История металлургии и современные исследования свойств металла

Труды Чернова превратили металлургию в точную науку. Вот почему, выступая перед крупнейшими металлургами мира, собравшимися в 1900 году на Всемирную выставку в Париже, известный французский металлург Г. Монгольфье сказал: «Считаю своим долгом открыто и публично заявить в присутствии стольких знатоков и специалистов, что наши заводы и все сталелитейное дело обязано настоящим успехом в значительной мере трудам и исследованиям русского инженера Д. К. Чернова и приглашаю всех выразить ему нашу признательность и благодарность от имени всей металлургической промышленности». А в 1903 году вышла книга американского металлурга Хоу (по другой транскрипции Гоу) со следующим посвящением: «Профессору Дмитрию Константиновичу Чернову, отцу металлографии железа».

Атомы в строю. «Весь процесс обработки металла определяется только кристаллами, из которых сложен металл»,— писал Чернов. Чтобы постигнуть, в чем секрет прочности металлов и сплавов, нам придется поближе познакомиться со строением кристаллов, которое было детально изучено уже в XX веке с помощью рентгеновских лучей, электронного микроскопа, метода меченых атомов, ультразвука и других современных методов исследования. Так, например, рентгеноструктурный анализ позволил определить симметрию кристаллической решетки каждого вещества, взаимное расположение атомов в ней, на основании чего удалось построить наглядные модели кристаллов различных веществ.

Металлы в твердом состоянии слагаются из ион-атомов, которые упрощенно можно считать шарообразными. Располагаются они друг относительно друга таким образом, чтобы обеспечивался наилучший взаимообмен электронами (при этом вся система имеет наименьшую внутреннюю энергию). А условия для такого обмена электронами тем лучше, чем плотнее друг к другу находятся ион-атомы. Полнейшими же упаковками шаров являются кубическая гранецентрированная и гексагональная. И в том, и в другом случае в моделях таких кристаллов 74% объема заполнено условными шарами.

Большинство металлов имеет именно такие упаковки ион-атомов: гранецентрированную — алюминий, медь, свинец, никель, золото, серебро, платина и др.; гексагональную — магний, цинк, кадмий, бериллий и др. У многих металлов кубическая объемноцентрированная упаковка — здесь условными шарами заполнено 68% объема; таковы литий, хром, ванадий, молибден, вольфрам и др.

Как обои являются многократным повторением одного и того же рисунка, так и кристалл является многократным повторением одной и той же элементарной ячейки. Если хотите, кристалл — это «пространственные обои», где основной рисунок — элементарная ячейка — повторяется по всем направлениям, удельный вес такого металла во-многом совпадает с его плотностью в граммах на еденицу объема.

Минимальной потенциальной энергией ион-атомы обладают лишь в узлах кристаллической решетки. Взаимодействие двух соседних ион-атомов можно наглядно иллюстрировать, напри-мёр, такой моделью: два шара стягиваются резиновыми жгутами и отталкиваются друг от друга пружинками. Когда жгуты и пружинки взаимно уравновешиваются, шары располагаются на некотором постоянном расстоянии друг от друга. Всякое их смещение из этого положения равновесия требует затраты энергии, чтобы преодолеть противодействие резиновых жгутов или пружинок. В кристаллической решетке тоже действуют силы притяжения и отталкивания между ион-атомами. Они стремятся вернуть ион-атомы в исходное положение, как резиновые жгуты и пружинки возвращают на свое место шары в нашей модели. Действию этих сил обязан, например, булатный клинок своей упругостью. Именно они, возвращая смещенные со своих мест ион-атомы в исходное положение, выпрямляют клинок. Так ведет себя металл, например нержавеющая сталь во время упругой деформации.