Зеркальный мир
Шрифт:
Как правило, рассматривая отшлифованную и протравленную поверхность металла под микроскопом, мы не обнаружим никакого намека на симметрию. Дело в том, что в процессе затвердевания металла его кристаллы взаимно мешают друг другу расти и приобретать форму, отвечающую их действительной симметрии. Однако металловеды нашли способ получить кубические кристаллы металла. Для этого они используют металлические сплавы, один из компонентов которых кристаллизуется гораздо раньше остальных.
Так, при затвердевании сплава сурьмы, олова и свинца вначале выделяются кристаллы, богатые сурьмой, которые образуют очень красивые кубики. Оставшаяся часть сплава кристаллизуется почти одновременно, при этом возникающие кристаллы мешают друг другу проявить присущую им правильную внешнюю форму.
Рентгенограмма
Заметим, кстати, что для технических целей почти всегда используются не чистые металлы, а их сплавы с другими веществами. Особые свойства, благодаря которым сплавы и находят применение, определяются именно содержанием в них тех или иных компонентов. Чистые металлы применяются лишь в особых случаях. Когда говорят о железе как о техническом материале, то обычно имеют в виду чугун, содержащий около 5% компонентов-примесей. В составе стали присутствует от 0,5 до 30% различных добавок. Некоторые алюминиевые сплавы содержат присадки магния.
Конечно, для всех сплавов построены красивые модели из цветных шариков. Мы тоже можем, мобилизовав собственную фантазию, мысленно разобрать важнейшие варианты. Допустим, атомы двух металлов значительно разнятся по своим радиусам (обратите внимание: металлы не являются химическими соединениями, и потому мы снова говорим об атомах, а не ионах!). Им трудно или даже невозможно построить общую решетку. Такие металлы «нерастворимы» один в другом. К примеру, атомный радиус железа 0,126 нм, свинца - 0,175 нм. Благодаря этому свинец можно плавить в железном сосуде. Даже наши бабушки использовали это свойство свинца при традиционном гадании в канун Нового года.
Сравните симметрию решетки кристалла и рентгенограммы. Обратите внимание на постоянное чередование ионов Nasup+/sup и Сlsup-/sup в структуре кристалла. Решетка из Nasup+/sup -ионов вставлена в решетку из Сlsup-/sup -ионов
Однако большинству металлов свойственна (в определенных пределах) взаимная растворимость. При этом опять-таки возможны два случая. Либо атомные радиусы металлов столь близки, что их атомы могут подменять друг друга, либо же одни атомы настолько малы, что по своей величине подходят к промежуткам между другими, более крупными атомами.
Железо и никель имеют почти одинаковые атомные радиусы и могут свободно замещать друг друга в решетке. Напротив, атом углерода гораздо меньше атома железа. В силу этого при высоких температурах до 0,1% углерода может размещаться в гнездах кристаллической решетки железа. Если 0,1% покажется вам слишком малой величиной, примите во внимание то обстоятельство, что только человеку присуще вести счет на весовые проценты, природа же процентного исчисления «не знает». Она «считает» просто.
Атомная масса железа около 56, углерода - лишь 12. Следуя в своих подсчетах природе, чтобы получить «поштучные проценты», нам придется выраженное в весовых процентах значение умножить приблизительно на 5. Согласно такому расчету, при температурах порядка 700° С каждый двухсотый атом в решетке может принадлежать углероду. Между тем железо имеет особое свойство: оно меняет свою кристаллическую структуру в зависимости от температуры. Выше 906°С устойчива плотнейшая кубическая гранецентрированная упаковка, в которой и находят себе место атомы углерода. Ниже этой температуры железо приобретает кубическую объемно-центрированную решетку, что сопровождается снижением степени использования объема до 68%. Хотя при этом суммарное процентное содержание пустот в решетке возрастает по сравнению с плотнейшей кубической упаковкой, отдельные реально существующие гнезда становятся меньше. Атомы углерода уже не могут разместиться в них и вытесняются из решетки. С этим связаны явления, наблюдаемые при закалке стали.
Кристаллы
Желая использовать в полной мере такие свойства стали, как твердость и прочность, металлург посредством введения других, легирующих компонентов увеличивает трудности, которые испытывает атом углерода при своем вхождении в кристаллическую решетку железа. Ведь атом не может просто исчезнуть из железа. В сталях, содержащих от 0,05 до 1,0% углерода, превращение железа буквально застигает атомы углерода «врасплох». Им не остается ничего иного, кроме как частично сохраниться в решетке железа в качестве чужеродных тел, вызывая ее деформацию, а тем самым повышение твердости и упрочнение.
Металлург знает при этом, какие следует принять меры (отпуск, отжиг), чтобы деформировать решетку железа ровно настолько, насколько нужно. Однако для того, чтобы разъяснить эти процессы в деталях, потребовалась бы целая книга. Как уже говорилось, для повышения твердости и прочности стали структурные превращения железа - идеальное средство. Но, к сожалению, иначе обстоит дело, когда необходимо повысить пластичность железа. Кубические гранецентрированные решетки с плотнейшей шаровой упаковкой поддаются растяжению проще и легче, чем другие типы кристаллических решеток.
КАК БЫЛА ОТКРЫТА НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ
После первой мировой войны фирма Крупна энергично искала пути увеличения прибылей. В лабораториях концерна велись интенсивные исследования, направленные на получение новых видов металлургической продукции. Среди многих сотрудников там работал и молодой металлург д-р Маурер. Однажды, роясь в ящиках стола в поисках каких-то документов, он наткнулся на старые образцы стали. По привычке машинально пробежав глазами номера опытных серий на обертках, он совсем уже было отложил их, как вдруг замер от неожиданной догадки. Образцы были выплавлены давно, но не отвечав тогдашним целям и были заложены в дальний угол стола, где и пребывали в полном забвении. Однако д-р Маурер сразу отметил один факт, мимо которого прошли многие, в чьих руках до того побывали отливки: образцы не заржавели!
В лабораторной атмосфере, богатой парами различных химических соединений, сталь ржавеет очень быстро. Однако эти образцы с номерами V2A сохранили чистую блестящую поверхность, лишенную малейших следов коррозии. Немедленно приступили к дальнейшим исследованиям, которые показали, что путем введения надлежащих добавок хрома и никеля можно стабилизировать плотнейшую кубическую упаковку железа, сделав ее устойчивой и при комнатной температуре.
Кубическая структура металла (сплав свинца, олова и сурьмы) видна благодаря тому, что при затвердевании из расплавленной смеси сначала выделяются богатые сурьмой кубические кристаллы, которые определенное время имеют возможность свободно расти (Увеличение 100 : 1.)
Переход при 906° С от гранецентрированной пространственной решетки, где есть место для-атомов углерода, к объемно-центрированной решетке с худшим использованием объема полностью подавляется, если около 25% атомов железа заместить хромом и никелем.
Так была открыта нержавеющая сталь. А в голове ее первооткрывателя уже роились новые идеи. Впоследствии он внес большой вклад в создание металлургической промышленности ГДР. Когда профессор д-р Эдуард Маурер бывал в хорошем расположении духа (что случалось не слишком часто), он рассказывал, чем для него кончилась эта история: «За то, что я спас Крупна от банкротства, мне заплатили 4 тыс. марок. Вечером, уходя из дома, я прихватил их с собой, а по пути назад остаток сунул кому-то на улице». В то время в Германии началась инфляция, и покупательная способность этих денег была исчезающе мала.