективно использовать
присущее отдельным металлам свойство изменять в за-
висимости от температуры или давления строение кри-
сталлической решетки. Такое свойство металлов и спла-
вов называется аллотропией, а изменение типа и пара-
метров решетки — аллотропическими превращениями.
Подробнее это будет рассматриваться в главе о микро-
мире металлов (см. стр. 36).
Как известно, металлы с металлами и неметаллами
могут давать химические соединения. Как правило, хи-
мические соединения обладают высокой твердостью и
хрупкостью и имеют более сложную кристаллическую
решетку.
Химические соединения с металлами образуют спла-
вы, многие из которых имеют весьма широкое распро-
странение. Например, все марки углеродистой стали пред-
ставляют собой сплавы железа, но не с углеродом, а с
цементитом — твердым химическим соединением Fe3C.
Многие полезные свойства стали обусловливаются имен-
но наличием цементита, его количеством и формой вы-
деления. Если цементит расположен по границам зерен
в виде пленки, сталь будет твердой, но хрупкой; если в
виде отдельных мелких глобулярных включений, сталь
будет твердой и пластичной. В ходе изложения мате-
риала мы неоднократно встретимся со сплавами, одним
из компонентов которых будет химическое соединение.
МИКРОМИР СПЛАВОВ
29 апреля 1897 г. на собрании Лондонского Королев-
ского общества выступил физик Д. Д. Томсон с сооб-
щением о своих последних работах, в результате кото-
рых было установлено, что мельчайшим носителем
электричества является «корпускула»1. Ученый предло-
жил назвать эту мельчайшую частицу электроном.
Название «электрон» не было случайным. Электро-
ном древние греки называли янтарь, а он, как извест-
»
1 Корпускула — латинское слово, означающее «тельце», «мель-
чайшая частица».
25
но, при трении электризуется и притягивает к себе дру-
гие предметы. Слово «электричество» также является
производным от древнегреческого электрона. Открытие
электрона было первым ударом по теории неделимости
атома, которая главенствовала в физике почти до кон-
ца XIX в. Ученые древней Греции считали, что из ато-
мов, как из «кирпичиков», построены все тела природы.
Эти кирпичики различаются по форме и размерам. Ато-
мы твердых тел имеют зацепки, крючки (как у репей-
ника), при помощи которых они прочно сцепляются друг
с другом. Атомы воды гладкие и округлые. Атомы ки-
слот — иглообразные. Тонкие иглы легко вонзаются
между атомами воды и проникают внутрь. Так кислота
растворяется в воде.
Атомистическое учение о строении тел в природе
было создано в Греции более 2000 лет назад. Последо-
ватели этого учения носили прозвище «смеющиеся фи-
лософы». Известно, что два философа древности Демо-
крит и Гераклит по-разному относились к людской глу-
пости. Гераклит плакал над ней, и его обычно изобра-
жают плачущим, а Демокрит и его последователи смея-
лись над людскими предрассудками. Легендам о боге
они противопоставляли учение об атомах, при помощи ко-
торого можно объяснить все явления материального ми-
ра. Это было материалистическое учение, разумеется,
еще в очень схематической форме.
Физики. нашего времени открыли новые страницы
микромира, бесконечного, как Вселенная, показали, что
в природе нет ничего неделимого и вечного. Если в на-
чале XX в. были известны всего две элементарные части-
цы— электрон и протон, то через пятьдесят лет число
частиц достигло примерно 30, причем их количество все
время возрастает. Уже оказалось возможным система-
тизировать их по группам, разбив на легкие частицы,
частицы средней массы и частицы тяжелые. Современ-
ная физика оперирует величинами, находящимися в об-
ласти ультрамалых интервалов: по времени — до
A/~10~27 сек, по протяженности — до Дх~10-17 см.
Именно в таких интервалах существуют недавно откры-
тые и очень мало живущие, почти эфемерные частицы
резононы. Величина их в тысячу раз меньше ядра ато-
ма водорода, а живут они фантастически короткое вре-
мя — 10"26 сек.
26
Рассмотрим некоторые вопросы микромира металлов
и сплавов. Все металлы и металлические сплавы — те-
ла кристаллические. К кристаллическим телам относят
не только металлы, но и огромное число неметаллов.
В чем же внутреннее, коренное отличие металла от не-
металла, каковы признаки металлического состояния?
Важнейшим физическим свойством металлов является
их электро- и теплопроводность. Но электропроводность
металлов различна. Например, у висмута она меньше,
1 г
Рис. 7. Схема температурной зависимости элект-
росопротивления:
I — для металлов; 2 — для неметаллов.
чем у серебра, в сто раз. Кроме того, некоторые неме-
таллы также обладают способностью проводить элект-
ричество. Дело осложняется еще и тем, что электро-
проводность у металлов и неметаллов изменяется в за-
висимости от температуры. Исследования показали, что
именно характер зависимости электропроводности от
температуры и является основным отличием металла
от неметалла. На рисунке 7 приведены схемы темпера-
турной зависимости электросопротивления для металлов
и неметаллов. При приближении к абсолютному нулю
электросопротивление металлов резко падает (в мил-
лион раз), приближаясь к некоторому конечному, очень
малому значению. При этом, чем меньше примесей в
металле, тем ближе величина электросопротивления к
27
нулю. Можно полагать, что для идеального металла,
кристаллическая решетка которого не искажена при-
сутствием посторонних примесей, при температуре аб-
солютного нуля электросопротивление будет равно
нулю. У неметйллов наблюдается обратная зависи-
мость: по‘мере Понижения температуры электросопро-
тивление возрастает и при приближении к абсолютному
нулю увеличивается ib миллион раз.
Таким образом, металлами следует называть вещест-
ва с электропроводностью, возрастающей с понижением
температуры. Наблюдаются отдельные случаи, когда ве-
щество в зависимости от условий может вести себя как
металл и как неметалл. Например, фосфор при высо-
ком давлении обнаруживает металлические свойства.
К числу металлов должны быть отнесены не только чис-
тые металлы, но и сплавы металлов с металлами и ме-
таллов с неметаллами.
Как было сказано выше, металлы и сплавы харак-
теризуются закономерным, периодическим расположе-
нием атомов в пространстве. Атомы размещены в уз-
лах воображаемой пространственной кристаллической
решетки. Атомы (ионы, молекулы) не стоят неподвиж-
но на отведенных им местах, а совершают колебатель-
ные движения с большой частотой (порядка 1013 коле-
баний в секунду) около некоторых средних положений
равновесия. С повышением температуры амплитуда ко-
лебаний увеличивается, что и проявляется в тепловом
расширении тела. Ряды решеток образуют параллель-
ные кристаллографические плоскости, отстоящие друг
от друга на определенном для данного металла расстоя-
нии. Минимальные расстояния между плоскостями —
2—ЗА (ангстрем — стомиллионная часть сантиметра).
Важнейшим геометрическим свойством, характери-
зующим пространственную решетку, является симмет-
рия. Русский ученый Е. С. Федоров в конце прошлого ве-
ка показал, что существует 23CL способов построения
кристалла из элементарных ячеек. Экспериментальная
проверка теории Федорова подтвердила, что в природе
нет ни одного кристалла, который по расположениюэле-
ментарной решетки не принадлежал бы к той или иной
группе. Металлы и сплавы, как правило, имеют отно-
сительно простые кристаллографические решетки. Ос-
новные из них: кубическая центрированная (атомы рас-
28
положены по углам и в центре куба), кубическая с
центрированными гранями (атомы расположены по уг-
лам и в центре каждой грани) и гексагональная с плот-
ной упаковкой атомов. Чтобы проверить положение о
плотности упаковки атомов в гексагональную решетку,
можно произвести следующий простой эксперимент. На-
сыпьте слой твердых шариков на тарелку, и вы убеди-
тесь, что они расположатся в виде правильного шести-
угольника, что соответствует основанию гексагональной
решетки. На рисунке 8 приведены основные типы кри-
сталлографических решеток металлов и сплавов. Суще-
ственной характеристикой структуры является число со-
седей, окружающих любой атом в решетке, называемое
координационным числом. С увеличением координацион-
ного числа увеличивается компактность структуры. Для
центрированной кубической решетки координационное
число равно 8, для кубической гранецентрированной ре-
шетки—12, для гексагональной плотноупакованной ре-
шетки тоже 12. На рисунке 3 (стр. 16—17) дана таблица
Д. И. Менделеева (без лантаноидов и актиноидов) с
характеристикой кристаллического строения всех метал-
лов и неметаллов. Из этой таблицы следует:
1) решетку центрированного куба имеют а-железо
(см. стр. 43), хром, вольфрам, молибден, ванадий,
натрий, литий, тантал и другие;
2) решетку куба с центрированными гранями имеют
у-железо, алюминий, медь, никель, кобальт, свинец, се-
ребро, золото, платина и другие;
3) гексагональную решетку имеют цинк, кадмий, маг-
ний, титан, цирконий, бериллий и другие;
4) углерод в виде графита имеет гексагональную ре-
шетку, в виде алмаза — кубическую решетку.
Напомним, что вокруг положительно заряженного
ядра расположены отрицательно заряженные электроны.
Число электронов в атоме и положительный заряд ядра
соответствуют порядковому номеру элемента в периоди-
ческой системе Д. И. Менделеева. Атомы находятся на
таком расстоянии друг от друга, при котором уровень
энергии взаимодействия наименьший. При таких усло-
виях и создается закономерный порядок расположения
атомов в ту или иную кристаллографическую решетку.
В природе известны восемьдесят восемь разновидно-
стей стабильных атомов, из них только немногим более
29
Рис. 8. Расположение атомов в элементарных ячейках:
/— центрированной кубической; 2 — гранецентрированной кубической;
3 — плотнесложенной гексагональной.
30
десяти наиболее часто встречаются в земной коре. Эти
атомы могут образовывать почти бесчетное количестве
комбинаций, составляющих все известные вещества. Од-
нако во всех твердых кристаллических телах сущест-
вует только пять видов межатомных и межмолекулярных
связей. Эти связи следующие: ионная, ковалентная, ме-
таллическая, молекулярная и водородная. Рассмотрим
некоторые из этих связей.
В основе ионной связи лежит электростатическое на-
пряжение между противоположно заряженными ионами.
Характерной чертой ионной связи является отсутствие
какой-либо предпочтительной направленности в прост-
ранстве. Каждый ион окружен наибольшим числом ио-
нов противоположного знака, поэтому строение решет-
ки определяется в первую очередь геометрией их взаим-
ного расположения. Типичными примерами ионных свя-
зей являются, например, хлорид натрия и хлорид цезия,
Ионы натрия и- хлора, имеющие противоположный за-
ряд, располагаются в кристаллографической решетке
таким образом, что каждый ион хлора окружен шестью
ионами натрия и, наоборот, каждый ион натрия окру-
жен шестью ионами хлора. В кристалле хлорида цезия
различие в размерах ионов гораздо меньше, чем в
кристаллах хлорида натрия, поэтому вокруг положитель-
но заряженного иона размещается уже не шесть, а во-
семь отрицательных ионов, что и определяет форму
строения кристаллической решетки. Ионные кристаллы
не обладают электронной проводимостью. Это объяс-
няется тем, что электроны прочно связаны с отдельными
ионами.
Ковалентная связь образуется при объединении ва-
лентных электронов. В этом случае валентные электроны
принадлежат не одному, а двум и более атомам. При-
мером может служить алмаз, где каждый атом угле-
рода свои четыре электрона делит с четырьмя соседями.
Каждый электрон использует не только свою орбиту, но
и дополнительно орбиты соседей. За пределы этой груп-
пы электроны выходить не могут. Поэтому кристалли-
ческие тела, обладающие ковалентными связями, не
являются проводниками электричества.
Основой металлической связи является не частичное,
а полное, всеобщее объединение электронов. Атомы
металлов в отличие от неметаллов легко отдают свои
31
внешние электроны и превращаются в положительно за-
ряженные ноны. Отрицательно заряженные электроны
не закреплены постоянно за каждым атомом, а равно-
мерно перемещаются в промежутках между ионами.
Но их перемещение не свободно, а ограничено притяже-
нием близлежащих ионов. Электронные оболочки одно-
го атома перекрываются электронными оболочками дру-
гих атомов таким образом, что свободно перемещаю-
щиеся внешние электроны нельзя уже связывать с от-
дельными атомами. Об-
щие электроны образуют
электронный газ, кото-
рый движется между ио-
нами и скрепляет их друг
с другом (рис. 9). В этом
суть и особенность меж-
атомных связей металлов
и металлических сплавов.
Металл может рассмат-
риваться как постройка
из правильно располо-
женных в пространстве
Рис. 9. Схема атомного строения положительных ИОНОВ, ПО-
металла. груженная в газ из сво-
бодных электронов.
Свободные электроны, имеющие отрицательный за-
ряд, соединяют стремящиеся оттолкнуться положи-
тельно заряженные ионы металла. Электронный газ лег-
ко соединяет различные по составу металлы, причем на-
столько прочно, что разрушение в результате примене-
ния нагрузок чаще происходит по телу металла, а не по
зоне соединения. Этим объясняется легкость таких опе-
раций, как сварка и пайка различных по составу ме-
таллов и сплавов. Специфика металлической связи дает
возможность атомам различных типов соединяться, за-
нимая узлы в кристаллической решетке во множестве
сочетаний. Поэтому металлы образуют сплавы самых
различных композиций.
Изучение природы электрического сопротивления
твердых тел показало, что наложение внешнего элект-
рического поля упорядочивает движение электронов в
одном направлении, сообщая им ускорение. Ионы кри-
сталлической решетки отклоняют электроны от прямо-
32
линейного движения, создавая сопротивление. В метал-
лах даже малое электрическое поле сообщает свобод-
ным электронам достаточную энергию для упорядочен-
ного движения. Если же связь не металлическая, то, для
того чтобы освободить электроны, требуется значительно
большая энергия. Изолятор отличается от проводника
особой прочностью химических связей. Электроны на-
столько сильно связаны с определенными атомами, что
приложение мощного электрического поля или нагрева-
ние даже до точки плавления не может разорвать эти
связи. Как правило, теплопроводность металлов пропор-
циональна электропроводности, что объясняется участи-
ем электронов в переносе теплоты.
Таким образом, исследование микромира металлов
показывает, что замечательные свойства металлов (пла-
стичность, способность образовывать сплавы, высокая
электропроводность и теплопроводность) обусловлены
своеобразием металлических межатомных связей. Но
нельзя понимать так, что металлы обладают только од-
ной металлической связью. Такие металлы, как галий,
• индий, германий, олово и ртуть, обладают сложной
кристаллической решеткой с несколькими типами свя-
зей, что характерно для элементов, сочетающих в се-
бе свойства металлов и неметаллов. Несколько типов
связей имеют такие металлы, как сурьма, висмут,
мышьяк.
При образовании сплавов двух металлов или метал-
ла с неметаллом могут создаваться различные комби-
нации в зависимости от атомного строения компонентов
сплава (рис. 10). Довольно часто сплав двух элементов
образует механическую смесь кристаллов этих элемен-
тов. В результате получается эвтектика, т. е. механиче-
ская смесь очень малых и равномерно распределенных
кристалликов. Эвтектика по-гречески — «хорошо плавя-
щаяся». Эвтектические сплавы имеют самую низкую
температуру плавления и хорошие литейные качества.
Хорошо измельченная дисперсная структура эвтектики
обеспечивает высокие механические свойства сплава.
Нередко компоненты сплава образуют химические
соединения. Химические соединения, как правило, име-
ют постоянный состав и отличаются высокой твердостью
и хрупкостью. Кристаллическая решетка химического
соединения не похожа на решетки элементов, из кото-
3 Заказ № 3t32
33
рых образовалось химическое соединение, и принадлежит
к более сложному типу.
Самой замечательной комбинацией тонкой структуры
сплавов является так называемый твердый раствор.
Твердый раствор—это сплав, у которого атомы рас-
творенного вещества рассеяны в атомной решетке рас-
творителя. Количественное сочетание этих веществ в рас-
творе может меняться без нарушения однородности
структуры. Под микроскопом структура твердых рас-
творов напоминает структуру чистых металлов и состоит
Рис. 10. Структура и строение элементарной ячейки про-
странственной кристаллической решетки различных сплавов
из металлов А и Б.
из однородных зерен. Исследования показали, что обра-
зование твердых растворов может происходить в основ-
ном по двум типам: растворам замещения и растворам
внедрения.
В растворах замещения атомы растворяемого веще-
ства замещают атомы растворителя в его кристалличе-
ской решетке. В твердых растворах внедрения атомы
растворяемого вещества находятся в промежутках меж-
ду узлами решетки растворителя. Такие растворы обра-
зуются при очень большой разнице атомных диаметров
веществ, составляющих сплав, например при растворе-
нии неметаллов с малыми атомными диаметрами (уг-
лерод, бор, азот, водород) в железе, никеле, марганце
и т. д. (рис. 11).
34
В настоящее время доказано, что почти все метал-
лы могут давать твердые растворы хотя бы в долях
процента. Взаимная растворимость металлов зависит от
следующих условий:
1) от атомных параметров. Если разница в атомных
диаметрах не превышает 8%, то металлы обладают
полной растворимостью, разница от 8 до 15% ведет к
ограниченной растворимости, а разница более 15% ука-
зывает на невозможность
растворимости;
2) от типа кристалли-
ческих решеток. Наличие
одинакового типа реше-
ток предопределяет вза-
имную растворимость ме-
таллов (например, ни-
кель и медь);
3) от температуры
плавления. Чем меньше
разница в температурах
плавления, тем полнее
растворимость одного ме-
талла в другом.
Сплавы, имеющие
строение твердых раство-
ров, широко применяют в
качестве конструкцион-
ных материалов и мате-
риалов с особыми физи-
Рис. 11. Плоскость элементарной
ячейки кубической гранецентри-
рованной решетки, заполненная
внедренными атомами:
1 — радиус атома неметалла; 2 — ра-
диус атома металла,
ческими свойствами. Увеличение количественного соста-
ва одного компонента в другом влечет за собой законо-
мерное изменение свойств. В качестве примера можно
привести сплав меди с никелем, т. е. металлов, которые
обладают неограниченной взаимной растворимостью и
образуют непрерывный ряд твердых растворов. Зная
свойства никеля и меди, можно заранее предсказать, что
с увеличением доли никеля сплав будет более прочным
и твердым, но менее пластичным. Данные, приведенные
в таблице 1, полностью подтверждают высказанное пред-
положение.
Самым распространенным испытанием механических
свойств металлов и сплавов является испытание на раз-
рыв: стандартные образцы растягивают специальной
3*
35
Таблица 1
Механические свойства сплавов меди с никелем
Название и состав сплава *• Прочность, кге/мм* Пластические свой- ства Твердость, кгс1мм*
сужение площади, % удлинение, %
. Мельхиор (20% никеля) 34,2 46 79 72
Константан (40% никеля) 40,7 44 71 88
Монель-металл (70% никеля) ’ 55,0 33 70 • 110
машиной до полного их разрушения. Нагрузка, необхо-
димая для разрушения образца, деленная на площадь
сечения разрыва, характеризует прочность. Удлинение
образца и сжатие площади поперечного сечения, исчис-
ляемые в процентах к исходным размерам, характери-
зуют пластические свойства. Твердость определяют вдав-
ливанием в испытуемый металл стального шарика или
алмазной пирамиды.
К важнейшим особенностям сплавов относятся ал-
лотропические превращения. Аллотропией называют
возможность существования одного и того же металла
в зависимости от температуры или давления в двух или
нескольких кристаллических формах. Многие иссле-
дователи предполагали, что аллотропия есть результат
действия примесей и что химически чистые металлы не
имеют аллотропии. К такому выводу приводили резуль-
таты практического использования металлов и сплавов.
Действительно, технически чистое железо не принимает
закалку. Раскаленное железо после охлаждения в воде
будет иметь такую же твердость, что и незакаленное.
А если закаливать сплав железа с углеродом, то твер-
дость возрастает в несколько раз, и, чем выше в сплаве
содержание углерода, тем больше эффект закалки. Од-
нако исследования с помощью современных методов и
аппаратуры показали, что аллотропией обладают и чис-
тые металлы. Аллотропические -превращения чистого
36
металла не только наследуются сплавами, но и эффек-
тивность изменения свойств при этом многократно усили-
вается.
Аллотропические превращения связаны с перестрой-
кой кристаллической решетки и как всякие изменения
состояния кристаллического тела сопровождаются по-
глощением или выделением теплоты. Принято аллотро-
пические состояния обозначать греческими буквами а,
₽, у, 6 и т. д., начиная с более низких температур. На
рисунке 12 приведены аллотропические превращения чи-
стого железа и соответствующие им типы кристалличе-
ских решеток. В таблице 2 даны примеры аллотропиче-
ских превращений некоторых металлов.
Таблица 2
Аллотропические формы и кристаллические решетки
некоторых металлов
Металл Аллотро- пическая форма Область температур устойчивого состоя- ния Кристаллическая решетка
Кобальт а fl До 420 °C От 420 °C до темп, пл. • Гексагональная плотно- сложенная Кубическая гранецентри- рованная
Железо а. fl, б Y До 910 °C и с 1400 °C до темп, пл. От 910 до 1400 °C Кубическая центрирован- ная Кубическая гранецентри- рованная
Марганец а fl V До 742 °C От 742 до 1192 °C От 1192 °C до темп. пл. Кубическая сложная многоатомная То же Тетрагональная гране- центрированная
Олово а Р До 18 °C От 18 °C до темп, пл. Кубическая типа алма- за Тетрагональная центри- рованная
37
Время, сек
Рис. 12. Кривая охлаждения чистого железа и типы кри-
сталлических решеток.
Переход металла из одной кристаллической решетки
в другую сопровождается изменением его химических
и физических свойств.
История донесла до нас случай, связанный с алло-
тропией металлов, который произошел в Италии не-
38
сколько веков назад. В те далекие времена листовое же-
лезо еще не было известно и крыши храмов были по-
крыты оловянными листами. Случилось так, что в Риме
стояла необыкновенная для тех мест холодная зима.
В один из таких дней было замечено, что на белых ли-
стах олова появились серые пятна. С каждым днем эти
пятна увеличивались. Через несколько дней крыши хра-
мов неузнаваемо изменились, все олово превратилось в
серый порошок. Ужас обуял религиозных жителей Ри-
ма: они приняли это как наказание за грехи. Папа
Римский составил специальную молитву, которую вместе
с жителями священники вознесли к богу. Но обратного
чуда не произошло, и крыши храмов снова пришлось
покрывать белыми оловянными листами. Каждое утро
со страхом смотрели римляне на крыши храмов, не по-
разила ли их снова «оловянная чума». Но все было в
порядке, и понемногу народ успокоился. Прошло много
лет, люди забыли случай с оловянными крышами, но
термин «оловянная чума» дожил до наших дней.
Уже в наше время, когда стало известно о сущест-
вовании аллотропических превращений, ученые выясни-
ли, что олово может иметь две модификации. Выше 18 °C
и до температуры плавления олово представляет собой
белый пластичный материал. При низких температурах
олово переходит в другую модификацию, строение кри-
сталлической решетки меняется, и олово превращается
в серый хрупкий металл, рассыпающийся в порошок. Но
для начала перехода олова из одной модификации в
другую необходимо охладить металл значительно ниже
равновесной температуры превращения. Подмечено, что
олово можно «заразить», если при низкой температуре
к белому олову добавить серый оловянный порошок.
Современная история знает несколько случаев, ког-
да незнание закономерностей модификации олова при-
водило к тяжелым последствиям. Оловянная чума была
одной из причин трагической гибели экспедиции на Юж-
ный полюс, возглавляемой Скоттом. Из запаянных оло-
вом жестяных банок вытекло горючее.
Человечеству очень повезло, что самые распростра-
ненные на Земле железоуглеродистые сплавы имеют ал-
лотропические превращения. Аллотропические превра-
щения чистого железа, как указывалось выше, не дают
для техники никаких преимуществ. Для получения эф-
39
фективного изменения свойств необходимо к железу до-
бавить углерод.
Углерод — это великий волшебник. Он сообщает же-
лезу способность принимать закалку, под его влиянием
сталь становится прочной и упругой. Углерод образует
очень твердый карбид железа Fe3C. Находясь в чугуне
в виде графита, углерод образует причудливое сплете-
ние хрупких черных лепестков (рис. 13,14) . Распускаются
в чугуне графитовые цветы —чугун имеет одни свойства:
он темного цвета, легко обрабатывается на станках.
Рис, 13. Формы выделений гра-
фитных включений в чугуне (уве-
личено в 100 раз).
Рис. 14. Объемная мо-
дель графитного вклю-
чения в чугуне.
Нет графита — углерод находится в виде цементита
Fe3C — чугун имеет другие свойства: он белого цвета,
хрупкий, твердый, не поддается обработке резанием
(рис. 15).
Углерод образует с легирующими металлами слож-
ные карбиды (TiC, Fe3C, NbC, VC, ZrC, WC, MoC, W2C,
Mo2C, Сг7С3, Cr23Ce, Fe3W3C, Fe2iW2C6 и др.), придаю-
щие стали чудесные свойства. К таким свойствам отно-
сятся красностойкость быстрорежущей стали, стойкость
против коррозии, высокая прочность и т. д. Не было бы
стали, не было бы такого расцвета техники и производ-
ства. В настоящее время только перечень стальных, тер-
мически обработанных деталей машин, конструкций, ин-
струментов и других изделий исчисляется сотнями ты-
сяч названий. Человек познал закономерности превра-
40
только немногим более ста
Рис. 15. Структура белого чугу-
на с 4,7% углерода. Белые вклю-
чения — цементит (увеличено в
750 раз).
щений в железоуглеродистых сплавах, изучил зависи-
мость свойств стали от ее структуры и научился ис-
пользовать объективные законы кристаллического строе-
ния.
Люди уже много веков владели секретом термической
обработки стального оружия и достигли в этом искусст-
ве замечательных результатов. Именно в «искусстве»,
основанном не на законах науки, а на «секретах» масте-
ров, передаваемых из рода в род, вобравших в себя опыт
и практику поколений. И
лет назад многовековой
опыт кузнецов и оружей-
ников был освещен, слов-
но прожектором, светом
научной теории. Это сде-
лал молодой русский ин-
женер Дмитрий Констан-
тинович Чернов в 1868 г.
На основе открытий
Д. К. Чернова развилась
современная металлургия
и термическая обработ-
ка стали. Заслуженно
Д. К. Чернова называют
отцом металлографии. Он
открыл структурные прев-
ращения в железоуглеро-
дистых сплавах, сформу-
лировал и обосновал эти
превращения и применил
их в производстве.
Величие открытия Д. К. Чернова заключается в том,
что ом доказал возможность управлять этими превра-
щениями, изменяя по желанию структуру и свойства
стали. Он показал, что все металлы и сплавы состоят
из кристаллов, что атомы в сплаве располагаются не
беспорядочно, а по определенной системе, представляю-
щей собой пространственную решетку. Д. К. Чернов вы-
двинул гипотезу о наличии в железе двух пространст-
венных решеток. Переход из одного состояния в другое
происходит при определенной температуре. Если мы на-
греем сталь до высоких температур, то она будет иметь
другое расположение атомов, чем при комнатной темпе-
41
Дмитрий Константинович Чернов
(1839—1921).
ратуре. Если сталь медленно охладить, то произойдет
перестройка кристаллической решетки и даже «креп-
кая» (с большим содержанием углерода) сталь будет
мягкой и пластичной. Если же сталь охладить быстро,
то связанные с перестройкой решетки процессы не успе-
вают произойти полностью, что сказывается на ее свой-
ствах. Это явление и лежит в основе закалки стали.
Открытия Д. К. Чернова на десятилетия опередили
свое время. Впервые примененный Д. К. Черновым гра-
фический метод построения диаграмм внутренних прев-
ращений стали в координатах состав — температура
положил начало целому разделу пауки, занимающейся
построением и изучением диаграмм состояния равновес-
ных систем сплавов металлов, солей, минеральных ве-
ществ и т. д. Оригинальная и глубокая мысль Д. К. Чер-
42
нова о подобии явлений кристаллизации металлов и
солей положила начало физической химии растворов и
теории сплавов.
Но особое значение открытия Д. К. Чернова имели
для металлургии. Д. К. Чернов находил связи между
самыми, казалось бы, несравнимыми явлениями. В 1907 г.,
выступая с публичной лекцией на тему «Кристаллиза-
ция воды и железа», он указал факторы, объединяющие
процессы зарождения и роста кристаллов в таких со-
вершенно различных веществах, как вода и железо. Эти
передовые взгляды Д. К. Чернов излагал на стыке про-
шлого и настоящего веков, но они современно звучат и
сейчас, в наше время.
Рассмотрим с точки зрения законов микромира тео-
рию закалки стали.
Как известно, железо имеет четыре аллотропические
формы: а-, у- и 6-железо. Наибольшее практическое
значение для термической обработки железоуглероди-
стых- сплавов имеют модификации a-железо и у-железо,
как раз те, о которых писал 100 лет назад Д. К- Чернов.
На рисунке 16 изображена схематическая упрощенная
диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов. Как
следует из диаграммы, с увеличением содержания угле-
рода до определенных пределов область у-железа рас-
ширяется. Модификация у-железа при температуре
ИЗО °C может растворить в себе до 1,7% углерода, а
a-железо практически углерод не растворяет. Это очень
важные особенности, на основе которых и построена тео-
рия закалки стали.
Рассмотрим процесс закалки.
Прежде всего сталь нужно нагреть до температуры
выше критической точки, т. е. перевести ее в модифика-
цию у-железа. При этом весь углерод, находившийся
ранее в виде карбида Fe3C, переходит в твердый раствор
у-железа. При содержании в сплаве 0,8—0,9% углерода
температура нагревания под закалку находится в преде-
лах 730—740 °C. При более низком содержании углерода
температуру нагревания повышают, чтобы весь углерод
перешел в твердый раствор. На диаграмме (рис. 16) тем-
пературы нагревания стали под закалку показаны пунк-
тиром. Структура нагретой стали представляет собой од-
нородный твердый раствор углерода в у-железе. Атомы
железа располагаются по углам кубической решетки и в
43
центре каждой грани. Атомы углерода располагаются
в центре куба, образуя твердый раствор внедрения.
Следующий этап закалки — быстрое охлаждение ста-
ли в воде или в другой охлаждающей среде. При этом
происходит мгновенная перестройка решетки у-железа
в решетку а-железа — из гранецентрированной в объем-
Содержание углерода, %
Рис. 16. Упрощенная диаграмма состояния сплавов
железо — углерод.
ноцентрированную кубическую решетку. а-Железо в от-
личие от у-железа обладает очень малой степенью рас-
творимости углерода. Однако в процессе быстрого ох*
лаждения углерод не успел выделиться из кристалличе-
ской решетки и перейти в химическое соединение ЕезС,
а остался в центре новой решетки с иным расположени-
ем атомов железа.
Если в решетке у-железа атомы железа располага-
ются только по внешним очертаниям куба, то в решет-
ке a-железа атомы железа занимают место и в центре
44
куба. Л в центре куба еще находятся не успевшие отту-
да выделиться атомы углерода. В результате такого пре-
сыщения кристаллическая решетка a-железа деформи-
руется.
В отличие от равновесной решетки решетка за-
каленной стали представляет собой не куб, а тетраго-
нальную призму, в центре которой находятся атомы же-
леза и углерода. Чем выше содержание углерода, тем
больше степень тетрагональное™ решетки. Таким об-
разом, в результате закалки образуется пересыщенный,
насильственный твердый раствор внедрения углерода
деформированной (тетрагональной) решетке а-железа.
Искажение кристаллической решетки и является при-
чиной резкого изменения свойств стали (возрастания
твердости и понижения пластич-
ности). Структура закаленной
стали, рассматриваемая при боль-
ших увеличениях, имеет харак-
терное светлое игольчатое строе-
ние и носит название мартенсита
(рис. 17).
Чтобы повысить вязкость за-
каленной стали, ее подвергают
отпуску, т. е. повторному нагрева-
нию до относительно низких тем-
ператур. При этом за счет снятия
внутренних напряжений сталь
становится менее хрупкой. Тем-
пература отпуска зависит от на-
значения инструмента или дета-
ли и от содержания в стали уг-
лерода.
При нагревании до 400 °C и
выше происходит выделение уг-
лерода из твердого раствора
a-железа и образование мельчай-
ших дисперсных глобулярных час-
тичек цементита РезС. При этом
Рис. 17. Структура
стали:
1 — закаленной; 2 — от-
пущенной после закал-
ки на 500 ’С (увеличе-
но в 600 раз).
сохраняется довольно
высокая твердость за счет дисперсности этих частичек.
Тетрагональное™ решетки a-железа постепенно исчеза-
ет. При дальнейшем повышении температуры отпуска
частицы цементита укрупняются и происходит постепен-
ное уменьшение твердости и увеличение пластичности.
45
Изменяя температуру отпуска закаленной стали, мож-
но получить весьма широкий диапазон сочетания твер-
дости и пластичности. Такова в самом элементарном
представлении теория закалки стали.
Кроме закалки и отпуска, имеются и другие виды
термической обработки: отжиг, нормализация, старе-
ние, возврат и т. д. Последние виды термической обра-
ботки являются основными для сплавов цветных метал-
лов. К этим вопросам мы еще вернемся в последующих
двух главах.
Часть вторая. ИЗ ИСТОРИИ СПЛАВОВ
ПЕРВЫЕ СПЛАВЫ
Тернист и сложен путь человека к культуре и про-
грессу. От каменного топора к меди и бронзе, от брон-
зы к железу, стали и другим металлическим сплавам —
таковы основные вехи, по которым вел человека труд.
История покорения мира сплавов — одна из самых важ-
ных и увлекательных страниц в книге жизни и станов-
ления человечества.
Есть поговорка: «Нем, как могила». Но разве моги-
лы немы? Разве не рассказывают они о жизни человека
в далеком прошлом? Неправда, что молчат могилы. Изу-
чая могилы, археологи шаг за шагом узнают, как жили
наши далекие предки сотни и тысячи лет назад. В про-
сторных степях Сибири, на берегах Днепра, Волги и
Кубани иногда встречаются высокие курганы. Никто
не знает, когда и кто их насыпал. В их глубине можно
найти останки людей, а рядом с ними вещи: орудия из
камня, меди или бронзы, глиняные кувшины, амулеты,
украшения, наконечники стрел, копья. В то время лю-
ди верили, что и после смерти человеку понадобятся ве-
щи, которые служили ему при жизни. Так раскрывают
могилы прошлое человеческой истории.
Иногда могилы -рассказывают страшные вещи. Они
повествуют о жестокой власти главы рода. В могилах
находят останки многочисленных рабов и женщин, умер-
щвленных в день похорон и закопанных в землю вместе
с умершим владыкой, оружие, кости коней с богатой
сбруей, драгоценные украшения.
Вещи, пролежавшие тысячи лет во мраке земли, со-
браны в краеведческих музеях. Там экспонируются кин-
жалы и мечи с драгоценными рукоятками, чаши с тон-
47
кой, будто вчера сделанной росписью, крученые цепоч-
ки тончайшей работы, бусы, составленные из золотых
фигурок, серебряные кубки в виде рога оленя.
Археологи доказали, что из всех металлов человек
прежде всего стал использовать медь. Вначале приме-
няли самородную медь, затем люди научились, выплав-
лять медь из медного колчедана, малахита и других руд.
При раскопках поселения Чатал-Уйюк, в долине реки
Конья, на юго-западе Малой Азии, проведенных в пяти-
десятых годах нашего столетия, обнаружили обломки
медных орудий и украшений. Кроме медных шильцев,
проколок и колечек, были найдены кусочки медного шла-
ка. В 1963 г. на раскопках поселения Чайону-Тепези,
на востоке Анатолийского нагорья, обнаружены мед-
ные изделия и кусочек медной руды малахита. Поселе-
ния Чайону-Тепези и Чатал-Уйюк датируются VII —
VI тысячелетиями до н. э.
Из результатов последних раскопок ученые сделали
следующие выводы: I) начало выплавки меди из руд
относится не к IV тысячелетию до н. э., как считалось, а
на две-три тысячи лет раньше; 2) открытие металла и
начало металлургии произошло ранее развития произ-
водства керамики; 3) эпоха металла длится уже девять
тысяч лет.
Представителями изделий из самого древнего метал-
ла являются предметы быта (медные бусы, шило, про-
волочные заостренные с одного конца булавки), най-
денные во время археологических раскопок в Анатолии.
При раскопках холма Кюльтепе, близ Нахичевана Азер-
байджанской ССР, наряду с другими предметами най-
дены металлические изделия: бусины, наконечники, стре-
лы, четырехгранная проволока и другие. Возраст этих
изделий около шести тысяч лет.
Как же случилось, что человек, сотни тысяч лет из-
готовлявший орудия из камня, вдруг научился делать
их из металла? Попробуем предположить, как это было.
Много тысяч лет назад в поисках кремня (лучшего
материала для каменных топоров) люди пробовали при-
менять для этой цели разные камни. Под руку попал
зеленый камень самородной меди. От удара молотка
камень не раскалывался на куски, как кремень, а ме-
нял свою форму и делался тверже. Так, возможно,
началась история холодной обработки металла, а от
48
нее невелика дистанция и до горячей обработки. Слу-
чилось так, что кусок самородной меди попал в число
камней, из которых был сделан очаг. Когда очаг прого-
рел, люди увидели чудо: вместо зеленого камня среди
очажных камней находилась сплавившаяся медная ле-
пешка. Медную лепешку разбили на куски и изготовили
из них топоры, наконечники к стрелам, мотыги. Так в
кладовой природы нашел человек звонкий металл и по-
ставил его себе на службу.
Древние кузнецы умели из меди делать топоры, но-
жи, наконечники копий и стрел, украшения. Первобыт-
ные медники могли сваривать кузнечным способом две
медные полосы в одну, пробивать большие отверстия в
медных заготовках для топора и т. д.
С годами истощились запасы самородной меди и мед-
ной руды, находившиеся на поверхности земли. Люди
копали шахты, добывали руду под землей и поднимали
ее наверх в кожаных сумках. Древние шахтеры рыли
землю кирками из оленьих рогов. Они не умели делать
крепления шахт, поэтому нередко случались обвалы.
Чтобы было легче разбивать камень, в шахте разводили
огонь и, когда камень накалялся, лили воду. С грохо-
том трескался камень, из шахты, как из кратера вулка-
на, вырывались освещенные снизу облака пара и оскол-
ки камня. Не случайно мы и сейчас называем огнеды-
шащие горы именем древнего бога—кузнеца Вулкана.
По современным представлениям, самородная медь
не считается чистым металлом. Анализы меди из раз-
личных месторождений Кавказа показали, что медь в
небольших количествах содержит никель, цинк, железо,
серебро и олово. Иногда находят самородки, где медь
сплавлена с мышьяком, содержание которого достига-
ет 1%. При выплавке меди из руд в нее могут пере-
ходить многие металлы и минералы. Ниже приведены
составы комплексных медных руд:
Хаммарит — CujPbjBUSe
Айкинит — CuPbBiSa
Бенжаминит— (CuAg)PbBf2S4
Карралит — C11C02S4
Лаутин — CuAsS
Тенноптит — 3Cu2S-As2S8
Энаргит — CujAsSi
4 Заказ № 3492
49
Металлы, содержащиеся в медных рудах, при на-
гревании до 800 °C могут восстанавливаться углем и
образовывать сплавы. Таким образом, изделия, найден-
ные при раскопках, представляют собой изделия не из
чистой меди, а из сплавов меди с другими металлами
и неметаллами. Это положение, как будет показано ни-
же, подтверждено многочисленными анализами древ-
них, считавшихся «медными», изделий, которые оказа-
лись на проверку совсем не медными.
В Средней Азии древнейшим металлом, применяе-
мым человеком, оказались естественные медно-свинцо-
вые сплавы. Изучение структуры изделий показало, что
кузнецы того времени уже применяли термическую об-
работку— отжиг для снятия «наклепа». Известно, что
в результате холодной деформации металл упрочняется,
твердеет и резко увеличивает сопротивление деформа-
ции. Это явление и называют наклепом. Для того чтобы
вернуть металлу прежнюю пластичность, необходимо
его отжечь, т. е. нагреть до определенной температуры.
Отжиг медно-свинцового сплава—тонкая операция, свя-
занная с особенностями структуры металла. По своей
природе свинец не смешивается с медью, а располага-
ется по границам зерен. Если температура отжига пре-
высит температуру плавления свинца (327°C), то изде-
лие развалится па куски. Древние кузнецы-литейщики
знали эту особенность сплава и нагревали сплав в уз-
ком пределе температур.
Самым первым сплавом (IV—III тысячелетия до н. э.)
в Молдавии и Западной Украине был сплав меди с
висмутом и свинцом. Древние мастера знали о красно-
ломкости сплава и обрабатывали его в определенных ин-
тервалах температур
Позднее человек научился делать сплавы меди с дру-
гими металлами. Бронзы — сплавы меди с оловом,
мышьяком, никелем и некоторыми другими металлами —
первые сплавы, созданные человеком. Бронза оконча-
тельно вытеснила каменные орудия. Она хорошо отлива-
лась в форму, имела меньшую температуру плавления
по сравнению с медью и обладала значительно боль-
шой твердостью. Если до бронзы человек изготовлял
1 Красноломкость — свойство сплава приобретать хрупкость при
нагревании выше определенной температуры.
50
орудия труда и охоты, не изменяя природы вещей, а
только изменяя их форму, то теперь он сам создал но-
вый материал, подобного которому не было в природе.
Это был качественный скачок огромного значения.
Состав металла древних изделий раньше определяли
по внешнему виду и, если была возможность, путем от-
бора пробы на химический анализ. Однако в связи с ма-
лым объемом металлических археологических находок
и, главное, их уникальностью пробы для анализа уда-
валось отбирать в очень редких случаях.
Эмиссионный спектральный анализ, разработанный в
последние десятилетия, позволяет определить количест-
венный состав металлов без нарушения их сплошности
при помощи спектра испускания при температуре воль-
товой дуги. При этом металл испаряется и дает спектр,
характерный только для этого металла. (Спектр фик-
сируется на фотографическую пластинку, которая мо-
жет храниться много лет.) Количественное содержание
элемента определяется по степени почернения линии
спектра, измеряемой особым прибором — микрофотомет-
ром. Преимущество нового метода заключается в том,
что он позволяет определить полный набор всех элемен-
тов, находящихся в сплаве, с точностью до тысячных и
десятитысячных долей. Затраты металла на анализ со-
ставляют сотые доли грамма.
В СССР впервые спектральным анализом древних
металлических изделий начали заниматься в 1933 г. в
Ленинградском институте исторической технологии.
Большая работа проведена лабораторией археологиче-
ской технологии Института истории в г. Баку под руко-
водством И. Р. Селимханова.
Применение спектрального анализа дало возможность
составить истинную биографию древних металлов и спла-
вов. Была показана ошибочность многих оценок состава
древнего металла. Например, анализ музейного экспо-
ната «свинцовой» шейной гривны показал, что свинца в
ней было всего 5,5%, но зато олова—88,5%. Анализ
«железного» предмета неизвестного назначения устано-
вил, что железа в нем 0,08%, зато 67,5% свинца и 24%
олова. «Золотая» птичка древнего происхождения ниче-
го общего не имела с золотом. В сплаве, из которого
она была отлита, оказалось 75% меди, 23,5% цинка и
небольшие примеси железа и свинца.
4* 51
Исследование металла древних памятников, храня-
щихся в музеях разных стран и отнесенных специали-
стами к эпохе меди, неопровержимо доказало ошибоч-
ность такого определения. В подавляющем большин-
стве предметы оказались не медными, а бронзовыми.
Работы, проводимые лабораторией И. Р. Селимхано-
археологические памятники
Азербайджана, Арме-
ва, показали, что многие
Рис. 18. Предметы из мышьякови-
нии, Грузии, Дагеста-
на, возраст которых со-
ставляет около пяти
тысяч лет, выполнены
не из самородной ме-
ди, как предполагали
ранее, а из сплава ме-
ди с мышьяком —
мышьяковистой броп-’
зы. В отдельных слу-
чаях в сплаве присут-
ствовал и никель. Мно-
гочисленные анализы
древних металлических
предметов (мотыг, кин-
жалов, ножей, булавок,
подвесок, бусин иТ. д.)
показали наличие в них
до 7% мышьяка (рис.
18). В отдельных пред-
метах, датированных
III тысячелетием до
стой бронзы.
шениях еще больше—* до
н. э., содержалось до
10% мышьяка, а в укра-
20%. Олова в сплавах
не было.
Это открытие было для археологов как гром с ясно-
го неба, оно в корне меняло сложившиеся представле-
ния. Результаты новых исследований означали, что в
глубокой древности, около шести тысяч лет назад, че-
ловек уже вошел в мир сплавов, умел изготавливать их,
причем сплавы необычные.
Десятки лет считали, что древняя бронза—это сплав
меди и олова. И вдруг — мышьяк! Рушились логичные,
считавшиеся неопровержимыми, как аксиома, научные
52
теории. Менялись годами установившиеся взгляды о по-
следовательности ступеней развития человека и его ма-
териальной культуры.
Век сплавов потеснил век меди. Археологическая
наука, вооруженная современными методами анализа,
установила, что развитие материальной культуры было
связано не с чистыми металлами, а со сплавами.
Но, может быть, примеси мышьяка были случайны-
ми, а сплав меди с мышьяком представляет собой при-
родно-легированный сплав? Изучение этого вопроса дало
однозначные результаты. Действительно, в самородной
меди иногда встречаются примеси мышьяка, но, во-пер-
вых, они встречаются чрезвычайно редко, а во-вторых,
максимальное содержание мышьяка в самородной меди
всегда значительно ниже содержания мышьяка в древ-
них сплавах. Есть в природе и медно-мышьяковистые
руды, но они находятся не на поверхности, а залегают
глубоко, и поэтому такие руды были недоступны. Вы-
вод: мышьяковистая бронза—продукт сознательной дея-
тельности человека.
Медно-мышьяковистый сплав обладает многими по-
лезными свойствами. Прибавка мышьяка понижает тем-
пературу плавления меди и повышает ее твердость, осо-
бенно при наклепе, т. е. после ковки в холодном со-
стоянии. Твердость сплава повышается вместе с рос-
том содержания мышьяка. Добавка даже полпроцента
мышьяка уже значительно повышает твердость сплава.
С увеличением мышьяка до 8% твердость еще более
увеличивается, а пластические свойства не ухудшаются.
При введении в сплав мышьяка выше 8% пластичность
заметно падает. Содержание мышьяка свыше 10% де-
лает металл хрупким.
Мышьяковистая бронза отличается хорошей жидкоте-
кучестью, благодаря чему древние мастера могли отли-
вать из нее не только заготовки для последующей ков-
ки, но и предметы очень сложной формы. После отлив-
ки изделия шлифовали на специально отобранных кам-
нях. Цвет сплава в зависимости от содержания мышья-
ка изменяется от красноватого до золотистого, а при
высоком содержании мышьяка сплав приобретает се-
ребристо-белый цвет. Возможно, этим и объясняется
большое содержание мышьяка (до 20%) в предметах
украшения.
53
Как же древний человек на такой ранней стадии раз-
вития научился делать сплавы? Кто и когда первый соз-
дал бронзу? Ответы на эти вопросы теряются во мгле
далекого прошлого. Не один человек, а опыт сотен по-
колений научил человека искусству выплавлять бронзу
и изготовлять из нее орудия труда, оружие и украше-
ния.
Ученые полагают, что первые добавки мышьяка в
медь были предприняты с целью колдовства или вол-
шебства. Самородный мышьяк представляет редкий по
своим свойствам камень. Он полон таинственности и, ка-
жется, самой природой предназначен для колдовских
дел. Например, изменчивый цвет. Самородный мышьяк
в свежем изломе имеет цвет серебристо-белый с туск-
лым оттенком, но затем он быстро темнеет и становится
черно-матовым.
Ач слышали ли вы когда-нибудь, чтобы камень имел
запах? Это такие несовместимые понятия — камень и за-
пах. Л самородный мышьяк пахнет, но не всегда, а
только при ударе. Ударишь его другим камнем и по-
чувствуешь характерный чесночный запах. Ну, чем не
волшебный камень!
То же самое можно сказать и о мышьяковистых ру-
дах. Встречающиеся на поверхности земли минералы,
содержащие мышьяк, имеют яркую окраску: аурипиг-
мент — золотистого цвета и реальгар — ярко-красного.
Несомненно, эти камни тоже могли привлечь внимание
древнего металлурга как объект для колдовства при
производстве плавки.
В результате прибавления к медной руде «волшеб-
ных» камней полученный металл оказался лучшего ка-
чества. Так, видимо, был создан первый в истории че-
ловечества, самый древний сплав.
Мышьяковистая бронза служила человеку около двух
с половиной тысяч лет. Во II тысячелетии до н. э. мышья-
ковистая бронза начинает постепенно исчезать из быта
человека. Причиной этого, как полагают ученые, яви-
лось не качество сплава (мышьяковистые бронзы по ме-
ханическим и литейным свойствам не уступают медно-
оловянным), а вредное влияние паров мышьяка на че-
ловека. При плавке ядовитые пары мышьяковых сое-
динений вызывали отравления. Поэтому люди стали ис-
кать другие камни для добавок в медную плавку. Вте-
54
чение веков длились поиски новых волшебных камней.
Вначале появились мышьяковисто-никелевые и мышья-
ковисто-свинцовые бронзы (рис. 19), но они просущест-
вовали недолго, и уже после них наступила эра клас-
сической оловянистой бронзы.
Люди нашли новый «волшебный» камень. Правда, он
не обладал таинственным запахом и не имел таких яр-
ких красок, как минералы мышьяка, но зато он не
вызывал отравления плавильщиков. Качество получае-
мого сплава было не ниже, чем мышьяковистой бронзы.
Это был оловянный камень, или касситерит (SnO2), как
называли его древние греки, довольно часто встречаю-
щийся среди других горных пород. Это камень бурого
Рис. 19. Шило (медно-мышьяковисто-
свянцовая. бронза), III тысячелетие
до н. э.
или черного цвета, реже с красноватым или желтова-
тым оттенком.
Древние металлурги скоро убедились, что добавка
нового волшебного камня значительно улучшает свой-
ства меди и снижает темйературу плавления. Темпера-
тура плавления меди при добавке 15% олова снижается
с 1083 до 950°С, при 25% олова — до 800°С. Литейные
свойства меди даже при небольших добавках олова зна-
чительно улучшаются. Твердость сплава также растет
и достигает максимальных значений примерно при 27%
олова. Но сплав при этом становится хрупким. Бронзу
можно ковать только при содержании олова не более
5%. При 25% олова бронза настолько хрупка, что при
ударе разлетается на куски. Эти свойства сплава знали
наши предки, поэтому бронзовые изделия изготовляли из
сплава с содержанием олова не более 6% (рис. 20).
При этом твердость оловянистой бронзы, подвергнутой
определенному режиму охлаждения, составляла при-
мерно 90% твердости незакаленной малоуглеродистой
стали.
Для производства предметов украшения в сплав до-
бавляли до 10% и более олова. При этом сплав при-
обретал красивую золотистую окраску. Вообще, оловя-
55
нистая бронза богата красками. При содержании до 15%
олова сплав меняет цвет от красноватых до желтовато-
золотистых тонов. При 20—25% олова сплав имеет жел-
товато-белые тона. При 35% олова сплав приобретает
светло-серый цвет. Набор шлифованных изделий с раз-
ным содержанием олова необычайно привлекателен и
наряден. Нужно при-
Рис. 20. Предметы из оловянистой
бронзы. •
знать, что и пять ты-
сяч лет назад люди по-
нимали красоту и изя-
щество сделанной ве-
щи.
Эпоха бронзы ха-
рактеризуется значи-
тельным прогрессом
плавильного дела и вы-
соким мастерством ли-
тейщиков. Во II тыся-
челетии до н. э. масте-
ра имели в своем рас-
поряжении уже не-
сколько типов бронз.
Кроме оловянистой
бронзы, изделия изго-
товляли из сплавов ме-
ди со свинцом, меди с
цинком, меди с мышья-
ком, меди с сурьмой.
Применяли тройные
сплавы,например сплав
меди с мышьяком и
свинцом, меди с
мышьяком и никелем,
меди с мышьяком и,
сурьмой. Найдены бронзовые изделия, содержащие,
кроме олова, еще и кобальт, серебро и даже золото.
Уже тогда, четыре-пять тысяч лет назад, был открыт
мир сплавов. Конечно, не такой необозримый, как в
наше время. Насколько было развито искусство исполь-
зования особенностей различных сплавов, показывают
находки оружия, изготовленного во II тысячелетии до
н. э. из разных типов сплавов. Клинок древнего меча
изготовлен из сплава меди с мышьяком и оло-
56
вом, обладающего хорошей твердостью и достаточными
пластическими свойствами, а рукоятка — из бронзы с
повышенным содержанием сурьмы (рис. 21). Такой сплав
придает изделию красивый декоративный вид.
Представляет интерес древняя технология произ-
водства сплавов. Знакомясь с последними данными ар-
хеологов, современные .металлурги невольно испытыва-
ют чувство восхищения перед своими далекими колле-
гами. Оказывается, что еще в III тысячелетии до н. э.
в Закавказье существовало развитое металлургическое
производство. Тысячелетия назад люди, сплавляя раз-
личные металлы в различной пропорции,умели по свое-
Рис. 21.
Кинжал с набалдашником (оловянистая
II—I тысячелетия до н. э.
бронза),
му усмотрению получать сплавы с заданными свойст-
вами. Уже в те времена в их распоряжении были десят-
ки известных им с практической стороны сплавов.
Не менее изумляет современного металлурга и тех-
ника изготовления сплавов. Выплавка сплавов не всег-
да проводилась на месте непосредственной добычи сы-
рья, часто руду транспортировали на значительные рас-
стояния, в поселок, где была построена плавильная
печь. Иногда вначале отливали первичные слитки из
разных руд, а затем уже мастера сплавляли металл
этих слитков в определенных пропорциях.
В 1956 г. археологом И. Г. Наримановым в одном
из районов Азербайджанской ССР были обнаружены
остатки медеплавильных печей, относящихся к III ты-
сячелетию до и. э. Изучение печей показало, что при
плавке применяли принудительное дутье. Воздух пода-
вался через специально встроенный канал и выводился’
через другой вертикальный канал, выходящий на по-
верхность грунта.
Еще более поразительное открытие сделали архео-
логи, когда они установили, что древние металлурги
пользовались методами отливки по восковым моделям.
57
Только таким методом можно изготовить изящные, слож-
ной конфигурации бронзовые изделия.
В период так называемой поздней бронзы метал-
лурги умели добывать руду из глубины земли и, что
самое удивительное, умели ее обогащать. На рудниках
создавали примитивные обогатительные агрегаты. Суль-
фидные медные руды, например, для удаления серы
подвергали предварительному обжигу в кучах. В про-
цессе обжига руды, например энаргита (Cu3AsS4), про-
исходили следующие реакции:
4Cu3AsS4+25O2= 12CuO+2As2O3+ 16SO2
Образовавшиеся оксиды меди и мышьяка при сме-
шивании с углем и нагревании до 600—800 °C восста-
навливались до металла,- в результате чего образовы-
вался сплав меди с мышьяком:
3CuO4-As2O34-3C=3Cu+2As+3CO2
Так работали мастера древних веков, далекие предше-
ственники современных металлургов.
Бронзовый век закончился в начале 1 тысячелетия
до н. э. На смену бронзе пришло железо. Появление
и применение железа вызвало бурный рост производи-
тельных сил, но многие века железо ценилось дороже
золота и употреблялось только для украшений. Во вре-
мя проводившихся после первой мировой войны рас-
копок гробницы египетского фараона Тутанхомона был
обнаружен золотой перстень. Знак божества на нем сде-
лан из драгоценного в то время металла — железа.
Только фараон мог позволить себе роскошь иметь кусо-
чек железа. Позднее из железа делали обручальные
кольца для римлянок.
История древних веков свидетельствует, что, кроме
медных сплавов, к одному из самых древних сплавов
можно отнести сплав золота с серебром. Золото издав-
на получило распространение как средство определения
стоимости при обмене. На золото можно было приоб-
рести любые товары. В погоне за количеством золото
стали «разбавлять» серебром. Вместо золота стали рас-
плачиваться за покупки сплавами золота.
Со сплавами золота с серебром, как об этом свиде-
тельствуют сохранившиеся до нашего времени древние
памятники культуры, связано открытие закона Архиме-
58
да. До нас дошла легенда об этом событии. Однажды
мастера изготовили для сицилийского царя золотую ко-
рону. У царя возникло подозрение, что мастера утаили
часть золота, добавив вместо него серебро. Царь позвал
Архимеда и предложил выяснить это, пригрозив ему
смертной казнью в случае неудачи. Долго думал Ар-
химед, как решить задачу. Эта мысль преследовала его
и -по ночам, когда все спали, и на прогулке, и во время
еды, и даже в бане. Рассказывают, что однажды, он
выскочил из ванны, помчался по улицам города и с кри-
ком «эврика» ворвался во дворец. Решение задачи было
найдено. Как это произошло? Опускаясь в ванну, Архи-
мед заметил, что вода вылилась из ванны через край.
Это навело его на мысль, что если к золоту примешено
серебро, то объем воды, вытесненной более тяжелым
золотом, будет меньше, чем объем воды, вытесненной
серебром, имеющим меньшую массу. Он взял кусбк зо-
лота, равный по массе короне, и взвесил вытесненную
им из сосуда воду. Затем взвесил воду, вытесненную из
сосуда короной. Результаты не сошлись. Тогда, беря раз-
личные по пропорции сплавы золота и серебра, Архи-
мед не только установил, что корона сделана не из чис-
того золота, а с примесью серебра, но и указал массу
золота, замененного серебром. Велико же было удивле-
ние короля и золотых дел мастеров, когда Архимед на-
звал точное соотношение золота и серебра в сплаве, из
которого была изготовлена царская корона. Так, по
преданиям, был открыт закон Архимеда. Это был первый
в истории науки пример физико-химического анализа.
На этом мы заканчиваем рассказ о самых первых
сплавах, созданных человеком. О второй молодости мед-
ных сплавов будет рассказано в следующих главах.
ТАЙНЫ СТАРОГО ОРУЖИЯ
До сих пор еще не разгаданы многие тайны древних
оружейников. Тысячу лет назад мастера оружия могли
изготавливать мечи, обладавшие поистине чудесными
свойствами. Эти мечи сгибали в кольцо, рубили ими
стальные прутки, рассекали с одинаковой легкостью же-
лезную кольчугу и подброшенный в воздух шелковый
платок. Слава о таких мечах разносилась по всему ми-
ру. О них рассказывали легенды и складывали стихи.
59
Вот одна из легенд. Английский король Ричард Львиное
Сердце поспорил с султаном Саладином о том, чей меч
лучше. В доказательство преимущества своего меча
английский король мощным ударом разрубил железный
брусок, и при этом на лезвии меча не осталось даже
маленькой зазубрины. Тогда султан вынул свой меч, сде-
ланный из настоящей восточной стали, подбросил в
воздух платок из тончайшего шелка, взмахнул мечом, и
платок оказался разрезанным пополам. Король по-
думал, что султан над ним посмеялся. Саладин пред-
ложил Ричарду попытаться разрубить своим мечом
такой же платок. Сколько Ричард ни старался, у него
ничего не получалось: его меч не был настолько ост-
рым, чтобы им можно было перерезать в воздухе тонкую
ткань. Оказалось, что это труднее сделать, чем разру-
бить кусок железа.
И еще один образец древнего искусства металлур-
гов-оружейников хранит история—толедский клинок.
Поразительным примером упругости стали, как указы-
вал Д. К. Чернов, является клинок шпаги, поднесенный
русскому царю Александру II в Толедо и хранившийся
в Государственном Эрмитаже. Толедский клинок более
70 лет лежал в небольшой коробке свернутым в виде
восьмерки и совершенно не потерял своей первоначаль-
ной прямизны.
История изготовления холодного оружия ведет на-
чало с древних времен. Меч в старину был не только
оружием, но и символом ранга и силы и одновременно
художественным произведением. Вот почему археологи
так ценят находку древних мечей. По внешнему виду
оружия, по его художественной отделке, по составу ме-
талла можно определить не только эпоху, к которой
относится археологическая находка, но и развитие важ-
нейших ремесел древнего общества.
Для металлургов история оружия — это история ов-
ладения человеком тайн производства железоуглероди-
стых и легированных сплавов и их термической обра-
ботки. Высокое качество любого металлического изде-
лия зависит от химического состава и внутреннего строе-
ния— структуры металла. Мечь должен обладать твер-
дой режущей кромкой и в то же время иметь опреде-
ленный запас пластичности. Сочетание таких свойств
не может дать ни один чистый металл.
60
Решение вопроса заключено в сочетании свойств раз-
ных по твердости и пластичности материалов, т. е. в
сплавах. Необходимо разработать такой состав сплава,
который после термической обработки получил бы не-
обходимую твердость и пластичность. Для этого нужно
знать операции термической обработки, их режимы и
влияние на структуру изделия. Можно применить так-
же и композиционные методы создания сплава, т. е. ме-
ханическое совмещение при сварке разных сплавов или
внедрение в сплав мельчайших частиц с ярко выра-
женными свойствами. Таков минимум знаний, необходи-
мых для создания качественного оружия.
Не слишком ли много для древнего металлурга? Ока-
зывается, немного.
Изучение истории развития металлургии и создания
оружия показывает, что тысячу лет назад оружейники
уже умели создавать сложные сплавы, в том числе и
композиционные, знали и умело применяли сложные
режимы термической обработки сплавов. В далекие от
нас века создавали замечательные клинки. С введением
огнестрельного оружия качество их значительно ухуд-
шилось, а затем вовсе пришло в упадок. Последние
замечательные мастера оружия работали в XIV веке, но
это были уже одиночки, и они унесли в могилу свои
секреты.
Ученые археологи и металлурги и в настоящее вре-
мя работают над разгадкой тайн древних металлургов-
сружейников. В советских музеях хранится большое ко-
личество копий, мечей, сабель, булав, кистеней, шлемов,
кольчуг, щитов (рис. 22). Такого количества оружия
хватило бы на снаряжение нескольких княжеских дру-
жин. Причем хранилища древнего оружия в музеях не-
прерывно пополняются новыми экспонатами. В 1965 г.,
например, Саяно-Тувинской экспедицией найдена сабля,
относящаяся к IX—X в. н. э. А совсем недавно, в 1970 г.,
геолог Нина Пирогова и студент-практикант Влади-
мир Попов, поднимаясь на Народинский хребет по бе-
регу Малой Тынаготы, нашли в песке длинную ржавую
саблю. Рукоятки не было. Сабля, видимо, долго проле-
жала в земле. На лезвии клинка виднелись остатки ка-
кой-то надписи. Как могла сабля попасть на север Ура-
ла? На сотни километров нет ни жилья, ни дорог. Нет
даже вьючных троп. Находку принесли в отряд геоло-
61
гической партии. Зубило и напильник оказались бес-
сильными перед твердостью старинного оружия. В из-
ломе сабли геологи обнаружили отчетливо видимые не-
сколько слоев, как будто клинок был выкован из разных
стальных полос. Исследование находки в Ленинградском
институте археологии Академии наук СССР показало,
что сабля относится к XII—XIII вв. Сумели ученые и
Рис. 22. Рукоятка древнего
меча.
прочитать надпись на про-
ржавевшем клинке. Она вы-
звала сенсацию. Выполнен-
ная на армянском языке
надпись гласила: «Мастер
сабли Хачатур». Было уста-
новлено, что это первая на-
ходка оружия, сделанногов
Армении в начале II тыся-
челетия. Это означало, что
в то далекое время в Арме-
нии существовали оружей-
ные мастерские, изготов-
ляющие оружие высокого
качества.
Из какого же сплава был
создан этот замечательный
клинок? Исследование со-
става металла современны-
ми методами показало, что
клинок изготовлен из трех-
слойной стали: наружние
слои из сплава железа с
0,08—0,10% углерода, а
внутренний — из твердой стали с содержанием углеро-
да 1,3—1,5%. Такой клинок обладал необходимой вяз-
костью и высокой твердостью лезвия. В металле нет
вредных примесей — серы и фосфора. Очевидно, поэто-
му сабля обладала весьма высокой стойкостью против
ржавления. Пролежав в земле несколько веков, она в
основном сохранила свою форму. Таким образом,
случайно найденный клинок явился очень ценным па-
мятником истории развития промышленности в Ар-
мении.
Наша земля хранит еще много тайн прошлого. Мо-
жет быть, такие находки, обнаруженные землепроход-
62
цами таежных мест, туристами и геологами, помогут
ученым прочесть страницы далекого прошлого нашей
Земли, получить новые сведения о жизни и культуре на-
ших предков.
Около десяти лет назад ученые открыли новый спо-
соб изучения древнего оружия. Рижский историк-метал-
ловед А. К. Антенн приготовил реактив — «бальзам»—
для расчистки лезвий мечей. Лезвия мечей, обработан-
ные бальзамом, неожиданно для историков выявляли
надписи, выполненные настолько тонко, что они были
незаметны даже на очищенном от ржавчины металле.
Надписи располагались в верхней трети клинка, они
были инкрустированы в горячем состоянии обычной или
перекрученной железной или стальной проволокой.
Травление реактивом Антейна — очень увлекатель-
ный процесс. Надпись проступает через 20—30 сек, пос-
ле травления. Эти секунды кажутся часами. Что рас-
скажет новая надпись на клинке, какова история меча,
кто его изготовил, кто владел этим мечом? И вот посте-
пенно, все яснее и яснее проявляются драгоценные на-
чертания. Практика травления древних клинков пока-
зала, что большинство из них имели надписи и маги-
ческие знаки. Так, из 97 лезвий IX—XIII в-в., найденных
на территории древней Руси, в Латвии и Поволжье, на
75 были надписи. Надписи краткие, как телеграммы, по-
сланные тысячу лет назад. «Ингальри меня сделал»—
гласит одна надпись; «Эцалин меня сделал»—гласит
другая. Это мечи западного происхождения. А где же
русское клеймо, неужели княжеские дружины древней
Руси не имели своих оружейников? И вдруг неожидан-
но появилась русская надпись, приче^м там, где ее ожи-
дали меньше всего.
В Киевском Историческом музее хранится меч с кра-
сивой бронзовой рукоятью, с рисунком в виде переви-
тых друг с другом чудовищ. Меч находился в музее бо-
лее пятидесяти лет и считался, бесспорно, скандинав-
ским изделием. Каково же было изумление историков,
когда на этом «скандинавском» мече проявилась рус-
ская надпись: «Коваль Людоша» (рис. 23). Надпись
сделана русскими уставными буквами и относится к пер-
вой половине XI в. Этот ценный исторический памятник
свидетельствует, что на Руси около тысячи лет назад
существовала специализированная оружейная мастер-
63
ская, изготавливавшая оружие высокого качества с ху-
дожественной отделкой.
На отдельных мечах были выгравированы фигурки
различных животных. На Кубани и Тереке у бывших ка-
заков из рода в род переходили уникальные старинные
шашки «Терс-маймуны» и «Калдыны». Калдын — широ-
кий, почти прямой клинок с изображением волка на од-
ной стороне лезвия и круга —на другой. Терс-маймун
по форме похож на калдын, но бегущий зверь изобра-
жен схематично, а кресты на клинке сопровождаются
латинскими буквами.
Рис. 23. Надпись на древнем мече.
Качество калдынов и терс-маймунов примерно бы-
ло одинаковым, поэтому их казаки окрестили общим
именем «волчки». Волчки ценили очень дорого. За один
меч нужно было уплатить стоимость хорошего дома.
Цену волчка приравнивали к стоимости породистого
скакуна, а для казака хороший конь дороже всего.
На Кубани рассказывают о старинных клинках с
изображением каких-то крылатых юношей. Под Смолен-
ском (в Гнездове) археологи нашли меч со стилизо-
ванным изображением человека. Дата изготовления ме-
ча V—VIII вв.-
Энциклопедист X—XI вв. ал-Бируни свидетельствует,
что стоимость хорошего меча равна стоимости лучшего
слона, если же рисунок изображает человека, то цен-
ность меча еще выше.
Изучение оружия древних мастеров помогло ученым-
археологам и металлургам приоткрыть завесу над тай-
ной их изготовления. Еще в II—VI вв. н. э., когда раз-
личные племена вступали в непрерывные сражения
64
друг с другом, искусство изготовления оружия находи-
лось на довольно высоком уровне. Высокой была галло-
романская техника оружейников. Здесь мы сталкива-
емся уже с использованием закаленной стали. При рас-
копках в Компьенском лесу (Франция) были найдены
стальные галло-романские наконечники стрел и копий,
в структуре которых при увеличении под микроскопом
ясно видны мартенситные иглы1. Широко применяли
термическую обработку стальных изделий на террито-
рии Восточной Европы в эпоху Киевской Руси. Из 266 ис-
следованных железных и стальных предметов, относя-
щихся к IX—XII вв. и собранных археологами в Север-
ной Европе, термически обработанными оказались
180 предметов. Замечательно то, что такой сложной
термической обработке, как закалка и отпуск, подверга-
лись изделия разнообразного назначения: оружие, ору-
дия труда, предметы быта*и др.
Мастера древних времен могли так обрабатывать
кинжал или меч, что они становились гибкими и упру-
гими, твердыми и прочными. Превращение относитель-
но мягкого железа в блестящий меч, которым можно бы-
ло разрубать гвозди, сделанные из того же железа, при-
водило в изумление людей того времени. В связи с тем
что мастера не знали о процессах, происходящих в стали,
они иногда допускали ошибки, которые сводили на нет
всю их многодневную и многотрудную работу. Поэтому
к процессам ковки и термической обработки мастера
примешивали суеверие и страх перед неизвестными си-
лами природы. Они, эти силы, могли сделать так, что
из-под рук мастера выходило великолепное, чудесное
оружие с безукоризненным сочетанием твердости и упру-
гости или, наоборот, неизвестные силы могли загубить
труд мастера — оружие могло получиться мягким, склон-
ным к изгибу или же твердым, но хрупким.
Мастера перед началом работы над созданием новых
мечей долго постились и молились богам, из кузницы «из-
гонялись злые духи». Принимались все меры предосто-
рожности, чтобы в мастерскую не вошел посторонний
человек. Во время ответственных операций и оконча-
тельной обработки меча кузнец оставался один. Он, ра-
ботая, произносил заклинания.
1 Мартенсит — игольчатая структура закаленной стали.
б Заказ № 8492 65
Мастер не хотел передавать никому своих секретов.
Рассказывают легенду о том, как жестоко поступил куз-
нец со своим подмастерьем, опустившим палец в чан,
чтобы узнать температуру воды. Кузнец отрубил ему
руку, и никто не осудил его за эту жестокость. Даже
сам пострадавший не счел расплату за попытку проник-
нуть в тайну кузнеца слишком суровой.
Оружейники кочевых племен применяли очень свое-
образный способ воздушной закалки клинков. Этот спо-
соб заключался в следующем. Только что выкованный,
раскаленный клинок, поставленный вертикально лез-
вием вперед, вручали всаднику, который гнал коня с
возможной быстротой, разрубая встречный ветер беше-
ными ударами алого клинка. Клинок закалялся в воз-
душной струе, причем лезвие, охлаждаясь с большей
скоростью, становилось тверже, а обух сохранял большую
вязкость, что в целом создавало идеальные качества
клинка.
О применении термической обработки железа и ста-
ли имеются также письменные указания, относящиеся
к I тысячелетию до н. э. Такие указания имеются у древ-
них писателей Плутарха, Филона, Плиния, Гомера и
других. Закалка, отпуск, «пожигание», отжиг, «пожига-
ние с цементом», цементация и другие виды термической
обработки встречаются во многих документах, как свет-
ских, так и духовных.
У наших современников, живущих в век расцвета
науки и техники, когда металлургические и термические
цехи оснащены всевозможными приборами, до элект-
ронно-вычислительных машин включительно, невольно
возникает вопрос: каким же образом люди, не имея ни
оборудования, ни инструмента, ни приборов, могли до-
биваться получения металлических изделий с такими
изумительными свойствами? Историко-археологическая
наука дает однозначный ответ на этот вопрос: практика,
многовековый опыт — вот что давало возможность древ-
ним ремесленникам изготовлять изумительные по каче-
ству металлические изделия.
Трудно установить, когда человек стал впервые при-
менять термическую обработку (рис. 24). Со времен
металлургии меди и бронзы, существовавшей ранее ме-
таллургии железа, было известно, что нагревание ме-
талла умягчает его и делает более пластичным, гибким,
66
легче поддающимся механической обработке. Желез-
ный брусок, откованный при низких температурах, ста-
новится жестким, теряет пластические свойства, но после-
дующим нагреванием его можно сделать мягким, вязким,
ковким. Такие наблюдения могли быть накоплены при
изготовлении железных изделий в самых примитивных
условиях их обработки. Обычно откованные железные
и стальные изделия охлаждали на воздухе, на полу ма-
стерской. Они при этом становились сравнительно мяг-
Рис. 24. Плавка металла. Гравюра из книги Ванноч-
чо Биригуччо «Пиротехния», опубликованной в Ита-
лии в 1540 г.
кими и нехрупкими. Особенно мягкими получались кус-
ки металла при охлаждении в раскаленных углях ос-
тывающего кузнечного горна. Таким образом, многими
поколениями мастеров накапливались наблюдения: что-
бы металл сделать мягким, легко затачиваемым и не-
хрупким, его надо охлаждать после ковки медленно.
Так появилась первая операция термической обработки
металла — отжиг.
Можно предположить, что кузнецы для сокращения
времени охлаждения откованных кусков металла поме-
щали их в воду и замечали, что при этом их твердость
резко увеличивается. Передача новых наблюдений при-
вела еще к одному правилу: быстрое охлаждение ме-
талла после ковки придает ему высокую твердость, кре-
пость и упругость. Появилась новая операция термиче-
ской обработки металла—закалка. Но изделия после
быстрого охлаждения в воде часто ломались от удара.
5*
67
Для преодоления этих трудностей нужно накапливать
новый опыт. Практика показала полезность более мяг-
кого охладителя, чем вода: в сале или через воду в са-
ло. Было подмечено такж$, что если закаленный клинок
слегка подогреть, то он приобретает упругость без по-
нижения твердости. Так появился новый прием терми-
ческой обработки — отпуск.
Таким образом, в процессе работы у ремесленников
возникали приемы, которые превращались в правила,
а в период развития ремесла становились «секретами»
мастеров. Кстати, само название «мастер» означает че-
ловека, обладающего секретом производства. Секретов
у мастеров было довольно много, но их хранили в стро-
гой тайне и передавали от отца к сыну, а затем к внуку.
Делалось это из-за боязни, что другие мастера, выведав
их секреты, научатся работать еще лучше, и тогда им,
старым мастерам, придется лишиться работы.
Из этого краткого очерка о тайнах древних оружей-
ников следует, что железоуглеродистые сплавы более
тысячи лет назад применяли в качестве материала для
оружия. Мастера того времени умели из руды выплав-
лять сталь, придавать отливке необходимую форму и
термически обрабатывать изделие. Древние оружейники
знали несколько сортов углеродистой стали, могли в
кузнечном пламени сваривать пластинки разных сортов
сплавов и получать комбинированную заготовку для
ковки мечей. Они применяли такие виды термической
обработки, как отжиг, закалку и отпуск закаленной
стали. Был известен около тысячи лет назад и такой
сложный вид термохимической обработки, как цемента-
ция. Под цементацией понимают насыщение углеродом
поверхности мягкой стали с целью совмещения пла-
стичной основы оружия и крепкого лезвия. Изделия, под-
вергавшиеся цементации, помещали в железный ящик
со смесью угля, жженого рога, костей, патоки, соды и
других материалов. Ящик закрывали крышкой, замазы-
вали огнеупорной глиной, просушивали и выдерживали
длительное время в печи при температуре около 900 °C.
При этом проходила химическая реакция с образовани-
ем оксида углерода (II). Этот газ непрерывно разла-
гался с образованием оксида углерода (IV) и углерода:
2 СО—>-СО2~|~С
68
Выделявшийся свободный углерод взаимодействовал
с поверхностными слоями металла и диффундировал
(«продвигался» постепенно в глубь изделия). Процесс
цементации продолжался 10—25 ч, в зависимости от то-
го, какое содержание углерода нужно было получить в
поверхностном слое. Средняя скорость науглероживания
0,08—0,10 мм/ч. При помощи цементации можно было
увеличить в поверхностном слое содержание углерода
в десять — двенадцать раз, т. е. из мягкого железа по-
лучить очень крепкую сталь.
Таким образом, практика получения качественного
клинка из железоуглеродистых сплавов и его терми-
ческая обработка были известны древним металлургам-
оружейникам. Они владели искусством кузнеца и ору-
жейника, у оружие того времени было весьма высокого
качества даже по современным представлениям. Эти
мастера своим трудом далеко вперед продвинули ис-
кусство получения сплавов.
РУССКИЙ БУЛАТ
Изумительно красивы окрестности Златоуста. Изда-
лека видны три вершины горы Таганай, одного из самых
высоких хребтов Южного Урала. На многие сотни мет-
ров протянулась каменная гряда Откликного гребня,
геометрически правильным конусом врезается в облака
гора Круглица. Эта самая высокая вершина Таганая
состоит сплошь из валунов — огромных обкатанных кам-
ней. Внизу горы пышная растительность, заросли че-
ремухи, травы в рост человека, пьянящие запахи цветов.
Л наверху одни валуны, покрытые мхом. Даже в самые
жаркие дни там гуляет холодный ветер, пригибая к зем-
ле растущие кое-где карликовые сосенки. Склоны Круг-
лицы выровнены .ледниками, кажется, что какой-то ве-
ликан насыпал эти камни, как ребенок насыпает горку
песка. Вокруг Златоуста леса, горные озера, каменные
гряды и ущелья с быстрыми речками. А каменные рос-
сыпи? Идешь по лесу и вдруг встречаешь каменную
реку. Широкой, ровной полосой тянется с гор каменная
россыпь, состоящая из сотен тысяч валунов, каждый из
которых больше роста человека. Здесь тоже когда-то
сползали с гор ледники.
69
Недалеко от города каменный столб — граница двух
частей света — Европы и Азия. В глубоком ущелье се-
ребрится река Ай. Башкиры, жившие в этих краях, да-
ли поэтические названия реке и горам. Ай — луна. Ре-
ка— луна. Таган — подставка. Таганай — подставка лу-
ны. Неправда ли, красиво? На площади против меха-
нического завода им. В. И. Ленина стоит величествен-
ный памятник. На высоком постаменте бронзовая фигу-
ра человека с волевым лицом, в форменной одежде
инженера прошлого века, в руках пружинящий полу-
согнутый клинок. Это Павел Петрович Аносов, россий-
ский инженер-металлург, создатель первых железоуг-
леродистых легированных сплавов. Он разработал про-
мышленную технологию выплавки и ковки булатной
стали, не имеющей себе равной в мировом производ-
стве того времени.
Высокое качество златоустовских клинков далеко
опережало славившиеся в то время клинки немецких
оружейников города Золингена. Златоустовское холодное
оружие завоевало себе мировую славу. Памятником этой
славы является городской музей, знаменитый коллекци-
ей клинков, кинжалов, мечей с роскошной художествен-
ной гравировкой. На витринах представлено оружие
прежних веков, показаны работы потомственных зла-
тоустовских мастеров-оружейников, собраны булатные
клинки различного качества. Тайну производства бу-
латных клинков раскрыл выпускник Горного кадетского
корпуса, сын мелкого чиновника Павел Петрович Ано-
сов. П. П. Аносов заложил фундамент науки о метал-
лах: он первым связал свойства сплавов с их структу-
рой и строением.
В своем сочинении «О булатах», опубликованном в
1841 г., П. П. Аносов научно обосновал технологию
производства русского булата. Это было началом воз-
никновения науки о сплавах, о их термической обра-
ботке, структуре и свойствах. Поэтому задержим наше
внимание на эпизодах из замечательной жизни пер-
вого ученого — металлурга и металловеда Павла Петро-
вича Аносова.
В торжественном строю, посвященном выпуску вос-
питанников Корпуса в 1817 г., был зачитан указ о при-
суждении унтер-офицеру П. П. Аносову большой золо-
той медали за весьма похвальное поведение и успехи,
70
Павел Петрович Аносов
(1797—1851).
весьма хорошие в технологии и пробирном искусстве,
металлургии, горном и маркшейдерском искусстве. Па-
вел Петрович быстро освоился с новой работой на Зла-
тоустовской казенной фабрике, куда его направили после
окончания учебы. Через несколько лет в результате
улучшения технологии производства сабельной стали
сабли и шпаги Златоустовской оружейной фабрики бы-
ли значительно лучше немецких как по качеству стали,
так и по художественной отделке клинков. Фабрика
имела свой «секрет» изготовления оружия, разработан-
ный мастером Бушуевым и шихтмейстером Аносовым.
В конце 1824 г. П. П. Аносова назначили управите-
лем оружейной фабрики. Вскоре начальнику горного
округа Татаринову поступил донос на П. П. Аносова.
В доносе говорилось, что Аносов, забыв о достоинстве
горного инженера, дни и ночи проводит в кричной ма-
стерской и как рабочий трудится у горна вместе с не-
давно присланным из Тагила мастером по стали ли-
тейщиком Н. Швецовым, что он вместе с рабочими ест
и разговаривает с ними, как с равными. П. П. Аносов
не обратил внимания на замечания начальника округа
и продолжал работать. Он решил раскрыть секрет про-
изводства булатной стали. Павел Петрович изучил все
материалы о производстве булатов, по крупицам соби-
рал он опыт старых мастеров-оружейников и рецепты
изготовления булатной стали.
Сведения о приготовлении булата в Азии были весь-
ма скудны. Булат по-персидски означает сталь. Родина
булата — Индия. Клинки ковались из слитка, сплавлен-
ного в виде лепешки. Такой слиток в Индии называли
«путца». О технологии изготовления булатных мечей
ходили самые различные легенды. Правители госу-
дарств не жалели средств на покупку булатного оружия
и готовы были хорошо оплатить секрет производства бу-
лата. Русские, итальянские, французские и английские
металлурги и ученые того времени тщетно пытались
раскрыть тайну приготовления булатного клинка.
О булате писали стихи, сочиняли поэмы. В 1838 г.
М. 10. Лермонтов написал стихотворение, в котором
воспевал булатный клинок:
...Отделкой золотой блистает мой кинжал;
Клинок надежный без порока;
Булат его хранит таинственный закал —
Наследье бранного Востока.
Отличительной чертой булатной стали был затейли-
вый природный рисунок на клинке (рис. 25). Различали
несколько типов узоров: коленчатый, сетчатый, струи-
стый, полосатый. Полосатый узор состоял из почти пря-
мых параллельных линий, расположенных вдоль лезвия.
Этот сорт булата считался худшим. Лучшие сорта —
коленчатый и сетчатый. Рисунок в коленчатом булате
не имел определенной ориентировки. Крупными волна-
ми (коленами) он струился по всему полю лезвия в
самых разнообразных направлениях. Рисунок настоль-
ко хорош, что от него трудно оторваться, хочется про-
следить течение линий, но вскоре убеждаешься, что это
невозможно. Узор на булате образован более светлыми
и более темными линиями и штрихами. Кавказские ма-
стера оружия различали еще один тип рисунка, который
называли «гроздья винограда». Этот рисунок напоми-
нает коленчатый, но с еще более рельефным сгуще-
нием линий на небольших участках.
72
Каждый мастер владел своим секретом, и только он
мог использовать достаточно эффективно веками со-
бранные навыки. Сохранились рассказы о различных
приемах подготовки к работе над мечами. Одни масте-
ра приносили с гор какие-то камни и посыпали крош-
ками этого камня заготовку меча во время ковки. Дру-
гие выдерживали заготовку в болотной воде, нагревали
ее и ковали, снова помещали в
болотную воду и так несколько
раз.
П. П. Аносов узнал, что на
Кавказе есть знаменитый кузнец
Кахраман Елизарошвилли, и на-
правил к нему двух своих ма-
стеров. Возвратились через пол-
года в Златоуст мастера и рас-
сказали, что Кахраман Елизаро-
швилли в качестве исходного ма-
териала брал старые ржавые под-
ковы, обрабатывал их порошком
турецкого чугуна, потом сваривал
с турецкой же сталью и из полу-
ченного материала ковал клинок.
Раскаленный клинок он переда-
вал подручному, который верхом
на коне мчался по дороге, раз-
махивая над головой шашкой.
Рис. 25. Узорчатая по-
верхность булатного
клинка (увеличено в
3 раза).
Выяснил П. П. Аносов и технологию производства
особенно ценившегося на Востоке амизгинского клинка
с крупнорисуночным узором. Заготовку этого клинка
сваривали из трех сортов стали: крепкой, так называе-
мой «антушки», мягкой —«дугалалы» и самой креп-
кой —«альхана». Из каждого сорта стали мастер выко-
вывал небольшие тонкие пластинки и затем складывал
их в определенном, только ему известном порядке. После
нагревания в горне пакет из пластинок сваривали, при-
чем мастер для прочности сварки посыпал его желтым
порошком. Заготовку нагревали несколько раз и кова-
ли строго в определенном направлении с прибавлением
желтого порошка. В конце концов получали длинную
полосу. Мастер разрубал ее пополам и получал заго-
товку для двух клинков.
Было известно в то время и о легендарной шашке с
73
Кавказа пол названием «гурда». «Гурда», по сказаниям,
легко перерубала булат и кольчуги. Ide меньшей славой
пользовалось тогда и оружие мастера Базалая и его по-
томков. Кинжал так и назывался «базалай». Секретов
изготовления сплавов, ковки и термической обработки
«гурды» и «базалаев» отыскать не удалось.
Отрывочные данные о секретах старых мастеров, ко-
торыми располагал П. П. Аносов, не могли служить
основанием для разработки промышленной технологии
производства булатной стали. Павел Петрович собрал
большую коллекцию булатов и вскоре научился отли-
чать настоящий булат от ложного, на котором узоры
наводили рисовкой и травлением. Лучшие по своим ка-
чествам считались булаты со сложными переплетающи-
мися рисунками на иссиня-черном фоне. При наклон-
ном падении лучей такие клинки давали отчетливый
золотистый отлив. Исследователь поставил своей зада-
чей открыть причины образования узоров и особых ка-
честв, свойственных булату, разработать и освоить но-
вую промышленную технологию изготовления булатной
стали. П. П. Аносов сделал большое число опытных пла-
вок, сплавляя с железом различные элементы: кремний,
алюминий, кальций, магний, хром, марганец, серебро,
золото, платину. Чтобы лучше исследовать внутреннее
строение, или, как говорят теперь, структуру, получен-
ного металла, П. П. Аносов решил его рассмотреть в
лупу или под микроскопом. В связи с тем что поверх-
ность металла почти всегда покрыта тончайшей плен-
кой оксидов и загрязнена, П. П. Аносов тщательно от-
шлифовал поверхность стальной пластинки и обработал
шлиф кислотой. Структурные составляющие по-разно-
му отзывались на действия кислоты, в результате вы-
травлялся рельефный рисунок. Лишь после этого мож-
но было увидеть и изучить структуру стали. Интересно
отметить, что применяемый Аносовым способ приготов-
ления и травления шлифов в основных чертах сохранился
и до сих пор. Это был первый в истории мировой ме-
таллургии пример использования микроскопа для изуче-
ния структуры металла. Многочисленные опыты приве-
ли П. П. Аносова к выводу, который лежит в основе
всего современного металловедения: механические свой-
ства изделий обусловлены структурой металла. Струк-
тура металла — важнейший показатель его качества.
74
Так П. П. Аносов по-новому расценил значение узоров
на булате.
Не зная закономерностей кристаллизации и структу-
рообразования, ученый был вынужден в своих иссле-
дованиях идти ощупью. Он провел ряд опытов, приме-
шивая к расплавленному железу различные растения, а
также кости и рога животных. Желая проверить раз-
личные сказания и легенды о производстве булата, он
употреблял для плавки березовое дерево, цветы, бакау-
товое дерево, сорочинское пшено, ржаную муку, рог сы-
рой и рог жженый, слоновую кость... Все эти опыты по-
казали, как записал П. П. Аносов, лишь склонность к
образованию булата.
Затем Аносов применил в плавках графит. Два года
продолжались поиски графита, а П. П. Аносов тем вре-
менем использовал для плавок графит из карандашей
(карандаши тысячами скупали в окрестных городах, при-
возили из Москвы, Петрограда). После долгих поисков
графит был найден на озере Еланьчик.
Лучшим методом получения булата П. П. Аносов
считал сплавление железа с графитом или соединение
его прямо с углеродом. В конце 1837 г. Златоустовская
фабрика начала выпускать булатное оружие значитель-
ными партиями. В 1838 г., когда поэт М. Ю. Лермонтов
написал свои стихи о булате, русский инженер-метал-
лург Павел Петрович Аносов подготавливал к печати
свое сочинение «О булатах», где был описан процесс
производства булатной стали. Аносов отказался от ус-
таревших и потерявших значение азиатских названий
булата. Он ввел название «русский булат», и у Аносова
были для этого все основания. В зависимости от внеш-
него вида и качества Аносов делил русский булат по
видам: полосатый, струистый, волнистый, сетчатый и
коленчатый (рис. 26).
Так была раскрыта тайна булата. Подготовленное
П. П. Аносовым описание методов его производства
представляло собой четкую технологическую инструк-
цию, в которой указаны пропорции и качество метал-
лов, необходимых для выплавки булата, время для тех
или иных операций и т. д.
Русский булат при жизни П. П. Аносова приобрел
широкую известность и стал таким же знаменитым, как
и восточный.
75
В 1838 г. за создание отечественного производства
кос П. П. Аносов получил золотую медаль Московского
общества сельского хозяйства. Косы Златоустовского за-
вода были лучше, острее и более стойкие, чем импорт-
ные австрийские косы.
1 .2 3
Рис. 26. Виды узоров булата:
/ — струистый; 2 — коленчатый; 3 — «грозди винограда»;
В 1844 г. П. П. Аносов был избран член-коррсспон-
дентом Казанского университета и в 1846 г. — почетным
членом Харьковского университета. В 1847 г. Павла Пет-
ровича назначают главным начальником Алтайских
горных заводов, где он со всей присущей ему энергией
борется за «улучшение железного производства». Одна-
ко преждевременная смерть, последовавшая 13 мая
1851 г. в Омске, не позволила ему осуществить свои
замыслы.
76
Велико значение трудов и открытий П. П. Аносова.
Их значение не только в том, что был открыт секрет
приготовления булата. Своими трудами Аносов заложил
основы качественной металлургии и науки о сплавах.
Сочинение П. П. Аносова «О булатах» является первым
в мире трудом по металловедению. В этом труде уста-
новлен основной закон современного металловедения,
заключающийся в том, что свойства сплава определя-
ются его строением и структурой. Более 130 лет назад
П. П. Аносов разработал методику травления структу-
ры, первый (1831) применил микроскоп при исследова-
нии стали, опередив в этом английского ученого Сорби
на 32 года. П. П. Аносов открыл газовую цементацию
(насыщение железа углеродом в твердом состоянии).
• Несмотря на то что Аносов предрекал большую бу-
дущность булатной стали, его предположение не оправ-
далось. Булат не получил широкого распространения.
Это объясняется многими причинами. Во-первых, про-
изводство булатных клинков обходится очень дорого,
да и клинки как оружие потеряли свое значение. Во-
вторых, изготовление из булатной стали инструментов,
детален машин и т. д. не имеет смысла, так как произ-
водство легированных сталей значительно дешевле, чем
булатной при лучших ее специальных свойствах.
Однако интерес к булату и теоретическому обосно-
ванию его производства волнует до сих пор умы и серд-
ца многих металлургов. В 1868 г. Д. К. Чернов, пользуясь
инструкциями Аносова, изготовил булатную сталь на
Обуховском заводе. На Златоустовском металлургиче-
ском заводе двадцать лет назад группа инженеров-эн-
тузиастов во главе с начальником Центральной завод-
ской лаборатории И. Н. Голиковым разработала про-
мышленный способ получения булатной стали на сов-
ременном оборудовании и получила на этот способ ав-
торское свидетельство. Было сделано несколько плавок
булатной стали. Из этой стали изготовили клинки, кор-
тики и другие изделия. Но распространения булатная
сталь не получила, и производство ее было прекращено.
Работы профессора И. Н. Голикова показали, что при-
чиной булатного узора и специфических свойств булат-
ной стали является создание при выплавке стали в
объеме жидкого металла взвешанных, недорасплавлен-
ных частиц металла с низким содержанием углерода.
77
Кандидат исторических наук К. Чолокашвили в ста-
рых рукописях отыскал записи технологии кавказского
булата. В этих записях были точно указаны состав спла-
ва и режимы ковки клинка. По этим записям метал-
лурги Ф. Товадзе и К. Лежавой на Руставском метал-
лургическом заводе получили булатную сталь.
Металлурги еще не раз вернутся к старым приемам
и рецептам получения металлических изделий высокого
качества. Возможно, в новых условиях, на новом этапе
развития металлургии возродится слава булатной стали.
Булат — это целый этап истории производства сплавов.
Уникальные свойства булата — это мастерство наших
предшественников, с большим искусством и трудолю-
бием добивавшихся изготовления качественного сталь-
ного оружия в эпоху предыстории металлургии.
В чем же секрет древних оружейников с точки зре-
ния науки о металлах?
Этих секретов несколько. Первая группа секретов
относится к созданию сложного композитного сплава.
Древние металлурги знали секреты создания сложных
сплавов способом механического примешивания мельчай-
ших частиц к сплаву в твердом состоянии. Вспомним
легенды о камнях, которые кузнецы искали в горах, за-
тем размельчали их и крошками посыпали железную по-
лосу во время ковки. Что это были за камни? Может
быть, это были хромовые, молибденовые или кобальто-
вые руды, которые давали сложные химические соеди-
нения с высокой твердостью.
Или действие на раскаленную полосу в процессе ков-
ки крошек «турецкого» или иного чугуна? Как извест-
но, чугун одного и того же состава может быть белым
и серым. Можно предположить, что древние кузнецы ис-
пользовали крошки белого чугуна, состоящие в основном
из цементита (БезС). Таким образом, кузнецы в зато-’
товки для мечей механическим способом внедряли очень
твердые, мельчайшие частицы карбида железа или ка-
ких-либо других химических соединений.
В более поздние века композитный сплав создавался
при сварке двух или трех сортов стали: очень крепкого
(до 1,5% углерода), среднего (0,8—0,9%) и мягкого
(0,08—0,1 % углерода). Расположение в особом, наибо-
лее оптимальном порядке разных сортов стали создава-
ло хорошее сочетание твердости и режущей способности
78
лезвия с прочностью и достаточной пластичностью кор-
пуса клинка.
Вторая группа секретов относится к искусству ковки.
Металлургам давно известно, что коленчатый вал, на-
пример, нельзя вырезать из одного куска металла, а
нужно ковать его, следуя изгибам многочисленных ко-
лен. Тогда волокна структуры будут направлены вдоль
сечения вала и вал будет надежно работать. Этот
принцип хорошо знали кузнецы древних веков и отлич-
но его использовали. Ковку вели таким образом, чтобы
узор волокон не располагался в виде прямых или вол-
нистых (струйных) линий вдоль лезвия меча, а состоял
из различно ориентированных, перепутанных линий ко-
ленчатого или сетчатого типа.
Рельефности узора способствовали и условия выплав-
ки стали. Как известно, температура плавления желе-
зоуглеродистых сплавов очень высокая, а средства ра-
зогревания у древних металлургов были весьма огра-
ничены. Поэтому отдельные частицы более чистого ме-
талла не успевали перейти в жидкое состояние и оста-
вались .в виде твердых взвешенных частиц. Наличие
частиц чистого железа, а также частиц большой твер-
дости, вкрапленных в сплав, позволяло кузнецу искус-
ной ковкой в различных направлениях получать затей-
ливый и отчетливо видный рисунок перемежающихся
полосок различного химического состава.
Третья группа секретов относится к термической об-
работке. Многовековой опыт подсказал оружейникам
наиболее оптимальные режимы закалки и отпуска. На-
личие нескольких сортов стали в одном куске создава-
ло очень сложные условия для подбора температуры
закалки. Изменение температуры нагревания на 10—
20 °C уже заметно изменяет свойства закаленного из-
делия. Поэтому нужно, действительно, настоящее ис-
кусство, чтобы без приборов, на глаз, точно выдержать
необходимый предел температуры.
Очень важны условия охлаждения клинка после на-
гревания его под закалку. Для крепких сталей и в на-
стоящее время применяют закалку в струе воздуха.
А разве не этим принципом руководствовались древние
кузнецы, когда с раскаленным клинком в руках мчались
на горячем коне, яростно разрубая воздух? А приме-
нявшаяся древними мастерами закалка в сале или че-
79
рез воду в сало? И в настоящее время для крепких ста-
лей применяют закалку в масле или через воду в масло.
Этот прием научно обоснован. Охлаждение в воде в те-ч
некие нескольких десятков секунд или минут (для раз-
личных по объему изделий) создает условия для мартен-
ситного превращения, а погружение в масло позволяет
снизить внутренние напряжения, связанные с переходом
из одной структуры в другую.
Отпуск закаленного клинка был относительно про-
стым делом. Нашим предкам было* известно, что при
отпуске закаленной стали нужно ориентироваться на
цвета побежалости. При нагревании очищенная от ока-
лины закаленная сталь принимает все цвета радуги.
Один за другим следуют цвета: светло-соломенный, со-
ломенный, малиновый, синий и темно-синий. Причем
каждый цвет имеет еще несколько оттенков, и каждому
огтенку соответствует определенная температура. Ис-
кусство оружейника заключается не только в том, что-
бы знать, на какой цвет нужно отпускать металл, но и
в том, чтобы различные части клинка отпускать на раз-
личные цвета побежалости. Лезвие должно быть отпу-
щено на соломенный цвет, корпус — на синий и т. д.
Высокое качество древнего оружия объяснялось от-
сутствием в металле вредной примеси — серы, потому
что для плавки применяли древесину и древесный уголь.
Все эти. секреты знали наши предшественники —
древние металлурги. Они умели ими пользоваться и
получать уникальное по своему качеству оружие.
МОЛОДОСТЬ ДРЕВНИХ СПЛАВОВ
Неудержимо течет время. Прошли века и тысячеле-
тия с тех пор, как люди открыли первые сплавы. Раз-
гаданы тайны строения сплавов, открыт микромир ме-
таллов. Уже не отдельные сплавы, а многие тысячи
различных по составу и свойствам сплавов используют
в технике и производстве.
Но самые первые сплавы продолжают верно слу-
жить человеку. Неизмеримо выросло семейство медных
сплавов. К бронзам, сплавам меди с оловом и мышья-
ком, добавились латуни, сплавы меди с цинком. Широко
используют сплавы меди с алюминием, марганцем, ни-
келем, кремнием и многими другими металлами.
80
Древняя бронза отличалась чрезвычайной стойко-
стью против коррозии. Экспонаты многих музеев мира,
выполненные из бронзы, имеют очень почтенный воз-
раст— до пяти тысяч лет. В двадцати милях от Рима
со дна озера Нэми подняты остатки увеселительных
галер римского императора Калигулы, на которых пол-
ностью сохранились бронзовые крепления, а детали из
серебра или серебряных сплавов оказались почти пол-
ностью уничтожены коррозией. Бронзовые зубила, кли-
нья, сверла использовали при обработке камня для еги-
петских пирамид.
С развитием производства бронзы специализирова-
лись как по составу, так и по виду изделий. Вначале
бронзы применяли для изготовления оружия и украше-
ний, в том числе и для зеркал, затем получили специ-
альную бронзу для статуй. Древние египетские и грече-
ские литейщики умели отливать статуи в формы по
восковым и гипсовым моделям. Большие по размерам
статуи, как например статуя бога Аполлона, известная
под названием «Колосс Родосский», высотой 35,и, отли-
вали по частям, а затем соединяли в одно целое. Около
двух тысяч лет назад в связи с развитием христианской
религии бронзу стали употреблять для отливки коло-
колов. Появились бронзы особого состава — колоколь-
ные. Шестьсот лет назад выделили в особую группу пу-
- шечные бронзы, из которых отливали стволы пушек, в
том числе и крупные орудия. Примером может служить
царь-пушка, находящаяся в настоящее время в Мос-
ковском Кремле. Масса пушки 40mt длина ствола 5,34 ж,
внутренний диаметр 89 см. Царь-пушка отлита в 1586 г.
русским мастером А. Чоховым. Бронзы были основным
материалом для изготовления первых станков и меха-
низмов. После освоения прокатки бронз применение
бронзовых деталей для машин, механизмов, приборов
еще более расширилось. Таким образом, по своему на-
значению бронзовые сплавы подразделялись на зеркаль-
ные, пушечные, художественные, колокольные, машин-
ные и некоторые другие. Рассмотрим особенности и со-
ставы этих бронз.
Зеркальная бронза должна обладать высокой твер-
достью, однородностью состава, стойкостью против кор-
розии, иметь светлый тон и хорошо поддаваться поли-
ровке. В древнем Египте применяли бронзу следую-
6 Заказ № 3$2
81
щего состава: 85% меди; 14% олова; 1% железа. Состав
древнеримского зеркала был иным, а именно: 63,4% ме-
ди; 19,0% олова; 17,3% свинца. Из сплава меди (80,8%),
сурьмы (8,4%) и свинца (9,7%) изготовляли так назы-
ваемые волшебные зеркала. На обратной стороне зер-
кала изображали выпуклые фигуры или надписи таким
образом, чтобы в определенном порядке чередовались
тонкие и толстые части отливки. При охлаждении жид-
кого расплава толстые части будущего зеркала затвер-
девали более медленно, чем тонкие, что отражалось на
строении сплава. Тонкие места имели мелкозернистую
структуру, толстые — крупнозернистую. После полиров-
ки зеркало по-различному отражало свет, в результате
чего получалось несколько искаженное изображение. По-
этому такие зеркала и называли «волшебными». В на-
стоящее время металлические зеркала применяют толь-
ко для телескопов и особо точных оптических механиз-
мов.
К числу древних сплавов относят также и художе-
ственные бронзы. Среди известных памятников, храня-
щихся в музеях многих стран, значительное место за-
нимает художественное литье из бронзы. Одним из
древнейших художественных изделий считается храня-
щаяся в Парижском музее бронзовая женская фигура,
относящаяся ко времени Ри-Агу, правителя Ларса, цар-
ствовавшего две тысячи лет назад до н. э. Эта скульп-
тура явилась прообразом будущих статуй-кронштейнов —
кариатид, авторами которых были древние греки. В на-
чале III тысячелетия до и. э. в Мессопотамии изготов-
ляли литые бронзовые фигуры животных, поражающие
топкостью отделки. Древнегреческие скульптуры, выпол-
ненные из бронзы, до сих пор являются предметом вос-
хищения ценителей искусства.
Бронза привлекает художников многими свойствами,
а именно: способностью заполнять самые сложные фор-
мы с минимальной усадкой при затвердевании, относи-
тельно низкой температурой плавления и красивым цве-
том. Бронзы можно ковать, штамповать, они хорошо
поддаются чеканке, гравировке, пайке, полировке, зо-
лочению и серебрению. Цвет бронзы в течение времени
и под воздействием окружающей атмосферы изменя-
' ется. Вы, наверное, слышали выражение «цвет старой
бронзы». Что же это за цвет? Этот термин имеет свою
82
историю. На поверхности бронзовых изделий в течение
десятков лет образуется тонкая оксидная пленка, назы-
ваемая «патина». Цвет патины зависит от состава спла-
ва и атмосферы и меняется от светло-голубых, зеленых
до коричневых и черных цветов. Наиболее часто встре-
чается очень красивая благородная патина зеленоватых
и зеленовато-голубых оттенков. Этот цвет и подразу-
мевается под цветом «старой бронзы». Замечено, что
если в атмосфере, воздействующей на бронзу, имеются
сульфидные соединения, патина приобретает темные то-
на. Черный цвет бронзы можно получить также и при
подборе состава с последующей обработкой изделий.
Так, например, если в состав бронзы ввести до 10%
свинца, а затем отливку нагреть, то изделие приобре-
тает красивый черный цвет. Из такой бронзы изготав-
ливали редкие по красоте вазы, инкрустированные по
черному фону украшениями из золота и серебра. Худо-
жественные бронзы нашего времени содержат 80—
90% меди; 3—8% олова; 1 — 10% цинка и 1—3% свинца.
Одним из применений древней бронзы является про-
изводство монет. Древние монеты, выпущенные Алек-
сандром Македонским, имели состав: 87,4% меди; 10,3%
олова; 2,3% свинца. В древнем Риме состав монет ме-
нялся в связи с вступлением на престол нового импе-
ратора. В таблице 3 приведены некоторые составы рим-
ских монет.
Таблица 3
Состав монетных бронз древнего Рима
Состав, %
Эпохи медь ОЛОВО цинк свинец железо
Римский «асе» (пятьсот лет до н. э.) Монеты императора Ав- густа Монеты императора Не- рона Монеты императора Тро- яна /Монеты императора Гор- дия 69,7 79,3 81,1 88,6 80,1 7,2 М 1.8 9.0 20,7 17,8 7,6 21,8 2,2 10,9 0,5 0,3
6*
83
Разменные монеты в ряде государств изготовляли из
бронзы следующего состава: 90—95% меди; 4—5% оло-
ва; 1—5% цинка. Однако за последнее время бронзовые
разменные монеты почти полностью вытеснены монетами
из алюминиевой бронзы.
Колокольные бронзы имеют в основном историче-
ское значение. Знаменитым памятником искусства ма-
стеров колокольного дела является хранящийся в Мос-
ковском Кремле царь-колокол. Масса его 200 m, высота
с ушками 6,14 м, диаметр 6,6 м. Царь-колокол отлит в
1733—1735 гг. русскими мастерами И. Ф. Моториным
и М. И. Моториным. Колокольная бронза имеет свои
особенности. Она должна хорошо звучать. Края коло-
кола не должны деформироваться и выкрашиваться от
ударов языка. Состав старых бронз для колоколов:
медь; 20—23% олова; до 4% свинца и до 1% серебра.
Для различных по массе колоколов подбирали соот-
ветствующий состав бронз. На древней Руси издревле
процветало мастерство звонарей. На каждой звоннице
или колокольне при храме устанавливали, как правило,
до двенадцати или более колоколов различного разме-
ра и тембра. Колокола ценились по чистоте звука. Боль-
шие колокола звучали басом, малые — дискантом. Ста-
ринная Москва славилась «малиновым звоном» коло-
колов !.
В наше время на новой основе возрождается древ-
нее искусство колокольной музыки. В Прибалтике, на-
пример, провеется своеобразные концерты. Музыканты
исполняют па колоколах сложные произведения. Так пе-
рекликается старое и новое, древнее оживает в новых
формах и с новым содержанием.
В отличие от колокольных бронз пушечная бронза
не потеряла своего значения и в настоящее время. Брон-
за для пушечных стволов обладала хорошими механиче-
скими свойствами: большой прочностью и твердостью
при достаточно высокой вязкости, хорошим сопротивле-
нием на истирание и т. д. Таким же свойством должны
обладать сплавы бронзы для машиностроения, поэтому
на базе пушечных бронз создано множество машинных
1 Происхождение выражения «малиновый звон» относится к
бельгийскому городу Малин — Malin, славившегося звоном своих
колоколов.
84
бронз. Машинные бронзы имеют высокую коррозион-
ную стойкость, удовлетворительные механические свой-
ства и красивый вид. В состав машинных бронз входят
медь, более 10% олова, до 2% никеля. Машинные брон-
зы, как правило, представляют собой сложные много-
компонентные составы. Кроме основных металлов — ме-
ди и олова, в сплав добавляют цинк, никель, свинец и
Рис. 27. Структура фос-
фористой бронзы (увели-
чено в 200 раз).
даже фосфор. Цинк — одна из самых древних присадок
к оловянистым бронзам, начинающих свою историю еще
со времен древнего Рима. Влия-
ние цинка сказывается на повы-
шении жидкотекучести и механи-
ческих свойств сплава, а также
на получении более плотных от-
ливок с высокой однородностью
по химическому составу. Присад-
ка никеля улучшает деформируе-
мость оловянистых бронз, 'повы-
шает прочность, твердость спла-
ва, плотность отливок. Свинец
действует по-другому. Присадка
свинца несколько • снижает вяз-
кость и пластичность сплава, нов
то же время повышает его ков-
кость, улучшает обрабатывае-
мость резанием и сильно повышает антифрикционные
свойства. Железо измельчает структуру бронзы, повы-
шает прочность и твердость, но несколько снижает кор-
розионную стойкость сплавов.
Особую группу составляют фосфористые бронзы
(рис. 27). Фосфор, оказывающий вредное влияние на
качество углеродистых и легированных сталей, является
полезной присадкой в бронзах. Добавка фосфора к оло-
вянистой бронзе повышает ее прочность на 30% и, что
особенно важно, без снижения пластичности и вязкости.
Фосфористая бронза значительно более устойчива про-
тив действия серной кислоты и морской воды. Благо-
творное влияние фосфора сказывается только при со-
держании его не выше 2%. Бронза с более высоким
содержанием фосфора становится хрупкой.
Бронза славится высокими антифрикционными свой-
ствами, особенно в паре со стальными частями. Удель-
ный процент работы, затрачиваемой на преодоление тре-
85
ния, в современном производстве очень высок. Счита-
ется, что 1/з всей работы подвижного состава железных
дорог затрачивается на трение в осях, а на бумагопря-
дильных фабриках на преодоление трения веретен и
других механизмов идет 3/4 всей работы.
Первый антифрикционный сплав, предложенный в
1839 г., носил название баббита (по имени изобрета-
теля) и имел в своем составе 83% олова, 11% сурьмы,
6% меди.
Рис. 28. Схема работы ан-
тифрикционного сплава:
1 — твердые опорные кристал-
лы; 2 — пластические кристал-
лы; 3 — впадины, по которым
просачивается смазка.
Рис. 29. Структура подшипни-
кового сплава олова, сурьмы
и меди (увеличено в 160 раз).
Рассмотрим принципы работы антифрикционного
сплава. При вращении вала быстрее истираются более
мягкие структурные составляющие подшипникового
сплава, в результате чего образуются впадины, по ко-
торым свободно протекает смазка. Нагрузка шейки ва-
ла передается на выступающие твердые кристаллы, ко-
торые называют опорными кристаллами. Трущаяся по-
верхность отдельных твердых опорных кристаллов под
давлением шейки вала становится выпуклой. На рисун-
ке 28 представлена схема строения поверхности подшип-
ника относительно поверхности вала. Наиболее опти-
мальной структурой антифрикционного сплава является
мелкозернистая, с равномерным распределением струк-
турных составляющих.
На рисунке 29 представлена микрофотография под-
шипникового сплава. Структура состоит из очень твер-
дых игольчатых кристаллов химического соединения
Cu3Sn, менее твердых кубических кристаллов химиче-
86
ского соединения SbSn. Основная масса сплава содер-
жит относительно мягкие пластичные кристаллы твер-
дого раствора олова и сурьмы в меди. Насколько твер-
дость химического соединения больше твердости со-
ставляющих его элементов, показывает следующий при-
мер. Твердость химического соединения СизБп в 5,7 раза
выше твердости меди и в 5,2 раза—сурьмы.
Бронзы можно термически обработать. В результате
закалки в воде при 650—700 °C бронза становится мяг-
че и'пластичнее. Закалка для повышения пластичности
бронзы при холодной обработке была известна масте-
рам глубокой древности’. Повышение твердости и проч-
ностных свойств достигается введением в сплав неболь-
ших добавок цинка, никеля, кремния, железа.
Кроме бронз, к медным сплавам относят медпо-цин-
ковые сплавы, известные под названием латунь. Латунь
изготовляли еще за тысячу пятьсот лет до н. э. Впервые
латунь стали выплавлять народы, известные под назва-
нием моссинэки, населяющие побережье Черного моря
к западу от Трапезунда. При плавке меди к ней приме-
шивали особый сорт земли, в результате чего получался
сплав, отличавшийся высокой твёрдостью, блеском и бе-
лым цветом. Ученые предполагают, что этой землей
была цинковая руда —галмей.
Раньше в России латунь называли желтой медью в
связи с тем, что латунные сплавы имели различные от-
тенки желтого, желто-золотистого и желтоватого цве-
тов. Причем латунь даже одного и того же состава (при
содержании цинка от 38 до 54%) отличается по цвету
в зависимости от ее термической обработки. Закален-
ная латунь имеет зеленовато-желтый оттенок, а ото-
жженная — золотисто-желтый.
Латунные сплавы имеют широкое и весьма разно-
образное применение в современной технике, что обу-
словлено высокими механическими свойствами, плот-
ностью отливок и хорошей стойкостью в агрессивных
средах. Латунь можно ковать, штамповать, прокатывать,
сваривать, наносить на нее защитные и декоративные
покрытия из других металлов. Многие латунные сплавы
хорошо противостоят истиранию.
Приобретая после шлифовки и полировки красивый
цвет и блеск, латунь удовлетворяет самым изысканным
требованиям технической эстетики. Кроме того, латуи-
87
пыесплавы более дешевые по сравнению с бронзой, так
как не содержат в своем составе дорогостоящего олова.
Различные по составу латунные сплавы обладают
различными механическими и физическими свойствами.
В частности, это различие наблюдается в устойчивости
против коррозии. Чисто медно-цинковые сплавы хуже
противостоят коррозии, чем латунные со специальными
добавками. Коррозионные явления в латунях с большим
содержанием цинка протекают с рядом особенностей^
что связано с большим отрицательным электродным по-
тенциалом цинка. Действие агрессивных сред приводит
к преимущественному растворению цинка и изменению
состава сплава. В таблице 4 даны результаты химиче-
ского анализа разрушенной коррозией латунной трубы.
По условиям службы внешняя поверхность трубы омы-
валась морской водой, а внутри протекало горячее мас-
ло. В результате длительного воздействия морской во-
ды содержание цинка в трубе резко сократилось, а со-
держание меди увеличилось.
Таблица 4
Изменение состава внешнего и внутреннего слоев
разрушенной коррозией латунной трубы
Элементы Содержание, %
во внутреннем слое трубы в разрушенном коррозией внешнем слое трубы
Медь 70,49 97,42
Цинк 28,81 0,69
Свинец 0,21 0,06
Железо 0,08 0,08
Легирование латуни алюминием и железом резко ме-
няет электрохимическую природу латуни. Добавка 1 —
2% этих металлов придает латуни чрезвычайную устой-
чивость против воздействия морской воды. В процессе
окисления латуни, содержащей алюминий, образуется
очень тонкая поверхностная пленка, содержащая оксид
алюминия AI2O3. Эта пленка закрывает все микропоры
и ограничивает доступ к металлу окисляющих химиче-
ских реагентов.
Очень эффективна добавка к латуни небольшого ко-
личества олова. Олово растворяется в латуни и из.ме-
88
няет ее природу таким образом, что на нее не действует
злейший враг цинковых сплавов — морская вода. По-
этому «морские латуни» содержат от 0,7 до 1,5% олова
и небольшие количества алюминия и марганца. Морские
латуни широко употребляют для строительства кораб-
лей. В течение многих лет морскую латунь применяют
для изготовления одной из самых ответственных дета-
лей океанских пароходов — гребных винтов. Гребцые
винты делают около сотни оборотов в минуту и несут
большую знакопеременную нагрузку.
Латунные сплавы отличаются* высокими механиче-
скими свойствами. Присадки к медно-цинковому сплаву
марганца, алюминия и никеля значительно улучшают
свойства латуни. Считается, что каждый процент мар-
ганца в латуни дает прирост прочности в 3 кгс/мм2.
Прочные и коррозионностойкие латуни для литых
деталей имеют предел прочности до 80 кгс/мм2 при удов-
летворительной пластичности. К таким латуням отно-
сят, например, сплав, содержащий 62% меди, 26% цинка,
5,5% алюминия, 3,0% железа, 3,5% марганца. Предел
прочности деформируемых латунных легированных спла-
вов после прокатки достигает 90—105 кгс/мм2. Хорошо
зарекомендовала себя латунь с добавками алюминия и
никеля, имеющая прочность в отожженном состоянии
60—65 кгс/мм2. После холодной деформации прочность
сплава увеличивается до 85 кгс/мм2. Сплав очень ус-
тойчив против окисления при высоких температурах.
Слитки выходят из формы после разливки с чистой бле-
стящей поверхностью, без следов оксидной пленки.
Изделия из этой латуни — трубы, прутки, листы приме-
няют в кораблестроении и других ответственных про-
изводствах.
Вредными примесями, резко снижающими пластич-
ность медных сплавов, являются висмут и свинец. Вис-
мут почти совершенно не растворяется в меди. При
содержании 0,001% висмута в сплаве он выделяется в
свободном виде. Обладая низкой температурой плавле-
ния (217СС), висмут при затвердевании сплава засты-
вает последним и располагается в виде тонких пленок
по границам зерен. При нагревании под горячую прокат-
ку межкристаллические пленки висмута переходят в
жидкое состояние, и при обжатиях сплав дает трещины
и разваливается. При обычных температурах висмут
89
очень хрупок, поэтому сплав с примесью висмута имеет
низкие пластические свойства.
Установлено, что при содержании в сплаве 0,005%
висмута пластические свойства медных сплавов пони-
жаются более чем в два раза. Поэтому в стандартах на
все деформируемые медные сплавы (латунь, бронзы, мед-
но-никелевые сплавы и т. д.) содержание висмута огра-
ничивают до 0,002%. Вредное влияние висмута можно в
известной мере нейтрализовать добавками элементов —
селена, углерода, циркония, образующих с висмутом
высокотемпературные химические соединения:
BiCi —температура образования 1525 °C
В1С14 — » » 1630 °C
Bi„Zrzn — » » 2000 °C
Высокотемпературные химические соединения, свя-
зывающие висмут, формируются в виде округлых вклю-
чений и резко снижают его вредное влияние.
Свинец действует на латунь так же, как и висмут:
низкая температура плавления и ничтожная раствори-
мость вызывают пленочное расположение свинца по
границам зерен. Свинец являлся причиной больших за-
труднений с прокаткой латуни в горячем состоянии. Ре-
шение вопроса оказалось простым. В 1921 г. было освое-
но получение очень чистого электролитического цинка.
Латунь, выплавленная на этом цинке, хорошо прокаты-
валась в горячем состоянии. Оказалось, что латунь оп-
ределенных составов можно деформировать в горячем
состоянии только в том случае, когда содержание свин-
ца в ней не будет превышать 0,03%.
Остановимся еще на одном специфическом свойстве,
присущем сплавам меди с цинком и доставившем много
неприятностей производственникам. Речь идет о спо-
собностях латуни сохранять остаточные упругие на-
пряжения, возникающие при холодной механической об-
работке. С течением времени эти напряжения не исче-
зают и могут вызвать самопроизвольно возникающие
поперечные и продольные трещины. Исследования по-
казали, что для проявления внутренних напряжений и
образования трещин необходим дополнительный им-
пульс. Такйм импульсом может быть влияние агрессив-
ной среды, вызывающей коррозию металла. Установлено,
что саморастрескивание зависит от времени года и явля-
90
ется сезонной болезнью латунных изделий. Большин-
ство случаев образования трещин происходит весной или
осенью и связано с тремя факторами: резкими колеба-
ниями температуры воздуха, что вызывает объемные из-
менения латунных изделий и дополнительные внутрен-
ние напряжения; повышенной влажностью воздуха, уве-
личивающей коррозионную активность атмосферы; за-
грязненностью воды в реках и водоемах и связанной с
этим агрессивностью химических реагентов. Трещины
могут получиться также и при резком одностороннем на-
гревании на штампованных латунных изделиях.
Остаточные внутренние напряжения образуются в
результате того, что различно ориентированные зерна
по-разному воспринимают пластическую деформацию.
Зерна, где ориентация плоскостей совпадает с направ-
лением деформируемых усилий, получают максималь-
ную пластическую деформацию. Менее благоприятно
ориентированные зерна совершают определенный пово-
рот, а неблагоприятно ориентированные могут ограничи-
ваться только упругой деформацией. В результате не-
однородности деформации и возникают остаточные на-
пряжения. Для снятия или уменьшения остаточных упру-
гих напряжений применяют два способа: механический и
термический. Оказывается достаточно относительно сла-
бого механического воздействия, создающего возмож-
ность небольших сдвигов, для того чтобы снять напря-
жения в металле. В недалеком прошлом латунные прут-
ки правили деревянными молотками на деревянной под-
кладке, и этого было достаточно для снятия напряжения.
В настоящее время упругие напряжения снимают на
роликовых, растяжных и других правильных агрегатах.
Установлено, что при правке латунных прутков обжатие
на 1% уменьшает внутренние напряжения с 30 до
]0кгс/мм2. Мелкие штампованные изделия (заклепки
и т. д.) подвергают интенсивному встряхиванию. Обра-
ботка встряхиванием достаточна для уменьшения внут-
ренних напряжений до безопасного предела. Наиболее
реальным средством снятия напряжений является давно
известный метод низкотемпературного отжига (при 200—
300°С). Так была побеждена «сезонная» болезнь латуни.
С каждым годом латунные сплавы завоевывают все
новые и новые области применения. Высокое качество
специальных латуней и большое число сплавов дают воз-
91
можность широкого выбора материалов»для удовлетво-
рения самых разнообразных требований промышленно-
сти и народного хозяйства. Во многих случаях латунис
успехом заменяют оловянистые бронзы, даже при от-
ливке статуй. Высокая прочность и устойчивость против
коррозии делают латунь не менее пригодной в качестве
художественного сплава, чем оловянистые бронзы. По-
явился даже специальный термин—«статуйная латунь».
В состав статуйных латуней входят медь, 25—10% цин-
ка, до 3,0% олова и столько же свинца.
Заканчивая рассказ о медных сплавах, переживаю-
щих в наше время вторую молодость, кратко остановим-
ся на некоторых видах бронз, созданных за последнее
время. К таким бронзам относят сплавы меди с алюми-
нием, бериллием, кадмием. Литые и обрабатываемые
давлением алюминиевые бронзы по некоторым свойст-
вам превосходят оловянистые. Это относится к плотно-
сти отливок, механическим свойствам, сопротивлению
коррозии. Кроме того, алюминиевые бронзы легче по
массе и дешевле. Большое будущее имеют бериллиевые
и кадмиевые бронзы. В особую группу выделили теле-
фонные и другие бронзы с высокими значениями элект-
ропроводности и прочности.
Как видно из изложенного, самые первые сплавы,
созданные человеком много тысячелетий назад, разрос-
лись в огромное семейство, насчитывающее сотни самых
разнообразных сплавов, выполняющих сложные и от-
ветственные задачи в современном производстве.
Часть третья. КРЫЛАТЫЕ СПЛАВЫ
ПЕРВЫЕ ЛЕТАЮЩИЕ СПЛАВЫ
Первыми летающими сплавами были сплавы алю-
миния, позволившие авиации сделать крупный шаг в
совершенствовании конструкций, приведший к резкому
увеличению скоростей, повышению высоты полета и ма-
невренности самолетов.
Алюминий — основа алюминиевых сплавов — отли-
чается редкими достоинствами. Он сочетает небольшую
массу с хорошими механическими свойствами. Плот-
ность алюминия равна 2,7, температура плавления —
658 °C. Алюминий и его сплавы легко подвергаются ме-
ханической обработке: прокатке, волочению, ковке, штам-
повке; хорошо проводят электрический ток и теплоту.
Электропроводность алюминия, в зависимости от чисто-
ты, составляет от 62 до 66% от электропроводности ме-
ди. Алюминий относится к двадцати четырем металлам,
обладающим свойством сверхпроводимости, т. е. свой-
ством полностью терять электросопротивление при тем-
пературах, близких к температуре абсолютного нуля.
Имея большое сродство к кислороду, алюминий на
воздухе быстро утрачивает серебристый блеск, покры-
ваясь очень тонкой оксидной пленкой:
4А1+ЗО2=2А12О3
Эта пленка обладает большой прочностью и надеж-
но защищает алюминий от дальнейшего окисления, обес-
печивая высокую коррозионную стойкость металла. Из-
учение оксидной пленки при больших увеличениях по-
казало, что пленка не имеет пор и разрывов — этим и
объясняется ее высокая защитная способность. Однако
даже при наличии оксидной пленки алюминий остается
93
красивым белым, серебристым металлом с высокой от-
ражательной способностью света.
Сочетание таких свойств, как небольшая плотность,
высокая электропроводность и теплопроводность, меха-
ническая прочность, высокая коррозионная стойкость,
обеспечили сплавам алюминия широкое распростране-
ние в различных отраслях народного хозяйства, и в пер-
вую очередь в авиастроении.
Как и все другие промышленные металлы, чистый
алюминий применяют редко, только там, где нужно ис-
пользовать такие его свойства, как электропроводность
и теплопроводность. Во всех же других случаях приме-
няют не чистый алюминий, а его сплавы.
Алюминий, являясь основой большой семьи алюми-
ниевых сплавов, передает сплавам свои качества, в свою
очередь принимая ценные свойства легирующего ме-
талла. Например, прочность алюминиевых сплавов по
сравнению с чистым алюминием возрастает в несколько
раз, а пластичность и коррозионная устойчивость почти
не изменяются. Поэтому, прежде чем продолжить рас-
сказ об алюминиевых сплавах и их свойствах, остано-
вимся на некоторых вопросах, касающихся непосредст-
венно алюминия.
Алюминий вследствие высокой химической активно-
сти встречается только в связанном виде, самородного
алюминия не бывает. Алюминий — самый распростра-
ненный в природе металл. Различные формы его соеди-
нения занимают 7,45% массы земной коры, а вместе с
кислородом и кремнием—82,5%. По данным академика
А. Е. Ферсмана, насчитывается более 250 минералов, со-
держащих алюминий: алюмосиликаты, корунды, бокси-
ты, алуниты, глины и т. д.
В числе алюминиевых соединений имеются не только
обыкновенные глины, но и драгоценные камни. Красный
рубин и синий сапфир — это не что иное, как прозрач-
ные корунды (А120з), окрашенные следами оксидов дру-
гих металлов. Темно-красные гранаты представляют со-
бой кристаллы железистого алюмосиликата, темно-си-
ний лазоревый камень — сульфосиликат алюминия, го-
лубая бирюза — алюмосиликат меди и т. д.
Впервые свободный алюминий был выделен датским
физиком Гансом Эрстетом в 1825 г. Он получил неболь-
шое количество алюминия, «по цвету и блеску похожего
94
на олово». В конце восьмидесятых годов прошлого сто-
летия химические способы получения алюминия были
вытеснены более производительными электролитически-
ми способами, завоевавшими всеобщее признание. Ис-
тория большого алюминия поэтому и считается с 1890 г.,
когда электролизный способ позволил развернуть мас-
совое производство алюминия.
Мы выяснили, что алюминий имеет довольно высо-
кие механические свойства, хорошо сопротивляется кор-
розии и в три раза легче железа. Значит, нужно состав-
лять сплавы таким образом, чтобы, сохранив хорошие
свойства алюминия, повысить те из них, которые нас
интересуют. Прежде всего это касается прочности. Мож-
но ли составить такой сплав, который был бы прочнее
алюминия не менее чем в два раза, при сохранении
хорошей пластичности, коррозионной стойкости и не-
большой плотности? А может быть, добавки других ме-
таллов повысят длительную прочность сплава при вы-
соких температурах, придадут сплаву свойства тепло-
устойчивости или жаропрочности? На эти вопросы уже
получен утвердительный ответ. Многого можно достиг-
нуть, составляя сплавы в нужном направлении, усили-
вая какое-нибудь одно свойство без заметного ущерба
для других. Можно, например, составить сплав со значи-
тельно более низкой температурой плавления, чем алю-
миний, с очень малой усадкой при переходе из жидкого
состояния в твердое, что очень важно для литейных алю-
миниевых сплавов.
Сплавы алюминия широко используют в различных
областях народного хозяйства, особенно при конструиро-
вании летательных аппаратов.
В действующие Государственные стандарты СССР
входят шестьдесят шесть различных марок деформируе-
мых сплавов и двадцать семь марок литейных сплавов
алюминия — всего около ста сплавов.
В группу деформируемых сплавов входят сплавы алю-
миния с медью, магнием, марганцем и кремнием, с ко-
торыми алюминий дает химические соединения: СпА12,
Mg2Al3, MgAl7. С кремнием алюминий образует твер-
дый раствор. В связи с тем что в сплав алюминия с
кремнием, как правило, входит магний, образующий хи-
мическое соединение с кремнием, в результате получа-
ется сплав алюминия с химическим соединением Mg2Si.
95
Таким образом, практически получают сплавы алюми-
ния не с чистыми, металлами, а с химическими соедине-
ниями алюминия с медью, магнием, кремнием. Химиче-
ские соединения придают большую твердость алюминие-
вым сплавам. Это первая характерная особенность
алюминиевых сплавов. Вторая особенность — ограничен-
ная растворимость химических соединений в алюминии,
причем эта растворимость уменьшается с понижением
температуры. В сплавах алюминий — медь раствори-
мость понижается с 5,65 до 0,5%'; алюминий — крем-
ний-с 1,65 до 0,1%; алюминий — магний — с 15,0 до
2,95%; алюминий — марганец —с 0,65 до 0,1% и алю-
миний— химическое соединение Mg2Si — с 1,8 до 0,3%.
Эго означает, что все перечисленные сплавы обладают
способностью принимать термическую обработку, так
называемое «старение». •
Старение значительно упрочняет алюминиевые спла-
вы без понижения их пластических свойств. Так, если
сплав высокой прочности, например дуралюминий, имею-
щий в составе: меди—3,6—4,7%, марганца—0,3—0,9%,
магния—1,25—1,75% и кремния — до 0,6%, до закалки
имел предел прочности около 25 кгс/мм2 и удлинение
10—15%, то после закалки и старения предел прочности
повысился до 44—47 кгс/мм2 (почти в два раза), а уд-
линение осталось почти на прежнем уровне.
Непосредственно после закалки прочностные свойст-
ва составляют 28—30 кгс/мм2, т. е. незначительно выше
свойств отожженного сплава. Однако с течением време-
ни даже при комнатной температуре свойства закален-
ного сплава сильно изменяются. Причем изменение
свойств начинается не сразу после закалки, а примерно
через 2—3 ч. Этот период времени называют подгото-
вительным, инкубационным.
При инкубационном периоде в сплаве происходят
изменения в масштабах, соразмерных с величиной
кристаллической решетки, своеобразная подготовка к
качественным, фиксируемым приборами изменениям.
Поэтому в инкубационный период не наблюдается
никаких изменений в структуре сплава. В последую-
щие 10—15 ч прочность сплава резко возрастает,
достигая 40—45 кгс/мм2. Дальнейшее содержание
при комнатной температуре дает медленный и неболь-
шой прирост прочностных свойств.
96
В чем причина столь значительного повышения
свойств, сплава? На этот вопрос долгое время не было
ясного ответа. Упрочнение в процессе старения легче
всего объяснить распадом пересыщенного раствора и
выделением из пего дисперсных частиц новой фазы. Од-
нако экспериментальные данные не подтверждали этой
теории. Во-первых, под микроскопом даже при очень
больших увеличениях (до 1200 раз) не удавалось найти
частицы новой фазы. Во-вторых, при распаде твердого
раствора по закону Н. С. Курнакова электросопротив-
ление должно падать, а здесь оно росло вместе с рос-
том прочностных свойств. Исследования последних лет
с применением электронного микроскопа решили, нако-
нец, эту проблему. При увеличении в 30 тыс. раз были
обнаружены ультрамикроскопические выделения новой
фазы, частицы которой образуют своеобразную сетку.
Очевидно, выделение новой фазы происходит по грани-
це блоков кристаллической структуры, объединяющих
решетки с одинаковой ориентировкой. При этом части-
цы новой фазы настолько дисперсны, масса их так нич-
тожна, что приборы не отмечают уменьшения степени
пересыщенности твердого раствора.
Повышение электросопротивления происходит по
двум причинам. Во-первых, потому, что количественный
распад твердого раствора настолько незначителен, что
не отражается на электросопротивлении, а во-вторых, и
главным образом, выделение ультрадисперсных частиц
новой фазы вызывает искажение кристаллической ре-
шетки и, как следствие, повышает электросопротивле-
ние.
А что если закаленный сплав нагревать до различ-
ных температур или, наоборот, охлаждать до минусовых
температур, то как изменится при этом процесс старе-
ния? Можно заранее сказать, что при повышении тем-
пературы отпуска старение будет происходить более
активно и займет тем меньше времени, чем выше темпе-
ратура нагревания. А при охлаждении до минусовых
температур время старения, очевидно, будет увеличи-
ваться. Результаты экспериментов показаны на рисун-
ке 30. Из приведенных кривых следует, что при выдерж-
ке в семь суток при температуре —50 °C закаленный
сплав не изменил своих прочностных свойств. При —5 °C
максимальная прочность в соответствии с продолжи-
7 Заказ № 3492
97
тельностыо выдержки будет медленно увеличиваться и
через семь суток достигнет 60% от максимального уве-
личения прочности при оптимальных режимах старения.
При нагревании на 100, 150 и 200°C интенсивность про-
цесса старения возрастает, но максимальное значение
прочности несколько уменьшается. Причем дальнейшая
выдержка приводит к заметному уменьшению прочности.
Рис. 30. Влияние старения дуралюминия на предел прочно-
сти при различных темпе/атурах:
/—+20 ®С; 2 —+100 °C; 3 — +150 °C; 4-+200 °C; 5-5 °C; 6 —-50 °C.
Искусственное старение не вызывает никакого сом-
нения в сущности происходящего в сплаве процесса.
Повышение прочности связано с выделением ультрами-
кроскопических включений новой фазы и искажением
кристаллической решетки. Увеличение выдержки при
повышенных температурах вызывает укрупнение, коагу-
ляцию частиц, включения, что снижает прочность. Но-
вую фазу удается наблюдать под микроскопом только
после старения сплава при 200°C или же длительной
выдержки при температурах немного ниже 200 °C. Но
при таких режимах прочность резко падает. Наиболь-
шую прочность 42—-45 кгс/мм2 получают при естест-
венном старении при комнатной температуре с выдерж-
кой 70 ч.
98
Алюминиево-медные сплавы обладают еще одним ин-
тересным свойством—«возвратом». Если «состаривший-
ся» при комнатной температуре сплав снова нагреть на
200—230 °C, то после охлаждения его свойства будут
такими же, какими они были непосредственно после за-
калки. Его можно опять состарить и снова снять ста-
рение при помощи кратковременного нагревания. Эту
операцию можно повторять много раз и каждый раз по-
лучать одни и те же результаты. Свойства неизменно
восстанавливаются вновь, вот почему эта операция тер-
мической обработки и названа возвратом. Единствен-
ным условием возврата является кратковременность вы-
держки. Она должна быть такой, чтобы обеспечить пе-
реход в раствор высокодисперсной фазы, выделившей-
ся при старении, но не дать образоваться более круп-
ным частицам новой фазы. Старение должно протекать
при комнатной температуре. Искусственное старение при
повышенных температурах не дает полного возврата.
Исследования, проведенные за последние годы, уста-
новили большое влияние на процесс старения напря-
жений и деформации сплавов. Оказалось, что для спла-
вов алюминий — медь, алюминий — кремний, алюми-
ний— магний напряжения и деформация уже при ком-
натной температуре и краткой выдержке вызывают ста-
рение, в то время как у недеформированных сплавов
процесс старения за это время не проявляется. Очевид-
но, искажения кристаллического строения на границах
и внутри реальных кристаллов способствуют выделению
в этих местах мельчайших частиц новой фазы.
Рассмотрим наиболее характерные алюминиевые
сплавы. Деформируемые алюминиевые сплавы различа-
ют по сочетанию прочностных и пластических свойств на
сплавы низкой, средней и высокой прочности. Сплавы
низкой прочности обладают относительно невысоким пре-
делом прочности (15—25 кгс/мм2) и высокой пластич-
ностью. Их применяют при изготовлении изделий штам-
повкой в холодном состоянии. В составе таких сплавов
2—3% магния, 0,15—1,6% марганца и до 0,6% крем-
ния. В самых пластичных марках сплава магний отсут-
ствует.
Представитель сплавов средней прочности—сплав
«авиль». Это сплав сложной композиции. В состав его,
кроме алюминия, входят: медь — не более 0,6%, маг-
99
ний —0,45—0,80%', марганец —0,15—0,35%, кремний —
0,6—1,2%, железо — не более 0,6%. Прочность сплаву
придает магний и кремний, образующие химическое
соединение Mg2Si. При старении прочностные свойства
сплава за счет выпадения из пересыщенного раствора
мельчайших частиц Mg2Si повышаются с 10—13 до 28—
30 кгс/мм2. Пластичность при этом несколько снижа-
ется, но остается достаточно высокой. Сплав авиль, как
следует из самого названия, находил и находит большое
применение в авиационной промышленности. В отож-
женном состоянии он имеет высокую пластичность и
применяется для деталей, изготовленных гибкой и хо-
лодной штамповкой. Ответственные детали после штам-
повки и гибки подвергают термической обработке. Из
сплавов средней прочности изготовляют листы и тру-
бы, предназначенные для гибки, трубы для бензино- и
. маслопроводов, различные ответственные штампован-
ные детали. В сплав авиль, применяемый в производстве
деталей методом горячей штамповки, для получения бо-
лее мелкого зерна добавляют до 0,2% хрома. хЧарганец
добавляют для увеличения антикоррозийных свойств
сплава.
Представителем сплавов высокой прочности являют-
ся сплавы типа дуралюминия. Дуралюминий был полу-
чен в 1909 г. и имел состав: 3,4—4,0% меди, 0,5% маг-
ния, 0,5% марганца, остальное — алюминий. При не-
большой плотности (2,85) дуралюминий после терми-
ческой обработки по своим механическим свойствам при-
ближается к мягкой стали. Дуралюминий был и оста-
ется основным летающим сплавом, из него выполняют
значительную часть деталей самолетов и вертолетов.
Следует отметить, что первые советские спутники Зем-
ли были изготовлены из легких алюминиевых сплавов.
Для придания алюминиевому сплаву теплостойкости
добавляют 1,0—2,3% никеля. Теплоустойчивые алюми-
ниевые сплавы сохраняют или мало понижают прочность
и твердость при длительной работе при повышенных
температурах (180—250°C). В таком режиме работают,
например, поршни цилиндров двигателей. В состав теп-
лоустойчивых сплавов входят от 2,0 до 4,0% меди, до
1,8% магния, 1,0—2,5% никеля, 0,7—1,2% кремния, до
1,5% железа, 0,05—0,12% титана, остальное — алюми-
ний. Никель приостанавливает распад твердого раство-
100 ‘
ра и задерживает отпуск сплава при работе поршней при
повышенных температурах. За счет уменьшения коли-
чества меди введены магний и кремний, что обеспечи-
вает эффективное упрочнение при старении сплава. Для
предотвращения роста зерен введены железо и титан.
Большое число крупных и сложных по конфигурации
ответственных деталей получают методом отливки. От-
ливка деталей из легких алюминиевых сплавов состав-
ляет обширную отрасль производства. К сплавам, от-
ливаемым в форму, кроме требований соответствующих
механических свойств, предъявляют обязательное усло-
вие— хорошее заполнение формы во время заливки и
минимальная усадка при затвердевании.
Алюминиевые литейные сплавы, обладающие хоро-
шей жидкотекучестью и малой усадкой, содержат в ос-
новном алюминий/ а остальное падает на медь—8—
14%, кремний—6—13%, магний —до 2%. Особой славой
пользуется литейный сплав «силумин». Силумин полу-
чен в 1920 г. Этот сплав алюминия с кремнием (12—
13%) обладает хорошими литейными свойствами и еще
меньшей, чем алюминий, плотностью (2,6). В состав си-
лумина, кроме кремния, входят небольшие добавки маг-
ния, марганца, кобальта или хрома. Магний добавляют
для повышения прочности при термообработке, марга-
нец, кобальт или хром—для уменьшения вредного влия-
ния железа. Железо — нежелательная примесь в алю-
миниевых сплавах: оно образует с алюминием химиче-
ское соединение FeAl3, которое выделяется в виде длин-
ных игл, снижающих вязкость сплава. С примесями
железа в алюминиевых сплавах трудно бороться, поэтому
их стараются обезвредить. Добавка к силумину марган-
ца придает железистым соединениям округлую форму
и снижает вредное влияние железа. Добавка к силуми-
ну хрома или кобальта до 0,3—0,5% дает лучшие ре-
зультаты.
Силумин имеет прочность 20—23 кгс/мм2 при удов-
летворительной вязкости. По благоприятному сочетанию
прочности и вязкости силумин приближается к дефор-
мируемым сплавам. Хорошие механические свойства си-
лумин приобретает благодаря особой обработке — мо-
дифицированию. Без модифицирования структура силу-
мина получается очень грубой и крупнозернистой', ме-
ханические свойства, в особенности пластичность, низ-
101
кие. Процесс модифицирования заключается во введении
в сплав перед заливкой в форму при температуре 760—
780 °C металлического натрия в количестве до 0,1 % с
последующим выстаиванием сплава в течение 10 мин.
Предполагают, что мельчайшие частицы натрия служат
дополнительными центрами кристаллизации, обеспечи-
вая мелкозернистость и однородность сплава.
Высокая коррозионная стойкость алюминиевых спла-
вов делает их незаменимым материалом для химиче-
ского машиностроения, например при изготовлении ап-
паратуры для производства кислот, пищевых продук-
тов и органических веществ. Все большее значение алю-
миниевые сплавы приобретают в жилищном строитель-
стве (оконные переплеты, кровля и др.), при сооруже-
нии мостов и многих сложных конструкций. Сплавы
алюминия применяют в ядерной энергетике и производ-
стве полупроводников. Алюминий, сам не будучи полу-
проводником, образует с другими элементами ряд полу-
проводниковых соединений. Соединение AlSb обладает
свойством преобразовывать лучистую энергию в элект-
рическую и представляет интерес для изготовления сол-
нечных батарей. Широко используют алюминиевые спла-
вы для производства предметов народного потребления:
посуды, мебели, художественных изделий.
Из этого далеко не полного перечня создается пред-
ставление о распространенности и широте использова-
ния почти во всех отраслях народного хозяйства алю-
миния и его сплавов.
Летающими являются также и магниевые сплавы.
Магний — младший брат алюминия. Плотность магние-
вых сплавов, как правило, не превышает 1,85—1,90, что
в четыре раза легче стали и в полтора раза легче алю-
миниевых сплавов. Но в отличие от алюминия магний и
его сплавы не обладают коррозионной устойчивостью.
Изделия из сплавов магния покрывают красками, лака-
ми или защитными пленками. Без этих покрытий или
при нарушении целостности защитной пленки или окрас-
ки детали из магниевых сплавов быстро коррозируют
и выходят из строя. Другим существенным недостатком
по сравнению со сплавами алюминия является недоста-
точная пластичность магниевых сплавов и сравнительно
невысокая прочность. Магний и его сплавы в связи с
большой химической активностью магния являются ог-
102
неопасным материалом (мелкая стружка легко загора-
ется и горит белым ослепительным пламенем).
Особенность сплавов на основе магния — их малая
плотность. Главной присадкой магниевых сплавов яв-
ляется алюминий (3—11%), марганец, цинк. Марганец
добавляют для придания сплавам большей коррози-
онной устойчивости, цинк — для увеличения эффекта
термической обработки. Структурными составляющи-
ми магниево-алюминиевых сплавов являются очень хруп-
кое химическое соединение Mg3Al2 и твердый раствор
алюминия в магнии. При застывании сплава это хими-
ческое соединение, а также и другие примеси выделя-
ются по границам зерен сплошной сеткой и сильно по-
нижают пластичность сплава.
Магниевые сплавы, так же как и алюминиевые, де-
лят на литейные и деформируемые. Литейные сплавы
употребляют для фасонных отливок. В их состав входят:
7,5—9,3% алюминия, 0,2—0,8% цинка, 0,15—0,5% мар-
ганца. Литейные сплавы подвергают термической обра-
ботке закалке и отпуску (старению). Особенностью тер-
мической обработки литых сплавов является очень боль-
шая выдержка при температуре закалки. Отлитые дета-
ли выдерживаются при 400—410°C не менее 16 ч. Такая
длительная выдержка объясняется медленным раство-
рением и переходом в твердый раствор химического
соединения Mg3AI2. Полное устранение сетки вокруг зе-
рен литого сплава значительно повышает его прочност-
ные и пластические свойства. Если после отливки сплав
имеет прочность 15 кас/лг.и2, то после закалки прочность
повышается до 21 кгс/мм2. Удлинение соответственно то-
же увеличивается с 2 до 4%.
Отпуск сплава производят при температуре 125 °C
выдержкой не менее 16 ч. При этом происходит выпа-
дение из пересыщенного твердого раствора мельчайших
частиц химического соединения Mg3Al2. В результате
старения прочность повышается незначительно (с 21 до
22 кгс/мм2), заметно повышается твердость (с 50 до
60 единиц), а пластические свойства падают (удлинение
понижается с 4 снова до 2%). Отпуск литых деталей
сложной конструкции преследует еще одну цель —ста-
билизацию объемного состояния сплава, в результате
чего дольше сохраняется форма деталей во время экс-
плуатации.
юз
Деформируемые магниевые сплавы используют для
производства листов, прутков, поковок и штампованных
изделий. В химическом составе сплавов, предназначен-
ных для деформирования, уменьшено содержание алю-
миния, несколько увеличено содержание марганца и
цинка и введена небольшая добавка кремния (0,3%).
Для листов и прутков, например, содержание марганца
увеличено до 1,3—2,5%; для поковок и штамповки до-
бавляют не более 5,5—7,0% алюминия. Изменение со-
держания алюминия связано с количеством в сплаве
соединения MgsAl2. Практика показала, что при обра-
зовании из этого вещества сплошной сетки вокруг зерен
сплава при прокатке слиток под влиянием усилий может
развалиться. Поэтому сплавы, предназначенные для про-
катки, содержат меньше алюминия. При ковке хрупкая
сетка дробится, ориентировка зерен не имеет односто-
роннего направления, как при прокатке, поэтому меха-
нические свойства кованых изделий лучше, чем катаных.
У таких изделий предел прочности равен 26—27 кгс/мм2,
а удлинение—8%. Деформируемые сплавы магния в
результате термической обработки не улучшают меха-
нические свойства. Это объясняется тем, что дробление
хрупкой сетки происходит уже в результате ковки или
прокатки, и ничего другого термическая обработка дать
не может.
Области применения магниевых сплавов в современ-
ной технике определяются прежде всего их плотностью:
детали из сплавов магния имеют еще меньшую массу,
чем из сплавов алюминия. Из легких магниевых спла-
вов изготовляют различные части и узлы самолетов, вер-
толетов и т. д. Изготовление из этих сплавов вагонов,
трамваев,- автомобилей сократит эксплуатационные рас-
ходы и уменьшит изнашиваемость пути при одновре-
менном повышении-скорости движения. Прочные маг-
ниевые сплавы незаменимы в центрифугах, в вибраци-
онных механизмах и других аппаратах, где. детали со-
вершают быстрое вращательное или возвратно-поступа-
тельное движение. Благодаря небольшой массе при бы-
стром движении в деталях из магниевых сплавов воз-
никают относительно небольшие напряжения и увели-
чивается срок их службы. Магниевые сплавы применя-
ют в точном приборостроении, в производстве бытовых
товаров и предметов широкого потребления.
104
В настоящее время магниевые сплавы переживают
вторую молодость. Это связано с успехами металлургов
в последние годы по освоению новых металлов. Новые
сплавы магния с этими металлами имеют значительно
более высокие показатели механических и коррозионных
свойств, а также свойств теплоустойчивости и жаропроч-
ности. Магниевые сплавы с цирконием, торием могут
быть использованы в неизмеримо большем масштабе в
Рис. 31. Влияние добавок магния на форму гра-
фитных выделений:
/ — без добавки магния; 2 — недостаточная добавка;
3 — оптимальная добавка.
авиастроении и приборостроении, чем известные нам
классические сплавы с алюминием, марганцем и цинком.
Например, литейный сплав магния, содержащий 3% то-
рия, 2% цинка и 0,7% циркония, имеет высокие меха-
нические свойства и сохраняет их при температурах до
350 °C. Сплавы магния с ниобием, бериллием, кальци-
ем, литием и другими металлами на 20—30% легче алю-
миниевых, что и предопределяет эффективность их при-
менения прежде всего как летающих сплавов.
Все чаще применяют магний как присадку в железо-
углеродистые сплавы—-чугуны. Добавка 0,10—0,15%
магния в чугун способствует выделению графита не в
виде лепестков и пластин, а в виде округлых сферои-
дальных включений, что значительно повышает меха-
105
нические свойства сплава (рис. 31). Магниевый высо-
копрочный чугун может заменять сталь.
Таков далеко не полный перечень профессий летаю-
щих сплавов.
СПЛАВЫ НАСТОЯЩЕГО И БУДУЩЕГО
Сплавами настоящего и будущего называют сплавы
на основе титана. Это те сплавы, которые разрешили в
авиации проблему преодоления теплового барьера. За
очень короткий срок, буквально в несколько лет, тита-
новые сплавы превратились в незаменимые материалы
в авиастроении. Огромные скорости в воздухе и космо-
се невозможны без титановых сплавов. Эти сплавы сов-
мещают в себе такие великолепные качества, как не-
большая масса, высокая прочность и пластичность, жа-
ростойкость и сопротивление коррозии. Титановым спла
вам под силу то, с чем не могут справиться другие спла-
вы, включая и легированные стали. Однако авиационная
специальность не единственная у титановых сплавов. За
короткое время сплавы получили широкое применение
в качестве жаростойких, хладостойких и коррозионно
устойчивых материалов.
Стремительные темпы роста титановой промышлен-
ности продолжаются и в настоящее время. Производ-
ство титана в капиталистических странах в 1947 г. со-
ставляло 2 tn, в 1949 г. — 23 ш, в 1957 г. оно увеличилось
до 20 тыс. tn, а к 1960 г. достигло около 200 тыс. tn.
Титаном назвали металл, открытый в 1790 г. в ла-
боратории английского ученого В. Грегора. Пять лет
металл не имел имени, только в 1795 г. известный не-
мецкий химик М. Клапрот дал ему имя титан, заим-
ствованное из мифологии.
Древняя легенда рассказывает, что отцом Титана
был Уран — бог веба, а матерью его — богиня Земли
Гея. Шесть сыновей и шесть дочерей, могучих грозных
титанов, было у Урана и Геи. Младший из титанов,
Крон, низверг своего отца Урана и отнял у него власть.
Но недолго царствовал Крон. Вырос и возмужал бог
Зевс. Он объединил вокруг себя всех богов Олимпа и
восстал против Крона. Завязалась кровавая битва за
власть. Длительна и ужасна была эта борьба. Огонь
106
бушевал на Земле, кипели моря, дым и смрад запол-
нили все кругом. Под напором сторуких великанов, вы-
званных Зевсом из недр Земли, дрогнули мощные ти-
таны. Их сила была сломлена. Олимпийцы сковали ти-
танов и низвергли в мрачный Тартар.
Такова поэтическая повесть о титанах, сложенная
народом Греции. Эта красивая легенда таит глубокую
народную мудрость. Титаны не боги, хотя родились они
от бога неба и богини Земли. Они восстали против
богов, вели с ними тяжелую войну и только участие
сторуких великанов решило исход боя в пользу богов.
В мрачных подземельях, скованные по рукам и ногам,
окруженные железной стеной и тройным слоем мрака,
живут титаны. Но не угасла их любовь к свободе. Ждут
они своего часа, чтобы снова помериться силами с бо-
гами и свергнуть их власть над Землей и людьми. Жива
в народе память о подвигах титанов, о их героических
битвах. Титан — это герой, могучий и самоотверженный.
Понятие «титанический» связывают с понятиехМ «герои-
ческий».
Имя нового металла оказалось пророческим и как
нельзя лучше соответствующим его необычным свойст-
вам. Титан составляет 0,6% от массы земной коры. Все
пески, глины, пыль, горные кристаллические породы со-
держат соединения титана. По распространенности сре-
ди элементов земной коры титан занимает первое место,
а среди металлов — четвертое, уступая только алюми-
нию, железу и магнию. По количественным запасам ти-
тан превосходит такие распространенные металлы, как
медь, цинк, свинец. На Урале, недалеко от города Зла-
тоуста, есть Ильменский заповедник. В его горах най-
дены залежи минерала, содержащего титан. Минерал
назвали ильменитом, и это название принято как меж-
дународное. Титан обнаружен на Солнце и в составе
звездных атмосфер. Большое количество титановых сое-
динений найдено в лунной почве. В небесных телах сое-
динений титана по сравнению с другими элементами
значительно больше, чем на Земле. Как мифологиче-
ские титаны были заключены в подземную тюрьму, так
и титан 150 лет после его открытия пролежал в земле
без движения. Только в пятидесятых годах в связи с
развитием авиации и летательных снарядов добыча ти-
тана начала развиваться быстрыми темпами.
107
Чистый титан химически очень активен, поэтому из-
влечение титана из руд представляет большие трудности.
В природе насчитывают около семидесяти минералов,
в которых находятся соединения титана, но промышлен-
ное значение имеют только некоторые из них. В 1940 г.
в небольшом западноевропейском государстве Люксем-
бург по заданию немецкой фирмы «Сименс и Гальске»
инженером Кроллем был разработан и запатентован ме-
тод промышленного производства титана. После второй
мировой войны инженер Кролль выехал в .Америку и
стал сотрудником Горного бюро США. В 1947 г. Горным
бюро были получены первые тонны титана. С этих лет
и начинается его промышленное производство.
Промышленное производство титана очень сложно и
состоит из целого ряда операций (рис. 32), в результате
которых получают титановую губку, пористую и непри-
годную для применения массу неприглядного серого цве-
та. Губку плавят в электрических печах в вакууме или
в защитной атмосфере нейтральных газов: аргона или
гелия. Для получения большей чистоты и однородности
металла применяют двойной переплав в электропечах.
Печи для выплавки титана значительно отличаются от
обычных плавильных печей. Сама печь помещается в
шахте из железобетона. Оператор, ведущий плавку, на-
ходится в железобетонном отсеке и управляет ходом
плавки при помощи контрольных приборов и механиз-
мов. Наблюдение за печью возможно через закрытое
толстым стеклом окно или через перископические уст-
ройства. Такие меры предосторожности вызваны чрез-
вычайной химической активностью титана, могущей при-
вести к взрыву.
Титан — тугоплавкий металл. Температура плавле-
ния титана (1665 °C) несколько выше температуры плав-
ления железа (1540 °C) и в два с половиной раза выше
температуры плавления алюминия (660°C). Температу-
ра плавления титана была определена спустя 120 лет
после его открытия американским химиком М. Ханте-
ром (1910), искавшим новые тугоплавкие металлы для
нитей накаливания электрических лампочек. Ученые то-
го времени предполагали, что чистый титан должен пла-
виться при очень высокой температуре, порядка 6000 °C.'
Каково же было их разочарование, когда они устано-
вили истинную температуру плавления титана. По плот-
108
Песок
Флотация
Рутил
возврат.клори-
да титана (S)
Хлор
(V
• I
Подогрей
Надое
Кокс
Пары хлорида
титана (ff)
Пустая
порода
Магнии
н2о
Хлорид»
нагни*
Жиднии
хлорид титан a (Q)
Злентроли^
тические ванны
ТТ!
ОООО ООО
о’о'о’о'о^о’о
*>о’оо'о’ оо’о
Конденсатор
Губчатый
титан
Гудко
Измельченная
гудка
«а»
Подогрев
насоь
Дуговая
печь
Компактней
пластичный
титан
Рис. 32. Технологическая схема получения металлического
титана из руд.
кости титан относят к группе легких металлов. Его
плотность — 4,5; он почти в два раза легче железа (7,8),
но значительно тяжелее алюминия (2,7). Титан —пло-
хой проводник электричества. Если электропроводность
меди принять за 100%, то электропроводность титана
составит всего 3,1%, нержавеющей стали—3,5%.
Титан и его сплавы очень пластичны, легко подда-
ются горячей и холодной деформации. Из них прокаты-
вают листы, трубы, сортовые профили, тянут проволо-
ку, подвергают прессованию и глубокой вытяжке для
получения фасонных деталей. Пластичность металлов
связывают с параметрами кристаллической решетки.
Параметры гексагональной решетки характеризуются
осевым числом, т. е. отношением высоты решетки к ее
стороне. Установлено, что подобного типа решетка, со-
ставленная из идеально круглых шаров, имела бы от-
ношение сторон, равное 1,63. Практика показала, что
если величина отношения сторон меньше идеального
значения, то металл отличается повышенной пластич-
ностью, если больше,' то металл хрупкий. Гексагональ-
ная решетка титана имеет осевое число, равное 1,58, что
указывает на его высокие пластические свойства. Тита-
новые сплавы хорошо свариваются. Институт электро-
сварки им. Патона разработал несколько способов свар-
ки титана и его сплавов, в том числе и автоматическую
сварку.
Даже это краткое перечисление показывает, какими
чудесными свойствами наделила титан природа. Прак-
тика работы с титановыми сплавами полностью оправ-
дала надежды металлургов. Разработанные ими сплавы
показали высокие специальные свойства и нашли широ-
кое применение в различных отраслях новой техники.
Свойства сплавов, как известно, зависят от особен-
ностей их структуры. Все промышленные титановые
сплавы по типу структуры являются твердыми раство-
рами на основе одной из аллотропических модификаций
титана. Легирующие добавки и примеси могут образо-
вывать с титаном два типа твердых растворов. Такие
элементы, как углерод, азот, кислород, бор и водород,
образуют растворы внедрения (рис. 11). Атомы этих
элементов внедряются в решетку титана. Установлено,
что элементы, образующие с титаном растворы внедре-
ния, повышают его прочность, ио за счет значительного
110
снижения пластичности. Для повышения прочности ти-
тана с сохранением необходимой пластичности приме-
няют легирование такими
замещают атомы титана в
ются между ними, т. е.
образуют твердые раство-
ры замещения. К таким
элементам относят марга-
нец, алюминий, хром, же-
лезо, олово, ванадий и мо-
либден. Эти элементы
значительно упрочняют
титан, причем несколько
уменьшается пластич-
ность, но не в такой сте-
пени, как при легирова-
нии элементами, обра-
зующими растворы внед-
рения.
В основу классифика-
ции титановых сплавов
положено деление их на
три группы по типу струк-
туры: а-сплавы, р-спла-
вы, двухфазные (а+р)-
сплавы. За последние го-
ды все более широкое
распространение получа-
ют сплавы на основе
a-фазы, содержащие не-
большое количество р-фа-
зы. Такие сплавы пла-
элементами, атомы которых
его решетке, а не размеща-
Рис. 33. Структура сплава титана
с алюминием (16%), молибденом
и цирконием:
а «фаза (увеличено в 200 раз).
Рис. 34. Структура сплава титана
с алюминием (30%), молибденом
и цирконием:
3 фаза (увеличено в 200 раз).
стичны, а небольшое ко-
личество p-фазы заметно
улучшает их прочност-
ные свойства. Наряду с
а-сплавами применяют
сплавы на основе p-фазы, упрочняемые закалкой и ста-
рением. Когда требуется определенное сочетание свойств,
наибольший эффект дают двухфазные сплавы. Проч-
ность промышленных сплавов двухфазного типа может
быть повышена термической обработкой на 50—100% по
сравнению с отожженным состоянием сплава. На рисун-
Ш
Рис. 35. Структура сплава титана
с алюминием (6%), молибденом
и цирконием:
(а-{-₽)-фаза (увеличено в 200 раз).
ках 33, 34, 35 показаны микроструктуры сплавов титана
с а-, р- и (а+Р)-модификацией.
Большое распространение в различных отраслях тех-
ники получили титановые высокопрочные сплавы. Пре-
дел прочности сплавов ти-
тана может быть различ-
ным и в зависимости от
чистоты металла и леги-
рующих добавок дости-
гать 160 кгс/мм2, что зна-
чительно выше прочности
стали. Сплавы титана
значительно тверже алю- .
миниевых и по твердости
приближаются к легиро-
ванным сталям. В табли-
це 5 приведены сравни-
тельные данные по проч-
ности и пластичности не-
которых сплавов легких
металлов и стали, из которых наглядно видны преиму-
щества титановых сплавов.
Таблица 5
Механические свойства сплавов
Вид сплава Состав сплава Прочность, кгс1мм* Пластичность (удлинение).
Титановые сплавы Титан+алюминий 66 28
Титан+алюминий-Ьвана- дий 112 18
Титан+циркоиий 4- алю- миний-Ьолово 4-молиб- ден 160 2-5
Стали Углеродистая 101 20
Нержавеющая 62 61
Алюминиевый сплав (дуралюминий) Алюминий 4- магний 4- 4- медь 4- марганец-Ь 4-кремний 45 15
Магниевый сплав Магний 4- алюминий + 4-цинк4-марганец 22 2
112
Конструкционный материал, кроме прочности и пла-
стичности, должен еще обладать запасом вязкости, т. е.
сопротивлением удару, и высоким пределом текучести.
Предел текучести показывает нагрузку, при которой ма-
териал еще не разрушается, но уже вытягивается, на-
чинает деформироваться, как говорят металлурги, ме-
талл «течет». Поэтому для ответственных конструкций
материалы испытывают не только на прочность, но и на
удар и на предел текучести. Для сравнения материалов
различной плотности берут не абсолютное значение пре-
дела текучести, а по отношению к плотности. Таким об-
разом, получаются сравнимые характеристики для спла-
вов разной плотности. Понятно, что для конструкции са-
молетов, где борьба идет за каждый килограмм, харак-
теристика удельного предела текучести имеет особое зна-
чение. При комнатных температурах довольно высокий
удельный предел текучести имеют алюминиевые и маг-
ниевые сплавы, но с повышением температуры эти спла-
вы резко снижают свое качество. Нержавеющая сталь
отличается небольшим понижением предела текучести
при нагревании до 400 °C. Лучшими свойствами все же
обладают титановые сплавы. Удельный предел текуче-
сти титанового сплава при комнатной температуре в
три — пять раз выше, чем нержавеющей стали. При
300 °C титановый сплав превосходит нержавеющую сталь
в полтора-два раза, алюминиевые и магниевые спла-
вы— в восемь — десять раз.
К высокопрочным титановым сплавам относят спла-
вы титана с алюминием, ванадием, цирконием. Прибав-
ка к титану алюминия резко повышает предел прочности
и предел текучести, но при этом значительно понижа-
ются и пластические свойства. Добавка 5% алюминия
увеличивает предел прочности примерно в два раза, од-
нако пластичность при этом уменьшается также в два
раза. Легирование алюминием свыше 5% нерациональ-
но, так как сплав получается хрупким и трудно подда-
ется прокатке. Если к сплаву титана с 5% алюминия
добавить 4% ванадия, то предел прочности повышается
почти в два раза, достигая НО кгс/мм2 при удовлетво-
рительной пластичности. При помощи закалки и отпус-
ка предел прочности этого сплава можно увеличить еще
на 20%, доведя его до 135 кгс/мм2. т. е. значительно вы-
ше прочности стали.
8 Заказ № 3492* |13
Очень интересны сплавы титана с цирконием. Иссле-
дование титановых сплавов с различным содержанием
циркония и алюминия показало, что максимальным зна-
чениям прочностных и пластических свойств соответст-
вуют определенные составы сплава. Наиболее низкая
пластичность у сплава с 40% циркония. Максимальная
пластичность соответствует 2% циркония, но при этом
прочность сравнительно низкая. Высокая пластичность
при малом содержании циркония объясняется свойством
циркония размельчать зерно. Второй максимум повы-
шения пластичности наблюдается при 20% циркония,
прочность при этом также высокая. Если при 2% цир-
кония прочность была равной примерно 30 кгс!мм2, а
удлинение—30%, то при 20% циркония эти показатели
составляли соответственно 80 кгс/мм2 и 25%. Добавки
в сплав титан — цирконий алюминия значительно увели-
чивают прочность сплава.
Но не только прочностью славятся титановые спла-
вы. Они отличаются от всех других металлов и сплавов
стойкостью против коррозии. Коррозия для металла —
враг номер один. Каждая десятая тонна металла поги-
бает от коррозии. О стойкости титана против коррозии
свидетельствуют следующие эксперименты. Пластинки
из различных металлов и сплавов длительное время
выдерживали в морской воде. Через несколько дней
пластинки алюминия покрылись серыми пятнами, а мед-
но-никелевый сплав стал темно-зеленым. Миллиметро-
вая алюминиевая пластинка растворилась полностью в
морской воде за пять месяцев, медно-никелевая—за
девять, пластинка из нержавеющей стали растворилась
через четыре года, а пластинка из титана оставалась
все такой же блестящей, как будто ее и не подвергали
агрессивному действию морской воды. Расчеты показы-
вают, что за тысячу лет коррозия проникает в титано-
вую пластинку всего на две сотых миллиметра. В ат-
мосферных условиях, в морской воде, горячих маслах,
в некоторых кислотах и щелочах коррозия титана прак-
тически отсутствует. На основе титана созданы сплавы,
устойчивые против коррозии в сильно агрессивных сре«
дах. Важнейшими коррозионностойкими сплавами тита-
на являются сплавы на основе твердых растворов а- и
0-фазы: титан — цирконий, титан — молибден, титан —
ниобий, титан — тантал и другие сплавы.
114
Для примера рассмотрим сплавы титана с молибде-
ном, устойчивые в концентрированных кислотах при на-
гревании. Коррозионная стойкость чистого титана в со-
лянокислых средах при комнатной и повышенных
температурах значительно выше, чем нержавеющих хро-
мо-никелевых сталей. Однако устойчивость титана ограни-
чена растворами соляной кислоты невысоких концентра-
ций. Развитие химической технологии потребовало ма-
териалов более стойких, чем титан. Необходимо было
разработать сплавы, которые по стойкости в кипящих
растворах 20%-ной соляной и 40%-ной серной кислот
не уступали бы благородным металлам: золоту и пла-
тине.
И такой сплав был найден. Это сплав 66—68% ти-
тана и 32—34% молибдена, наиболее удачный с точки
зрения сочетания коррозионных и механических свойств.
.Коррозионную стойкость сплава испытывали в кипя-
щей 21%-ной соляной кислоте в течение 500 ч. Установ-
лено, что при этих условиях коррозия сплавов с содер-
жанием молибдена 31,7% и 35,8% составляет весьма
малую долю, равную 0,1 мм в год. При более низком со-
держании молибдена (29,3%) коррозия составляет
0,863 мм в год, т. е. увеличивается более чем в восемь
раз. Напомним, что отличной считается коррозионная
стойкость, при которой глубина проникновения корро-
зии не превышает 0,125 мм в год, и достаточной — при
глубине менее 1,25 мм в год. Если к сплаву титана с
32% молибдена добавить 1,5—2,5% ниобия, то такой
сплав будет иметь более высокие механические свойст-
ва, чем сплав без ниобия, но стойкость в кипящей соля-
ной кислоте несколько снижается.
Из других коррозионно устойчивых сплавов следует
отметить сплав из 95% титана и 5% тантала. Такой
сплав заменяет в химических аппаратах дорогостоящий
чистый тантал. Сплав титана с 0,2% палладия значи-
тельно повышает коррозионную стойкость в концентри-
рованной соляной кислоте..
У титановых коррозионно устойчивых сплавов, сопер-
ничающих с золотом и платиной, есть свое слабое мес-
то. Выдерживая могучий натиск такой агрессивной сре-
ды, как кипящая концентрированная соляная кислота,.
титано-молибденовый сплав разрушается фтороводород-
ной кислотой любой концентрации.
8*
115
Современный конструкционный сплав для самолето-
строения должен наряду с небольшой массой и высокой
прочностью обладать еще свойством жаропрочности. Ме-
нее чем десять лет назад считали, что титановые спла-
вы могут надежно работать только при температурах
450—-500 °C. Однако за последние годы удалось создать
сплавы титана со значительно более высоким темпера-
турным пределом (700—800°C). Учеными-металлургами
разработана физико-химическая теория прочности и оп-
ределена система легирования титана для достижения
максимальной устойчивости при высоких темпера-
турах.
Согласно этой теории основную роль в создании вы-
сокотемпературной прочности играют два механизма.
Первый механизм—упрочнение сплава при образова-
нии многокомпонентных твердых растворов. Это значит,
что нужно легировать титан несколькими элементами,
которые растворяются в а- или р-титане. В результате
образуется высококонцентрированный твердый раствор,
обладающий высокими прочностными свойствами, ус-
тойчивыми при повышенных температурах. Содержание
этих элементов должно быть близким к пределу макси-
мального насыщения твердых растворов. Второй меха-
низм — образование дисперсных частиц, выделившихся
из пересыщенных твердых растворов. Такими дисперсны-^
ми частицами являются химические соединения титана'
(Ti3Al, Ti3Si, TiCr2 и др.), имеющие высокую твер-
дость. Мельчайшие частицы этих соединений, выделяясь
из пересыщенного твердого раствора, образуют как бы
шипы, препятствующие скольжению по плоскостям сдви-
га и позволяющие сохранять прочность.
На основе этих теоретических предпосылок можно
подобрать большое’число систем сплавов, обладающих
высокой жаропрочностью. К таким системам относят
сплавы титан — цирконий — алюминий, титан — алюми-
ний — олово, титан — цирконий — алюминий — вольф-
рам, титан — алюминий — ванадий — молибден и многие
другие.
За последние годы получила широкое распростра-
нение новая техника, работающая в условиях отрица-
тельных температур. Низкие температуры от —100 °C
и ниже носят наименование криогенных. При крио-
генных температурах работает аппаратура по сжижению
116
газов, получению сверхпроводимости сплавов и т. д.
Известно, что при низких температурах металлы и спла-
вы теряют пластичность, становятся хрупкими и разру-
шаются при малых нагрузках. Температура перехода от
вязкого (с предварительной пластической деформаци-
ей) к хрупкому разрушению носит название темпера-
турного порога хладноломкости. Чем ниже порог
хладноломкости, тем больше запас вязкости, тем при
более низких температурах может работать данный
сплав.
Большим преимуществом титановых сплавов перед
железоуглеродистыми легированными сплавами являет-
ся низкий порог хладноломкости.
Порог хладноломкости определяют при испытаниях
на удар. Для этой цели подготавливают образны квад-
ратного сечения 10ХЮ мм. Посередине такого образца
делают небольшой стандартный надрез. Образец уста-
навливают в испытательную машину-копер и ударяют
по нему тяжелым молотом-маятником. По показаниям
приборов определяют работу, затраченную на разруше-
ние образца. Эта работа, отнесенная к площади попе-
речного сечения образна, и служит мерой ударной вяз-
.кости металла.
Основная идея, реализуемая при создании сплавов,
пластичных при криогенных температурах, заключается
в сохранении однородности и неизменности структуры
твердого раствора при любых температурах ниже нуля.
Такую структуру могут создать системы сплавов: ти-
тан— цирконий, титан — гафний, титан — ниобий, ти-
тан — ванадий, титан — тантал, титан — молибден. Пе-
речисленные элементы по своим атомным характеристи-
кам близко расположены к титану и образуют с ним
твердые растворы. Если атомный радиус титана равен
1,46А, то элементы, образующие с ним твердые раство-
ры, имеют атомные радиусы от 1,34 до 1,60А.
Другой теоретической предпосылкой создания высо-
копластичных при криогенных температурах титановых
сплавов является использование некоторых особенно-
стей предельной растворимости элементов в титане. Из-
вестно, что обычно предельная растворимость элемен-
тов снижается при понижении температуры: чем ниже
температура, тем меньше растворимость. Так происхо-
дит в сплавах железо —углерод, алюминий —медь, ти-
тан —кремний, титан —хром, титан — марганец, ти-
тан — бор и др.
Но оказывается в некоторых сплавах получается об-
ратная картина: с понижением температуры раствори-
мость элементов в твердом растворе титана увеличива-
• ется. К таким системам относят сплавы: титан —ванна-
дий. титан — ниобий, титан — тантал, титан—мо-
либден.
Если растворимость с понижением температуры па-
дает, то при этом образуются за счет выделения из твер-
дого раствора избыточные фазы (силициды, бориды
и т. д.). Образование новых фаз вызывает значительные
внутренние напряжения и ослабление границ зерен в
местах оседания вновь образовавшихся частиц. Струк-
тура при этом из однородной становится неоднородной,
гетерогенной.
В связи с тем что каждая фаза имеет свой коэффи-
циент объемного расширения, при понижении темпера-
туры образуются дополнительные внутренние напряже-
ния. Все это отрицательно сказывается на пластических
свойствах при криогенных температурах, вызывает хруп-
кость сплава. Так, например, происходит в сплаве ти-
тан — кремний.
Если же растворимость элемента в титане с пониже-
нием температуры повышается, то избыточной фазы и
связанных с ней напряжений нет. Структура сплава од-
нородная, гомогенная. Внутренние напряжения, связан-
ные с изменением объема при понижении температуры,
незначительны благодаря гомогенности структуры и
большому сходству свойств титана и легирующего эле-
мента (циркония, гафния, ванадия, ниобия, тантала, мо-
либдена).
Титановые сплавы обладают еще одним замечатель-
ным свойством — они малочувствительны к надрезам.
Издавна замечено, что если на детали есть надрез или
небольшая трещина, то через некоторое время она ло-
мается. Внутренние напряжения концентрируются у
конца (дна) трещины. Напряженный металл под влия-
нием внешних условий не дает предварительной пласти-
ческой деформации, и трещина распространяется даль-
ше, в глубь металла. Так происходит со стальными
деталями и деталями из сплавов цветных металлов. Об-
разцы высокопрочной стали при испытании под нагруз-
ив
Рис. 36. Влияние надреза на проч-
ность титановых сплавов (/) и
высококачественной стали (2),
кой в воде катастрофически быстро разрушаются по
надрезу. А образцы с надрезом из титанового сплава
состава 4,5% алюминия, 3,5% ванадия и 92% титана
устойчиво работают при этих же условиях. Исследования
показали, что в титановых сплавах концентрации на-
пряжений у острия надреза или трещины не происхо-
дит. Снятие напряжений с острия трещины и местная
пластическая деформация прекращают дальнейшее рас-
пространение трещины, и прочность сохраняется на уров-
не гладкого образца. Это очень важное конструктивное
преимущество титановых сплавов над сталью и други-
ми конструкционными сплавами.
Типичным видом образца с надрезами являются
обычные болты. Данные испытаний показывают, что бол-
ты, работающие под нагрузкой в условиях влажной ат-
мосферы, следует делать из титановых сплавов средней
прочности. Такие болты
будут работать значитель-
но надежнее, чем болты
из высокопрочных леги-
рованных сталей. На ри-
сунке 36 приведены ре-
зультаты испытаний на
прочность образцов с над-
резами титановых спла-
вов и высококачествен-
ной стали.
Значение титановых
сплавов в народном хо-
зяйстве и особенно в со-
здании летательных аппа-
ратов все возрастает. Ти-
тановые сплавы лишь немного тяжелее алюминиевых, а
прочность их выше в десять и более раз, поэтому при-
менение титановых сплавов значительно повысит летные
характеристики самолета: высоту, скорость, радиус дей-
ствия/ маневренность.
Титановые сплавы легко выдерживают длительное
нагревание на 500—600 °C и кратковременное — на
800 °C. Предполагают, что для самолетов, летающих со
скоростью 3000 км/ч, от 60 до 90% всех конструктивных
узлов будут изготовлять из сплавов титана. У первого в
мире сверхзвукового пассажирского лайнера ТУ-144,
119
имеющего скорость 2500 км/ч на высоте 16—20 км, из
титановых сплавов выполнены мотогондола, элероны,
рули поворота и другие конструкции.
Титановые сплавы широко применяют в ракетной тех-
нике. Они в отличие от других конструкционных мате-
риалов, применяемых для корпусов ракет, отличаются
продольной устойчивостью. Эти сплавы будут, очевидно,
основным материалом для постройки орбитальных кос-
мических станций. В пользу таких сплавов говорит вы-
сокая прочность материала при небольшой массе и воз-
можность сварки в вакууме. Эксперименты, проведенные
космонавтами Г. С. Шониным и В. Н. Кубасовым по рез-
ке и сварке металлов в космосе, были проведены именно
на титане.
Применение титановых сплавов может существенно
снизить массу автомобильных и дизельных двигателей
и, следовательно, инерционные нагрузки, что позволит
увеличить число оборотов и мощность двигателя.
Особенно заманчиво применение титановых сплавов
для строительства танкерного и рефрижераторного фло-
та. Корпуса судов из титановых сплавов будут отличать-
ся легкостью, прочностью и устойчивостью. Они не по-
требуют окраски, так как титан не поддается действию
морской воды. Увеличится срок их службы, радиус дей-
ствия и маневренность. Титановые сплавы — прекрас-
ный материал для конструкции судов на подводных
крыльях.
Для построения глубоководных аппаратов сплавы
титана являются самым перспективным материалом.
Особенно наглядным становятся преимущества ти-
тановых сплавов при изготовлении из них изделий, вра-
щающихся с большой скоростью. Разрушение таких кон-
струкций происходит от действия громадных центробеж-
ных сил. Например, ротор компрессора реактивного
двигателя из высокопрочной стали массой 14 кг разруша-
ется при 17 тыс. об/мин. Таких же размеров ротор из
титанового сплава массой 8 кг разрушается только при
25 тыс. об/мин. Есть еще одна область, где сверхпроч-
ные титановые сплавы являются по существу единствен-
ным материалом, пригодным для использования,— это
изготовление турбобуров, применяемых для сверхглубо-
кого бурения.
120
Титановые сплавы с успехом применяют для изго-
товления хирургического инструмента, медицинских при-
боров и аппаратов, для наружных и внутренних протезов.
По своей биологической инертности титан превосхо-
дит все известные до сих пор материалы, применявшие-
ся в медицине. Поэтому из сплавов титана делают про-
тезы суставов, клапаны сердца, металлические конст-
рукции для скрепления костей при переломах и т. д.
Титановые протезы хорошо переносятся организмом, они
легки, прочны, немагнитны. Следует отметить, что набор
медицинских инструментов, которые брал с собой в пла-
вание на папирусном судне «Ра» в экспедиции Тура Хей-
ердала советский врач Юрий Сенкевич, был изготовлен
из титановых сплавов.
Большое влияние на качество титановых сплавов ока-
зывают газы: азот, кислород, водород. Степень насы-
щения сплавов титана кислородом зависит от структу-
ры сплава.
Если сплав имеет структуру a-фазы, то насыщение
кислородом идет фронтально по всему объему поверх-
ностной зоны. В p-фазе газы диффундируют избира-
тельно, в основном по границам зерен. Если сплав
имеет смешанную структуру (а+р)-фазы, то кислород
диффундирует по границам зерен в участки, занятые
a-фазой. Установлено, что растворимость кислорода в
различных фазовых составляющих при 950—1000°C раз-
лична. В a-фазе растворяется 12—14% кислорода, а в
Р-фазе — в двадцать пять раз меньше, примерно 0,5%.
Поэтому кислород диффундирует через оксидную пленку
в участки .a-фазы. И чем меньше участок a-фазы, тем
больше концентрация в нем кислорода, тем опаснее для
сплава. Хрупкие прослойки оксидов играют роль над-
резов, по которым металл разрушается при деформиро-
вании. На рисунке 37 показана структура газонасыщен-
ного слоя в сплаве (а+р). Трещины, образующиеся при
деформировании не защищенных от газов титановых
сплавов, удалить невозможно.
В связи с тем что механические свойства титановых
сплавов в значительной мере зависят от свойств исход-
ного титана, было изучено влияние чистоты титана от
газов на свойства сплава. Разработанные в последние
годы способы очистки титана от газов сделали возмож-
121
ным получение очень чистого титана. В результате проч-
ностные свойства титана снизились в два-три раза,
а пластичность повысилась примерно в той же пропор-
ции. Закономерен вопрос, а нужна ли такая высокая сте-
пень чистоты исходного материала, если при этом умень-
шается прочность, усложняется процесс производства
титана и увеличивается расход легирующих элементов,
иногда очень дорогих (например, циркония, ниобия
и т. д.)?
Исследования показали, что не нужно дорожить
приростом прочности, получаемой за счет недо-
статочной очистки титана от кислорода и азота. Та-
кое повышение прочности ведет к потере важнейших
свойств: пластичности, свариваемости, жаропрочности
и т. д. Поэтому целесообразнее стремиться к наиболь-
шей чистоте исходного титана, а прочность повышать
легированием.
Самым опасным врагом титановых сплавов является
водород. Растворимость водорода в титане и его спла-
вах невелика, поэтому водород, даже будучи в неболь-
ших количествах, дает гидриды титана. Они выделяются
в виде пластинок, по ко-
Рис. 37. Структура газонасыщен-
ного слоя в образцах титанового
сплава после нагревания до 100 °C:
(а-|-₽)-фаза (увеличено в 200 раз).
торым и происходит раз-
рушение сплава. Гидрид-
пая хрупкость проявляет-
ся при испытании на
ударную вязкость. Содер-
жание даже 0,15% водо-
рода уже вызывает ката-
строфическое падение
ударной вязкости. Но ес-
ли те же образцы испы-
тывать на медленное рас-
тяжение, то хрупкость не
выявится, пластические
характеристики не изме-
нятся. Исследование под
микроскопом деформиро-
стадиях разрушения пока-
ванной зоны на различных
зало, что пластинки гидридов обладают некоторой пла-
стичностью и при малой скорости деформирования из-
гибаются совместно с основным материалом без образо-
вания трещин.
122
При больших скоростях деформации по поверхности
раздела металла и пластинки гидрида развивается тре-
щина. Неизбежность образования трещин определяется
слабым сцеплением между пластинкой гидрида и основ-
ным металлом, различием в их пластичности и упруго-
сти и напряжениями, вызванными тем, что удельный
объем гидрида больше, чем основного металла. Если
пластинка гидрида меньше размера зерна, то распро-
странение трещины локализируется границами зерна.
На рисунке 38 показаны характерные трещины в тита-
новых сплавах.
Водород ведет себя в титановых сплавах довольно
свободно, передвигаясь в наиболее выгодных для него
направлениях. Например, при длительной статической
нагрузке на работающую деталь, когда возникают рас-
тягивающие и сжимающие напряжения, водород пере-
мещается в участки, где господствуют растягивающие
напряжения, и может вызвать разрушение.
Доказано также, что водород в сплавах титана пе-
ремещается из областей с высокой температурой в об-
ласти с более низкой температурой. Прутки разных
сплавов длиной 100 мм
нагревали в двух тепло-
вых полях: один конец
прутка — при температу-
ре 600 °C, другой —при
400 °C. После 250 ч вы-
держки было определено
содержание водорода на
обоих концах прутков.
Результаты измерения
приведены в таблице 6.
Прогрессирующее пе-
редвижение водорода из
более горячих участков к
более холодной части де-
тали при неравномерном
Рис. 38 Характерные трещины в
титановом сплаве с 0,03% водо-
рода после испытания на растя-
жение при —18 °C.
нагревании может вызвать разрушение даже в том слу-
чае, если средняя концентрация водорода будет в без-
опасных пределах. Все это и многое другое нужно учи-
тывать при разработке технологии производства изделий
из титановых сплавов.
123
Таблица 6
Изменения концентрации раствора в зависимости от температуры
Температура конца Прутков, °C Концентрация водорода на концах прутков в сплавах, %
вты BT3-1 ВТ1-5
600 400 0,11 0,148 0,0137 0,0160 0,0117 0,0183
* Выше было показано, что титановые сплавы выдер-
живают большие нагрузки. Но это правильно только в
том случае, если сплав выполнен из чистого титана. Ес-
ли же в исходном титане сохранились примеси кисло-
рода, азота и водорода, то сплав будет чувствительным
к надрезам.
Учитывая, что сплавы титана обладают высокой хи-
мической активностью, нагревание под прокатку, ковку,
штамповку необходимо производить в инертной атмос-
фере. Наиболее опасен кислород, так как он может диф-
фундировать на большую глубину (5—8 мм), менее опа-
Рис. 39. Штампованный фасонный флянец из тита-
нового сплава.
124
сен азот, имеющий очень небольшую скорость диффу-
зии в титановых сплавах.
Особенность технологии штамповки титановых спла-
вов — необходимость применения стеклянной смазки.
Без этой смазки металл налипает на рабочую поверх-
ность штампа. Поэтому штамповку ведут через стек-
лянную шайбу с применением стеклянной смазки. Стек-
лянная шайба размягчается при 550°C, а смазка — при
440°C. Они создают прослойку между штампом и штам-
пуемой деталью. Применение'таких способов штамповки
позволяет получить удовлетворительную поверхность на
самых сложных по форме деталях (рис. 39).
На этом мы заканчиваем краткий рассказ о титане,
вставшем на путь служения человечеству.
Часть четвертая. СПЛАВЫ НА СЛУЖБЕ
У МИРНОГО АТОМА
УСЛОВИЯ СЛУЖБЫ
Безлюдно на атомной электростанции. Всю работу
по регулировке станции выполняют автоматы. Только
один человек, дежурный оператор пульта управления,
следит за показаниями приборов. В просторном зале
десятки табло, сотни разноцветных сигнальных лам-
почек, автоматических устройств, много различных при-
боров. Приборы не только регулируют режимы работы
реактора, но и осуществляют контроль за надежностью
конструктивных узлов установки.
Все спокойно на АЭС: стрелки застыли в нужном
положении, мирно помаргивают лампочки автоматов.
А внизу, под толщей воды, в ядерном реакторе мил-
лиарды и миллиарды атомных ядер выполняют свою
работу, производят теплоту, которая затем превраща-
ется в электрическую энергию.
Атомные электростанции — это реальность нашего
времени. А не так давно атомная энергия была лишь
символом смерти и разрушения. Человечество пережило
взрывы атомных бомб, сброшенных американской воен-
щиной па японские города Хиросиму и Нагасаки. Во
время взрыва погибли сотни тысяч людей. Японский
геолог Нагаока стал собирать опаленные камни вбли-
зи атомного взрыва и отмечать их положение на карте.
Было собрано 6542 обломка. По расположению камней
и оплавленных поверхностей он определил эпицентр
взрыва и высоту, на которой была взорвана бомба. На-
гаока заболел лучевой болезнью, но врачи имели уже
опыт лечения лучевой болезни, и он выжил. Но не вы-
жили сотни тысяч японцев — жителей городов, подверг-
шихся атомной бомбардировке.
126
Перед учеными всего мира встала задача — при-
ручить атом, заставить его выполнять только полезную
работу. Эта задача в СССР успешно решается. 27 июня
1954 г. вступила в строй первая в мире атомная элект-
ростанция в Обнинске. В 1959 г. вышел в плавание мощ-
ный атомный ледокол «Ленин» (рис. 40). Он преодолел
ледяные поля толщиной до 3,5 м. За четыре навигации
атомный ледокол прошел более ПО тыс. км и провел
Рис. 40. Атомный ледокол «Ленин» проводит суда по Север-
ному Ледовитому океану.
через льды триста судов. Общая мощность турбогене-
раторов корабля—44 тыс. л. с., затрата топлива —
300 г урана в сутки. Каменного угля потребовалось бы
для этого несколько сот тонн. В 1962 г. советская под-
водная атомная лодка «Ленинский комсомол» прошла
под арктическим льдом и всплыла на Северном полюсе.
За этот выдающийся подвиг командир лодки, капитан
второго ранга Л. Жильцов был удостоен высокого зва-
ния Героя Советского Союза, все члены экипажа на-
граждены орденами и медалями. В 1966 г. группа атом-
ных подводных лодок совершила кругосветное путеше-
ствие. Находясь под водой, атомные корабли шли и
127
среди гигантских айсбергов северных вод, и среди ко-
ралловьй рифов тропических морей.
В 1964 г. дали ток Белоярская АЭС под Свердлов-
ском и Ново-Воронежская атомная станция. В 1967 г.
вошел в строй второй блок Белоярской АЭС и третий
блок с реактором на быстрых нейтронах. В заполярном
поселке Билибино, в условиях вечной мерзлоты строит-
ся самая северная атомная электростанция типа «Ар-
бус», что значит Арктическая блочная установка. Атом-
ная электростанция «Арбус» состоит из блоков по 20 т
и может перевозиться на машинах. Как только зимняя
стужа сковывает землю, с Чукотки сплошным непрерыв-
ным потоком движутся мощные грузовики, перевозя гру-
зы для атомной станции. Атомная станция не только
• даст электрическую энергию местным рудникам, но и
согреет дома горняков горячей водой, позволит создать
теплицы для выращивания овощей и даже водный бас-
сейн для спортсменов. Местная небольшая речка, пере-
гороженная в ущелье плотиной, разольется в обширное
море. Так будет, а пока боксы реакторов, огражденные
трехметровой стеной из специального бетона, зияют
холодной пустотой. Стройка заполярной атомной стан-
ции— дело ближайшего будущего.
Мирный атом используется и для других нужд на-
родного хозяйства. На полуострове Мангышлак (по-
бережье Каспия) в связи с открытием огромных запа-
сов нефти и газа выросли новые промышленные города.
На полуострове острая нехватка воды. В настоящее
время там действует мощный опреснитель морской воды
на атомной энергии. Вода обращается в пар, затем кон-
денсируется в чистую пресную воду. Для питьевых це-
лей опресненную воду смешивают с небольшим коли-
чеством местной минеральной воды и она становится
приятной на вкус.
Во многих странах мира работают сотни мощных
ядерных реакторов, подводные лодки и морские суда с
двигателями на атомной энергии бороздят толщу океан-
ских вод. Недалеко то время, когда атомные самолеты
будут за считанные часы совершать кругосветное путе-
шествие. Могучая атомная эпоха уверенно набирает си-
лу. Атомная энергия — это энергия будущего. Мировые
запасы химических источников энергии (каменный уголь,
нефть, природный газ) могут обеспечить нужды чело-
128
вечества на протяжении двух-трех сотен лет. Запасы
расщепляющихся элементов превышают запасы химиче-
ского горючего во много раз.
Главной частью атомной установки является ядер-
ный реактор, представляющий собой сложное техниче-
ское сооружение (рис. 41). В недрах реактора загора-
ется «атомный огонь», который трансформируется в
мощный поток электроэнергии. Чтобы иметь представ-
ление о размерах реакторов, приведем в качестве при-
Рис. 41. Упрощенная схема ядерного реактора:
/ — регулирующие стержни; 2 — уран; 3 — замедлитель и тепло-
носитель; 4 — отражатель.
мера реактор Ново-Воронежской атомной электростан-
ции. Высота реактора 18 м, диаметр около 4 м. Одна
загрузка реактора ядерным горючим обеспечивает непре-
рывную работу станции в течение двух лет. Реакторы,
как правило, размещаются в земле, а сверху их покры-
вают толстым слоем воды. Вода используется как био-
логическая защита, создавая безопасность работы обслу-
живающего персонала.
Рождение нового источника энергии вызвало необ-
ходимость применения новых сплавов, обладающих спе-
цифическими свойствами, необходимыми для обеспече-
ния работы атомной установки. Необычность условия
работы узлов ядерного реактора заключается в воздей-
ствии на металл бесчисленной армады элементарных
частиц. Облучение оказывает весьма сильное и вредное
9 Заказ № 3492
129
влияние на физико-механические свойства конструкци-
онных металлов. На детали ядерного реактора воздей-
ствует поток нейтронов, протонов, дейтронов, электро-
нов, позитронов, а-частиц, а также электромагнитное
излучение. Наибольшее влияние на свойства металличе-
ских сплавов оказывают нейтроны. В связи с тем что
нейтроны не имеют заряда, они могут свободно прони-
кать в кристаллическую решетку металла. Нейтроны,
врезываясь в кристаллическую решетку, вносят беспо-
Рис. 42. Схема
конструкции теп-
ловыделяющего
элемента:
1 — наружный ко-
жух; 2—кольцевая
щель для теплоно-
сителя; 3 — оболоч-
ка ТВЭла; 4 — ура-
новое топливо.
рядок, нарушают взаимодействие ато-
мов. При этом образуются «смещен-
ные» атомы и искажаются параметры
решетки. Во многих случаях металлы
и сплавы, ослабленные беспрерыв-
ным обстрелом, теряют свои упругие
и пластические свойства и не могут
выполнять предназначенную им ра-
боту. В условиях облучения отдель-
ные металлы и сплавы становятся
также беспомощными и в борьбе с
коррозией.
Расскажем еще об одном влиянии,
которому подвергаются сплавы, при-
званные нести службу в реакторе.
Речь идет о термической усталости.
Как известно, при нагревании или ох-
лаждении в металлах или сплавах
возникают термические напряжения,
связанные с изменением объема. По-
верхностные слои при нагревании ра-
зогреваются сильнее, чем внутренние.
При охлаждении они быстрее осты-
вают. Неравномерность распреде-
ления температуры по сечению вызывает неравномер-
ность объемных изменений в различных зонах, в резуль-
тате чего возникают внутренние напряжения. Если
металлический стержень зажать с двух сторон и попере-
менно его нагревать и охлаждать, то под действием зна-
копеременных напряжений стержень не только искри-
вится, но и на нем могут появиться трещины. Это явле-
ние известно под названием термической усталости.
Рассмотрим условия работы металлов и сплавов в
ядерном реакторе. Главным конструктивным элементом
130
ядерного реактора является тепловыделяющий элемент
(ТВЭЛ), в котором заключено ядерное горючее (рис.42).
Сплав для тепловыделяющегося элемента должен об-
ладать устойчивой конструктивной прочностью, чтобы
сопротивляться воздействию внешних и внутренних на-
пряжений и сохранять постоянство размеров. Для сни-
жения потерь теплоты нужно, чтобы и металл или сплав
ядерного горючего и сплав оболочки имели высокую
теплопроводность. Кроме того, оболочка должна обла-
дать свойством свободно пропускать нейтроны.
Чтобы представить себе размеры и количество теп-
ловыделяющих элементов, приведем некоторые парамет-
ры одной из атомных электростанций в Англии:
Общее количество ТВЭЛов на реакторе—10176
Длина одного стержня урана — 101 см
Диаметр стержня — 39,2 мм
Масса стержня — 12,7 кг
Длина оболочки стержня — 111 см
Внутренний диаметр оболочки — 29,6 мм
Наружный диаметр — 33,0 мм
Если металлические оболочки ТВЭЛов должны сво-
бодно пропускать нейтроны, то регулирующие или уп-
равляющие стержни должны обладать эффективной спо-
собностью поглощения нейтронов. При помощи этих
стержней производится управление ядерной реакцией.
Поглощая нейтроны, регулирующие стержни замедля-
ют реакцию и в случае необходимости могут прекра-
тить ее совсем.
Для уменьшения утечки нейтронов из активной зоны
реактора применяют отражатели нейтронов. Материал
отражателя должен отбрасывать большую часть выле-
тающих нейтронов обратно в зону реакции, увеличивая
тем самым коэффициент полезного действия. Кроме то-
го, в реакторе применяют замедлители. Дело в том, что
летящие после деления ядра нейтроны имеют скорость
10 тыс. км/сек. Их называют быстрыми нейтронами. При
такой скорости вероятность попадания нейтрона в ядро
урана очень низка. Поэтому скорость нейтронов сни-
жают до 2—3 км/сек (тепловая скорость). Такие нейт-
роны называют тепловыми. Все конструктивные части
реактора заключены в металлический кожух, имеющий,
как правило, большую толщину стенок.
9*
131
Таковы условия службы сплавов в ядерной энергети-
ке. Этим условиям удовлетворяют сплавы урана, цир-
кония, гафния, бериллия, ниобия, кадмия, железа, алю-
миния, молибдена, никеля, кобальта, свинца и других
металлов.
Железоуглеродистые сплавы и стали, легированные
другими металлами, применяют для изготовления внеш-
них конструкций реактора и сосудов высокого давления.
Очень хорошо показала себя в работе на атомных ус-
тановках хромо-никелевая нержавеющая сталь. Та са-
мая сталь, которую широко применяют на заводах хи-
мического машиностроения и из которой делают сто-
ловые приборы. Стали типа нержавеющих, с 14—18%
никеля и 9—14% хрома, обладают достаточно высоким
комплексом свойств при повышенных температурах как
при кратковременных, так и при длительных испытани-
ях. Характерным для этих сталей является постоянство
свойств при увеличении температуры облучения и мощ-
ности нейтронного потока. Прочностные и пластические
характеристики при низких мощностях облучения не-
сколько изменяются, а затем, несмотря на весьма значи-
тельное увеличение потока нейтронов, остаются на одном
уровне.
Сплавы алюминия, магния, циркония применяют для
оболочек ТВЭЛов. Для регулирующих и управляющих
стержней используют металлы и сплавы металлов, обла-
дающих максимальным поглощением нейтронов. К та-
ким металлам относят гафний и кадмий. В качестве био-
логической защиты применяют свинец или его сплавы,
борсодержащие стали и другие сплавы, обладающие
свойством задерживать быстрые и тепловые нейтроны и
другие виды излучений. Таким образом, в конструкци-
ях реактора участвуют десятки различных, сплавов. Все
они имеют специфические свойства и необходимые ка-
чества для работы в условиях радиации.
Развитие ядерной энергетики призвало к жизни но-
вое ответвление науки материаловедения. Новая наука
занимается изучением изменения свойств металлов и
сплавов в зависимости от облучения элементарными час-
тицами. Каждый сплав, участвующий в создании уста-
новок, связанных с воздействием излучения, должен
быть изучен в условиях предстоящей работы. Характер-
ной особенностью научного учреждения, занимающего-
132
ся изучением конструкционных и других материалов в
условиях ядерного распада, является наличие «холод-
ных» и «горячих» отделений лабораторий. «Холодные»
отделения изучают свойства металлов и сплавов в
обычных условиях. Металлы и сплавы испытывают на
растяжение, сжатие, разрыв, ударную вязкость, терми-
ческую усталость и другие свойства, характеризующие
способность металла выполнять предназначенную им
работу. Затем эти же испытания проводят с тем же
металлом или сплавом, но подвергнутым облучению. Эти
испытания производят уже в «горячих» отделениях ла-
боратории. «Горячими» их называют потому, что в них
имеют дело с .материалами, опасными для жизни чело-
века. Поэтому «горячие» лаборатории отделены от «хо-
лодных» биологической защитой, представляющей собой
бетонную стену толщиной от 400 до 800 мм, в зависи-
мости от активности облучения образцов. Внутри бло-
ки «горячей» лаборатории обиты нержавеющей сталью.
Всю работу выполняет оператор посредством манипуля-
торов и дистанционного управления. Манипулятор при
помощи сложного механизма в точности повторяет дви-
жения оператора. Оператор наблюдает за работой через
окна, застекленные специальным стеклом полуметровой
толщины. Опытные операторы при помощи манипулято-
ров выполняют сложные, почти ювелирные работы. Ра-
диоактивные материалы при помощи манипуляторов раз-
резают, обтачивают, обрабатывают на фрезерных,
токарных, шлифовальных станках, работающих на дистан-
ционном управлении, и испытывают. В «горячих» лабо-
раториях есть печи для закалки и отжига, микроскопы,
всевозможные приборы и аппаратура для физических
исследований. Используют там и ультразвук. С помо-
щью его очищают образцы после облучения.
В результате проведения большой серии всесторон-
них испытаний исследуемого сплава до облучения и пос-
ле воздействия элементарных частиц составляется за-
ключение о возможности его использования в конструк-
циях ядерного реактора или в других узлах ядерной
установки. Кроме механических свойств, в «горячих» ла-
бораториях исследуют физические свойства, связанные
с несением службы в реакторе; например, изучают сте-
пень прохождения нейтронов через материал или степень
торможения реакции за счет эффективного поглощения
133
нейтронов. Такие лаборатории действуют уже несколько
лет, и, несомненно, проведенные исследования позволят
глубже заглянуть в природу сплавов, понять внутренние
процессы микромира и связь этих процессов со свойст-
вами сплавов.
ГЛАВНОЕ ДЕЙСТВУЮЩЕЕ ЛИЦО
Главным действующим лицом в получении атомной
энергии является металл уран. Поэтому рассмотрение
сплавов, призванных на службу мирного атома, мы и
начнем со сплавов урана. За короткий срок уран сде-
лал головокружительную карьеру. Из малоизвестного
элемента под номером 92 уран внезапно оказался в цент-
ре внимания человечества. Некоронованный король, он
стал властителем дум, предметом страха и надежд.
Весь мир заговорил об уране. Блеск славы урана за-
тмил тысячелетние заслуги таких преданных человеку
металлов, как железо и сталь, медь и бронза. Даже зо-
лото отступило перед ураном.
Время показало, что уран может быть безжалостным
и уничтожить сотни тысяч ни в чем не повинных людей.
В то же время в уране заложены добрые качества, он
может обеспечить человечество на многие тысячи лет
энергией. Возможности урана неисчерпаемы. Направить
их на благо человечества — это дело самих людей.
В огромном реакторе в качестве ядерного горючего
используют изотоп урана 2^U. 2^U, значительно бо-
лее распространенный в природе, рассматривали ранее
как помеху ядерной реакции. В действительности же ока-
залось, что под действием облучения 2^U, после по-
падания в него нейтрона, превращается в 2^U, ко-
торый распадается с образованием 2^Np. Ядро этого
элемента, распадаясь в свою очередь, дает ядро
z=^Np z^Pu,
где п — нейтрон, е — электрон, v — нейтрино — незаря-
женная частица с очень малой массой, возникающая
при распаде нептуния и плутония.
134
^Pu сходен по своим свойствам с U и может ис-
пользоваться как ядерное горючее. При распаде 1 кг
ядер 2$U образуется 1,5 кг ядер Ри . Таким образом,
кроме образования огромного количества энергии при
распаде ядер, 2|?1) дает ядерное горючее. Причем ко-
личество нового ядерного горючего превышает израс-
ходованное.
Пребывание урана в ядерном реакторе резко ухуд-
шает его механические свойства. Более чем на 60% сни-
жается его прочность, пластичность (относительное уд-
линение) падает до нуля. Твердость повышается на
25%, а ударная вязкость снижается на 70%. Плотность
урана также уменьшается на 3—4%. Снижение преде-
ла прочности и плотности объясняется наличием обра-
зовавшихся в результате облучения многочисленных тре-
щин.
В связи с низкими механическими свойствами урана
в результате работы ядерного реактора пришлось под-
ключить к нему на помощь другие металлы. Как изве-
стно, металлурги сплавляют различные металлы в таких
пропорциях, чтобы получить сплав с заранее намеченны-
ми свойствами. Так поступили и в этом случае. Сплавы
с молибденом', алюминием и цирконием помогли урану
более устойчиво держаться в атомном реакторе и пре-
одолеть многие недостатки.
К недостаткам урана относится его низкая теплопро-
водность. Теплопроводность урана в два раза ниже же-
леза и в десять раз ниже меди. Малая теплопровод-
ность уранового стержня создает значительный перепад
температур по сечению металла, что вызывает внутрен-
ние напряжения, ведущие к образованию дефектов.
Другим недостатком урана является зависимость его
свойств от ориентировки кристаллов. Механические свой-
ства урана при испытании па растяжение зависят от
совпадения направления усилий и преимущественной
ориентировки зерен. При испытании на разрыв круглого
образца железа, стали или других сплавов в месте раз-
рыва образуется шейка. Шейка всегда одна и имеет
круглое сечение. Уран ведет себя иначе. На образцах
урана может образоваться не одна, а несколько шеек,
сечение шейки не круглое, а эллипсообразное, поверх-
ность образца закручена винтом. Если испытывать об-
135
разец металла или сплава на твердость методом вдав-
ливания алмазной пирамиды, то, как правило, образу-
ется правильный четырехугольный отпечаток. Отпечаток
же пирамиды на уране настолько неправилен, искажен,
что его нельзя спутать ни с одним металлом. Нельзя
предвидеть, как поведет себя уран при испытании на
сжатие. Нередко он деформируется в причудливой фор-
ме, а не в виде «бочки», как другие металлы. Все эти
«чудачества» урана являются следствием большой не-
равномерности свойств в зависимости от ориентировки
кристаллографических плоскостей.
При работе реактора в результате торможения ос-
колков деления атома уран непрерывно находится под
действием «тепловых пиков»1. Эти периодические изме-
нения температур приводят к явлениям радиационного
роста. Рост зерен уранового сердечника происходит
только в определенных кристаллографических направ-
лениях, а в других направлениях зерно не только не
растет, но и уменьшается. Рост зерен настолько интен-
сивен, что за короткое время зерно может в одном на-
правлении увеличиться в два раза, несколько уменьша-
ясь в другом. Этот процесс изменяет геометрические
размеры ТВЭЛов: поверхность теряет гладкие очерта-
ния, выросшие зерна выпирают буграми, образуя не-
ровности. Такой вид дефекта называется «жеванностью»
(рис. 43). Прокатка урана при низких температурах
(300°C) способствует ориентации зерен в продольном
направлении. Повышение температуры проката до 600 °C
заметно уменьшает степень ориентации зерен, а закалка
прокатных образцов почти полностью уничтожает ориен-
тировку. В процессе деления ядер 2}gU образуются
элементы 36Кг, 3?Rb, aeSr, 39V, 40Zr, 4|Nb, 42Mo, 43Tc, 44Ru,
45Rb, 46Rd, 5гТе, 53I, 54Xe, 55Cs и др. Продукты деления
могут быть твердыми, жидкими и газообразными.
Ксенон и криптон находятся в газообразном состоя-
нии. Размеры атомов этих газов значительно, больше
атомов урана. В связи с большими размерами атомов
газы из урана удаляются медленно и трудно. На каж-
1 Осколки деления ядра, летящие с огромной скоростью, за-
тормаживаются в кристаллических решетках урана; при этом в
микрообъемах возникает высокая температура, образующая
«тепловые пики».
136
дне четыре атома урана образуется один атом инерт-
ного газа. По расчетам, в 1 см3 урана газ может за-
нимать только 0,0001 см3. Давление газа при увеличении
занимаемого им объема достигает огромных вели-
чин, свыше 280 кгс/мм2, в несколько раз больше преде-
ла прочности урана. Скопление атомов инертных газов
в связи с высоким давлением, которое они развивают,
Рис. 43. Поверхностная «жеванность»,
вызванная ростом зерен в процессе
«выгорания» при 200 °C.
приводит к возрастанию объема урана, а при отсутст-
вии достаточного запаса пластичности — к разрушению
металла. В таблице 7 приведены данные о величине воз-
растания объема урана в зависимости от температуры
облучения.
Таблица 7
Возрастание объема урана под действием облучения
Температура облучения, °C Выгорание от общего числа атомов, % Возрастание объема, у.
630 0,29 9,8
700 0,27 11,5
800 0,34 84,5
Немногим лучше ведут себя по отношению к урану
другие элементы. Например, цезий и рубидий имеют
очень низкую температуру плавления (Cs — 28°C, Rb —
39 °C) и находятся в жидком состоянии. Скапливаясь
137
на границах зерен, они ослабляют связи между зер-
нами и придают урану хрупкость. Цирконий и молибден
образуют с ураном твердые растворы, иод образует хи-
мическое соединение UJ4.
Металлы, с которыми сплавляют уран, имеют высо-
кую температуру плавления, хорошие механические свой-
ства и характеризуются относительно малым поглоще-
нием нейтронов. Из этих металлов наиболее устойчив к
радиации молибден. Его свойства в результате облучения
не только не ухудшаются, а улучшаются. Например, об-
лученный при 200 °C чистый молибден на 15% увеличил
прочность и более чем в два раза пластичность. Это
единственный металл, кроме, пожалуй, циркония, кото-
рый не опасается бомбардировки нейтронами, а чувству-
ет себя в этих условиях даже лучше, чем в нормальных.
Как же изменяются свойства урана при добавках к
нему молибдена? Результаты испытания сплавов пре-
взошли все ожидания: добавка к урану 8—10% молиб-
дена совершенно меняет его свойства. Под действием
радиации свойства сплава не ухудшаются, а даже улуч-
шаются. Заметно уменьшается неоднородность состава,
металл становится однородным, как говорят металлур-
ги, «гомогенным». Структура сплава в результате облу-
чения приближается к той идеальной структуре, кото-
рая обладает наиболее высокой устойчивостью при
высоких температурах. Эти сплавы хорошо сопротивля-
ются коррозии, не изменяют своих геометрических раз-
меров и устойчивы против термической усталости. Вы-
сокие технологические свойства сплава уран — молибден
позволяют изготовлять сердечники для ядерного реак-
тора различной формы: стержневые, кольцевые, пластин-
чатые, не опасаясь искажения формы при работе реак-
тора. Но есть и недостатки в сплавах урана с молиб-
деном. Молибден в десять раз сильнее захватывает
нейтроны по сравнению с алюминием и в четырнадцать
раз сильнее по сравнению с цирконием. Поэтому ис-
пользование сплавов уран — молибден в реакторах на
тепловых нейтронах не так эффективно. Однако высо-
кая устойчивость и постоянство размеров ТВЭЛов мо-
гут оказаться решающими факторами при выборе ма-
териала для ядерного топлива.
Каким же образом облучение может повысить свой-
ства сплава уран — молибден? Предварительно заме-
138
тим, что сплавы урана с молибденом имеют аллотро-
пические превращения, которые обозначены буквами а,
р, у. Молибден во всех модификациях образует с ура-
ном твердые растворы. Быстрое охлаждение сплава из
у-области вызывает закалку, т. е. фиксирование у-струк-
туры при комнатной температуре. Что же происходит в
сплаве в момент ядерной реакции? В результате тормо-
жения осколков деления в микроскопически малых объ-
емах сплава развивается высокая температура. Атомы
приобретают большую подвижность, скорость диффузии
увеличивается, что способствует более равномерному
распределению молибдена в сплаве. При охлаждении, в
момент спада температурного цикла, происходит закал-
ка, т. е. фиксирование у-структуры. Переход при нагре-
вании из одной структуры в другую (а-^р->у) и после-
дующая закалка не дают возможности увеличения раз-
меров зерен. Таким образом, сами условия работы в
процессе облучения совершенствуют структуру и дела-
ют сплав еще более устойчивым. Открытие стабилиза-
ции уранового сплава под действием облучения, сде-
ланное советскими исследователями, имеет большое
практическое значение.
Расскажем коротко о других сплавах урана. Сплавы
урана с цирконием также дают хорошие результаты.
Сплав с 5% циркония показал при испытаниях высокое
качество. При большом количестве циклов нагревания
и охлаждения (более 1000) опытные стержни имели
гладкую поверхность и ничтожную деформацию. Ре-
зультаты облучения сплава показали, что лучшие ре-
зультаты имеют сплавы с 2—5% циркония. Стойкость
сплава уран — цирконий в ядерном реакторе зависит
не только от состава сплава, но и от термической об-
работки.
В сплавах урана с алюминием образуются химиче-
ские соединения UA12, UA13, UAI4. Сплавы уран-—алю-
миний менее стойки против термической усталости, чем
сплавы урана с молибденом и цирконием. Механические
свойства в значительной степени зависят от количества
и формы выделения химических соединений, которые
придают сплаву хрупкость.
Практика работы реакторов показала, что ядерное
горючее можно применять в различных сочетаниях в
виде сплавов урана с молибденом, цирконием, ниобием.
139
Ниже приведены составы уранового «топлива» для не-
скольких зарубежных реакторов.
Реактор Энрико Ферми
Горючее: 10% Мо; 24% 235U; 66% 234J.
Средняя температура горючего — 482 °C.
Экспериментальный кипящий водяной реактор
Горючее: 93,5% U; 5,0% Zr; Nb—1,5%.,
Средняя температура горючего — 282 °C.
Экспериментальный реактор В-1
Горючее: 91,3% 235U; 6,7% 238U; 2,0% Zr.
Средняя температура горючего — 371 °C.
Из приведенных данных видно, что в различных ре-
акторах употребляют разные составы урановых спла-
вов. От состава горючего зависит температура разогре-
вания сердечника и конструкция основных узлов реак-
тора.
СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ СВОЙСТВАМИ
Ядерная энергетика призвала на службу новые спла-
вы; в основу их положены недавно открытые, или ранее
не использовавшиеся металлы. В этом разделе мы рас-
скажем о бериллии, цирконии, гафнии и кадмии, на ба-
зе которых созданы сплавы с особыми свойствами для
ядерного реактора.
Бериллий отличается по физическим и механическим
свойствам от других металлов с небольшой плотностью.
Температура плавления бериллия значительно выше
температуры плавления других легких металлов и равна
1284 °C, почти вдвое выше алюминия. Он легче алюми-
ния на одну треть и более чем в четыре раза легче железа.
Его плотность равна 1,84. Бериллий обладает высо-
кой прочностью на разрыв, большой упругостью и высо-
кой твердостью. Электропроводность бериллия состав-
ляет 40% от электропроводности меди. Замечательным
свойством бериллия является высокая проницаемость
для рентгеновских лучей (в семнадцать раз выше, чем
у алюминия).
Бериллий — химически активный элемент, особенно
велико его сродство к кислороду и азоту, но плотная
140
оксидная пленка препятствует коррозии. Бериллий имеет
и существенный недостаток, часто несовместимый с его
назначением как конструкционного материала,— боль-
шую хрупкость. Даже очень чистый бериллий не обла-
дает такой пластичностью, которая была бы достаточна
для изготовления из него изделий необходимой формы.
По мнению некоторых исследователей, одна из причин
его хрупкости—ничтожные примеси кислорода. Вопро-
сы о причинах хрупкости бериллия и способах ее устра-
нения являются «белым пятном» в его биографии и ждут
своих первооткрывателей.
Первыми бериллиевыми сплавами были бериллие-
вые бронзы. Действительно, если составить сплав меди
и бериллия, сочетая высокую пластичность меди с проч-
ностью и упругостью бериллия, можно получить мате-
риал, в котором наиболее оптимально проявляются пла-
стические, прочностные и коррозионноустойчивые свой-
ства. Сейчас эти сплавы применяют для изготовления
подшипников, пружин и других упругих элементов, а
также как конструкционный материал для деталей, под-
вергающихся истиранию в условиях активных сред. Мед-
но-бериллиевые бронзы обладают высокими механиче-
скими свойствами и сохраняют эти свойства при низких
температурах и в агрессивных средах.
Бериллий открыт более ста двадцати лет назад, но
в технике использовался мало, в основном в качестве
присадки к бронзам. Широкую известность он получил
в связи с развитием ядерной энергетики. Бериллий и его
сплавы — ценные материалы для ядерного реактора.
Этот металл имеет отличные ядерные характеристики,
в первую очередь малую способность к захвату нейтро-
нов. Из бериллия и его сплавов изготовляют оболочки
тепловыделяющих элементов, замедлители, отражатели
и другие детали реактора.
Для использования сплавов в ядерном реакторе очень
важно знать, как изменяются их свойства при облуче-
нии. Бомбардировка бериллия нейтронами высоких энер-
гий влияет на его механические и физические свойства.
Как и после облучения других металлов, у бериллия в
результате бомбардировки нейтронами заметно повыша-
ется прочность и ухудшается пластичность. Величины из-
менения механических свойств зависят от мощности по-
тока нейтронов и температуры облучения.
141
Ядерная реакция приводит к образованию новых эле-
ментов, в том числе и газов. Газы, накапливаясь в бе-
риллии, вызывают изменение его объема. Накопление
газа —один из основных результатов воздействия нейт-
ронного облучения. Поскольку размер атомов газов
больше размера атомов бериллия, энергетически выгод-
но скопление атомов газа в местах нарушения кристал-
лического строения. Изучение структуры облученного
бериллия электронно-микроскопическим методом пока-
зало наличие пузырьков газа диаметром около 100А на
границах зерен и в местах дефектов кристаллического
строения. Для уменьшения опасности возрастания
объема бериллия в состав бериллиевого сплава вво-
дят другие металлы. Выяснено, что при облучении
сплава бериллия с 0,4% кадмия диаметр пузырьков
газа меньше, чем при облучении чистого бериллия. Это
препятствует образованию каверн в местах накаплива-
ния газа.
Рассмотрим достоинства и недостатки бериллиевых
сплавов как конструкционных материалов для ядерного
реактора. Основное достоинство бериллия — малая ве-
личина длины замедления нейтронов, поэтому из его
сплавов изготовляют детали замедлителя меньших раз-
меров, что позволяет уменьшить общие габариты реак-
тора. Это же свойство используется при изготовлении
деталей отражателя, который отбрасывает обратно в
реакционную зону нейтроны, делая их поглощение мини-,
мальным. Так как отражатель находится вне основной
ядерно-реакционной зоны, то бериллий сохраняет пла-
стичность, а выделение атомов газа при этом будет не-
значительных!.
Ядерно-энергетическая промышленность—это только
одно из направлений использования бериллия и его спла-
вов. Бериллий быстро завоевывает себе прочные пози-
ции в различных областях техники, так как разработа-
ны способы изготовления деталей сложных форм из хруп-
ких материалов методом порошковой металлургии. Для
этого хрупкий металл или сплав превращают в поро-
шок, затем прессуют в особых формах при высоких
температурах и большом давлении. В результате поро-
шок спекается, и получают деталь требуемой формы.
В связи с ростом спроса на листовой и сортовой прокат
хрупких бериллиевых сплавов проводят большие ра-
142
боты по изысканию технологии обработки бериллия
давлением.
Малая плотность, тугоплавкость, сопротивляемость
коррозии, высокая прочность и упругость — все эти свой-
ства ставят бериллиевые сплавы в число лучших конст-
рукционных материалов. Уже сейчас сочетание прочности
и небольшой плотности позволяет применять бериллие-
вые сплавы в приборах для управления ракетами, ис-
кусственными спутниками и т. д. Высокие упругие свой-
ства бериллия делают его полезной присадкой к пружин-
ным сплавам, в частности для изготовления часовых
пружин. Учитывая большое сродство бериллия к кисло-
роду, он может быть использован как раскислитель
при выплавке качественных сталей.
Если бы бериллию удалось придать пластичность,
присущую другим металлам, то бериллий был бы
самым экономичным конструкционным материалом.
Широкие исследования, ведущиеся в настоящее время,
позволят устранить недостатки этого перспективного
металла.
Перейдем к другому, не менее интересному метал-
лу—цирконию и его сплавам. Цирконий в природе
встречается всегда вместе с другим металлом — гафни-
ем. Лишь исключительным сходством физических и хи-
мических свойств циркония с гафнием можно объяснить
тот факт, что на протяжении сорока лет химики и
металлурги безуспешно бились над решением задачи
разделения этих металлов. «Химически чистым» цир-
конием считали сплав циркония с 5% гафния. Идентич-
ность свойств этих металлов была так велика, что при-
месь гафния не мешала использованию циркония ни в
одной из разнообразных областей его применения. По-
этому с практической точки зрения до последнего вре-
мени проблема получения циркония без гафния имела
более научный интерес, чем практический. Тем не ме-
нее несколько десятков лет испытывали новые и новые
способы разделения этих «неразлучных друзей». Были
испытаны все методы разделения: механические, физи-
ческие и химические. Но все напрасно. Ни один из раз-
работанных способов отделения гафния от циркония не
получил промышленного значения. Используя самые
сложные способы, удавалось выделить лишь ничтожное
количество металлического гафния.
143
В настоящее время найден промышленный способ
разделения циркония и гафния, но, чтобы выделить цир-
коний из минерала циркона, требуется осуществить
большой цикл химической обработки. Общность свойств
гафния и циркония определяется сходством строения их
внешних электронных оболочек, а также одинаковой
валентностью и близкими размерами атомов и ионов.
Оба металла имеют по четыре валентных электрона,
радиусы их атомов и ионов равны соответственно у цир-
кония 1,454 и 0,87А; у гафния—1,442 и 0,84А.
Как правило, размеры атомов уменьшаются с увели-
чением порядковых номеров в периодической системе
Д. И. Менделеева.
Но в VI периоде наблюдается так называемое лан-
тоноидное сжатие, вызванное достройкой в атомах ред-
коземельных элементов электронного уровня. В связи
с этим наблюдается сходство размеров атомов у элемен-
тов, отстоящих друг от друга в таблице Д. И. Менделее-
ва на значительном расстоянии, как например у цир-
кония (№ 40) и гафния (№ 72).
Однако у этих элементов есть и различия. Гафний
в два раза тяжелее циркония и почти в два раза твер-
же, а теплопроводность его в два с половиной раза
меньше. Но главное различие этих металлов заключа-
ется в их отношении к нейтронам. Цирконий пропуска-
ет через свою кристаллическую решетку почти все нейт-
роны, а гафний задерживает их. Количественно это раз-
личие в отношении тепловых нейтронов выражается циф-
рой 640. Вот почему необходимо было разделить эти
металлы.
Циркониевые сплавы, почти без потерь пропускаю-
щие нейтроны, незаменимы для конструкции ядерного
реактора. Тепловыделяющие элементы с оболочкой из
циркония или его сплавов могут работать при темпера-
туре до 550 °C, с оболочкой из алюминия и его сплавов —
до 220 °C, с оболочкой из нержавеющей стали — до
659 °C. Но в случае применения нержавеющей стали тре-
буется обогащение ядерного топлива, что ведет к высо-
ким затратам и экономически невыгодно.
Цирконий и его сплавы прошли испытания в реакто-
рах подводных лодок, на атомном ледоколе «Ленин» и
на атомных электростанциях. Эффективность примене-
ния сплавов циркония зависит от полноты удаления
144
примесей, обладающих большой способностью к захвату
нейтронов. Особенно вредны (не считая гафния) приме-
си бора и кадмия. Их содержание не должно превышать
0,00005%. Чистый цирконий не сохраняет механические
свойства при повышенных температурах. Для повыше-
ния устойчивости механических свойств циркония в этих
условиях разработаны сплавы циркония с оловом, же-
лезом, хромом и никелем. Причем суммарное содержа-
ние в них железа, хрома, никеля от 0,23 до 0,32%, а
олова—от 0,25 до 2,5%. Такие сплавы применяли для
производства труб в реакторах и для других конструк-
ционных элементов. Для работы в условиях более вы-
соких температур разработаны циркониевые сплавы с
алюминием и молибденом. К числу наиболее перспектив-
ных для ядерной энергетики сплавов относят сплавы
циркония с ниобием. Сплавы с 1,0—2,5% ниобия пока-
зали хорошие результаты при производстве из них теп-
ловыделяющих элементов.
Цирконий пользуется доброй славой в черной и цвет-
ной металлургии, огнеупорном деле, в производстве сте-
кол, эмали, глазури, в медицине и т. д. Характерно, что
облагораживающее действие циркония на металличе-
ские сплавы проявляется при очень малых его добав-
ках, исчисляемых сотыми долями процента. Расскажем
коротко о применении циркония в сплавах черной и цвет-
ной металлургии.
При выплавке стали в нее добавляют ферросплав,
содержащий цирконий, и получают отливки повышенно-
го качества, с уменьшенным содержанием серы, одно-
родного мелкозернистого строения. Сера, являющаяся
вредной примесью в металле, образует с цирконием
сульфид, который всплывает на поверхность и удаля-
ется вместе со шлаком. Цирконий один из немногих ме-
таллов, который улучшает не только прочность стали,
но и одновременно повышает ее пластичность. Цирко-
ний — желательная добавка в сталь для броневых плит.
Его присутствие в сплаве повышает снарядоустойчивость
стальной брони. Небольшие присадки циркония (от 0,05
до 0,15%) повышают жаропрочность и пластические
свойства хромо-никелевых сталей. Цирконий вместе с
никелем значительно увеличивает коррозионнрустойчи-
вость сталей против соляной и серной кислот. Введение
в состав инструментальных сталей циркония позволило
10 Заказ №34$2
145
снизить содержание вольфрама и увеличить при этом
на одну треть скорость резания.
Не менее эффективно влияние циркония на свойства
сплавов цветных металлов. Добавки циркония улучша-
ют структуру, физико-механические свойства, коррози-
онноустойчивость магниевых сплавов и обработку их
давлением. Особенно влияет цирконий на уменьшение
зерна магниевых сплавов. Так, например, добавка 0,1 —
0,3% циркония в сплавы магния с редкоземельными эле-
ментами уменьшает величину зерна до 0,05—0,13 мм,
увеличение добавки циркония до 0,4—0,6% снижает ве-
личину зерна еще в два-три раза, что очень благотворно
сказывается на пластических свойствах сплава.
Присадка малых концентраций циркония к оловян-
ным бронзам повышает предел прочности бронз на 5—
15%, увеличивает их твердость на 20—40%, обуслов-
ливая больший срок службы и надежность работы под-
шипников и других изделий. Сплав меди с 0,1—5,0%
циркония увеличивает предел прочности меди на 50%.
Соединения циркония со свинцом (цирконаты) успешно
применяют в новом электронном оборудовании.
Алюминиевые сплавы для поршней значительно по-
вышают механические свойства при присадке 0,2% цир-
кония. Значительные добавки (до 14%) циркония к не-
которым титановым сплавам заметно повышают их кор-
розионную стойкость и жаропрочность.
Даже благородные металлы выигрывают от близкого
знакомства с цирконием. Присадки 2—3% циркония к
золоту и серебру повышают твердость этих металлов.
Сплав золота с 0,3% циркония используют для элект-
рических контактов, он является самым твердым из кон-
тактных сплавов на основе золота.
Высокая коррозионная стойкость в агрессивных сре-
дах и большая прочность делают циркониевые сплавы
одним из важнейших материалов химического машино-
строения. Такие сплавы могут успешно конкурировать
с нержавеющей сталью. Циркониевые сплавы широко
применяют в производстве насосов, клапанов, конденса-
торов и других изделий, работающих в агрессивных сре-
дах.
Все чаще применяют циркониевые сплавы в аппара-
туре для производства пищевых продуктов, фармацев-
тических препаратов и искусственного волокна. Прочно-
146
стные и коррозионноустойчивые свойства позволили
применить циркониевые сплавы для изготовления хирурги-
ческого и зубоврачебного инструмента, кровоостанавли-
вающих зажимов, нитей, используемых при хирургиче-
ских операциях.
У работников атомных установок есть термин «раз-
гон реактора». Этот термин означает бурное развитие
цепной реакции. Мощность реакции прогрессивно нара-
стает. Вот она уже «перешагнула» красную черту на
контрольных приборах. Мгновенно срабатывает аварий-
ная защита. Десятки регулирующих стержней опускают
в активную зону реактора, реакция замедляется. Без
регулирующих стержней невозможно управлять реак-
тором.
Материал регулирующих стержней должен обладать
свойством максимального захвата и поглощения нейт-
ронов. К таким «поглощающим» материалам относят
металлы: гафний, самарий, гадолиний, европий, кадмий,
сплавы железа с бором (бористые стали) и другие.
Гафний менее дефицитен, чем самарий, гадолиний и ев-
ропий, не теряет поглощающие свойства, как бористая
сталь, и имеет значительно более высокую температуру
плавления по сравнению с кадмием. Поэтому гафний и
его сплавы успешно применяют в ядерном реакторе в
качестве материала для регулирующих стержней.
Применение гафниевых регулирующих стержней по- •
казало, что гафний обладает также высокими механи-
ческими и антикоррозионными свойствами и .сохраняет
эти свойства после облучения. Перспективным является
также использование металлического гафния для
компактных защитных экранов от нейтронного облу-
чения.
Первым потребителем гафния и его сплавов явилась
радиотехническая промышленность (после атомной).
Гафний применяют при производстве усилительных
ламп, катодов рентгеновских и неоновых трубок, а так-
же в выпрямителях, телевизионных трубках, фотоэле-
ментах и т. д.
Гафний — молодой металл, поэтому его сплавы с дру-
гими металлами дело будущего. Но уже сейчас можно
уверенно сказать, что гафний найдет себе широкое при-
менение в качестве легирующей добавки в стали и дру-
гие сплавы. Известно, например, что добавка гафния
10* Н7
от 0,5 до 10% приводит к повышению жаростойкости
стали. Высокая ,тугоплавкость гафния (2130 °C) и хо-
рошие механические свойства обусловливают возмож-
ность применения его сплавов для лопаток турбин реак-
тивных самолетов, клапанов, сопел и других частей
прямоточного реактивного двигателя, подвергающихся
действию высоких температур.
В 1973 г. гафний отметит юбилей—50-летие со дня
рождения и 20-летие производственной деятельности.
Это очень молодой металл. Данные, которые нам изве-
стны, позволяют надеяться на широкое его использова-
ние в разных отраслях промышленности. Гафний толь-
ко еще вступает на путь служения человечеству.
Расскажем о другом металле — укротителе нейтро-
нов— кадмии. Кадмий — металл серебристо-белого цве-
та с синеватым отливом. Металлический блеск его
несколько тускнеет на воздухе, но сохраняет свой краси-
вый оттенок. Излом кадмия блестящий и лучистый. Тон-
кая кадмиевая фольга в проходящем свете имеет сине-
вато-фиолетовую окраску. Плотность кадмия зависит от
обработки и колеблется в пределах 8,63—8,69, темпе-
ратура плавления — 320,9 °C. Кадмий — мягкий металл,
его можно резать .ножом, прокатывать в тонкие листы
и проволоку.
Кадмий — один из металлов, призванных на службу
в ядерном реакторе. Кадмиевые сплавы захватывают
нейтроны, тормозят и гасят ядерную реакцию. Из них
делают регулирующие, контрольные и аварийные стерж-
ни. Наиболее эффективными оказались стержни из спла-
вов кадмия с редкоземельными элементами. Такие спла-
вы обладают более продолжительными сроками сохра-
нения поглощающих свойств по сравнению со сплавами
кадмия с серебром и цинком.
Единственным, во очень серьезным недостатком кад-
миевых сплавов является низкая температура плавле-
ния. Ученые работают над созданием сплавов, сохраняю-
щих высокую способность захвата нейтронов и имеющих
сравнительно высокую температуру плавления.
Сплавы кадмия применяют не только в ядерной энер-
гетике. Чаще всего кадмиевые сплавы используют как
поверхностное покрытие, так как они устойчивы против
окисления при обычной температуре, а также на влаж-
ном воздухе и в слабых кислотах: на поверхности спла-
148
ва образуется тончайшая пленка оксидов, которая за-
щищает его от дальнейшей коррозии. Детали, покрытые
кадмиевыми сплавами, легко подвергаются формовке и
штамповке, хорошо свариваются, покрытие не отслаива-
ется при повреждении, как это наблюдается с цинковы-
ми и никелевыми покрытиями. Для защиты от коррозии
деталей реактивных двигателей, а также инструментов,
работающих при температурах около 500 °C, используют
никель-кадмиевые покрытия. В химической промышлен-
ности нашли применение кадмий-цинковые покрытия.
Сплавами, содержащими кадмий, покрывают детали са-
молетов, автомобилей, танков, морских судов для за-
щиты их от действия влажной и морской среды. Это
покрытие хорошо защищает стальные поверхности
от коррозии в условиях тропического климата. Для за-
щиты металла достаточно очень тонкого слоя. Так, на-
пример, кадмиевая пленка толщиной 5 мкм дает такой
же эффект, как цинковая пленка—12 мкм и никеле-
вая — 25 мкм.
В качестве покрытий используется более половины
всего добываемого в мире кадмия. Одна пятая мирового
производства кадмия используется на подшипниковые
сплавы; введением кадмия в сплавы для подшипников
достигается более низкий коэффициент трения при дли-
тельной эксплуатации. Кадмий входит в легкоплавкие
сплавы, необходимые для различных предохранителей.
При изготовлении часов используют содержащие кад-
мий железо-платиновые сплавы, отличающиеся низки-
ми коэффициентами линейного расширения. Из сплавов
кадмия, свинца и олова делают типографские клише.
Из сплавов меди с кадмием изготовляют проводники
электрического тока, обладающие, кроме высокой ме-
ханической прочности, вязкости и коррозийной стойко-
сти, еще и высоким сопротивлением к износу от истира-
ния (троллейбусные провода, коллекторные шины для
электромашин и т. д.). Добавка к меди 1% кадмия да-
ет повышение прочности более чем в два раза, в то вре-
мя как электропроводность уменьшается только на 15%.
Сплавы кадмия имеют большие перспективы. За не-
сколько лет кадмиевые сплавы стали незаменимым
материалом во многих отраслях народного хозяйства.
Нельзя сказать, что все свойства кадмия уже открыты.
Это также металл будущего.
149
Вот и подошло к концу наше путешествие в мир
сплавов. Читатель познакомился только с небольшой
группой сплавов, увидел фрагменты из их многовековой
истории.
В наше время количество сплавов, поставленных на
службу человечеству, исчисляется многими десятками
тысяч. На смену простым сплавам приходят более слож-
ные, многокомпонентные, с комбинированными свойст-
вами. Созданы сплавы на основе редких металлов, на-
пример титана, циркония, бериллия, ниобия. Но это
только начало. Мир сплавов накануне новых открытий.
За последние десять лет созданы сплавы, работающие
при очень низкой и очень высокой температурах. Полу-
чены сплавы, равные по коррозионной устойчивости зо-
лоту и платине. Ведется наступление на предел прочно-
сти сплавов. Ученые подсчитали, что теоретическая проч-
ность железа равна примерно 1200 кгс/мм2. Это в 15 раз
больше реальной прочности. Сейчас разрабатываются
методы получения сплавов, у которых предел прочности
будет приближаться к теоретическому.
Может быть, некоторые из наших читателей будут в
числе первопроходцев, открывающих новые сплавы.
И если наша книга пробудит интерес читателя, увлечет
его грандиозностью настоящего и будущего мира спла-
вов, если ему захочется познакомиться и с другими кни-
гами, рассказывающими о сплавах, можно считать, что
эта книга выполнила свою роль.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ. Мир сплавов............................3
Сплавы вокруг нас.................................3
Служба и свойства сплавов.......................1
Микромир сплавов.................................^5
ЧАСТЬ ВТОРАЯ. Из истории сплавов ...................47
Первые сплавы ..................................
Тайны старого оружия.............................39
Русский булат.................'..................39
Молодость древних сплавов........................80
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ. Крылатые сплавы.......................93
Первые летающие сплавы...........................93
Сплавы настоящего и будущего.....................106
ЧАСТЬ ЧЕТВЕРТАЯ. Сплавы на службе у мирного атома 126
Условия службы...................................126
Главное действующее лицо.........................134
Сплавы с особыми свойствами......................140
Николай Михайлович Лапотышкии
В МИРЕ СПЛАВОВ
Редактор Л. 41. Соколова
Художник А. И. Шавард
Художественный редактор В. М. Прокофьев
Технический редактор В. С. Якунина
Корректор 3. И. Почаева
Слано а набор 29/VI 1972 г. Подписано к печати 24/IV
1973 г. 84Х1081/з«- Бумага типогр. № 2. Печ. л. 4,75. Услол.
л. 8,98. Уч.-изд. л. 7.86. Тираж 40 тыс. экз. А08231.
Издательство «Просвещение» Государственного комитета
Совета Министров РСФСР по делам издательств, поли-
графии и книжной торговли. Москва, Зй проезд Марьи-
ной рощи, 41.
Отпечатано с матриц типографии им. Смирнова Смо-
ленского улоавления по печати в областной типографии
управления издательств, полиграфии и книжной торгов-
ли Ивановского облисполкома, г. Иваново-8,
ул. Типографская, 6. Зак. 3492. Цена 21 коп.