Репортаж из XXI века - Михаил Васильев

Паутинка, заменяющая канат

Материалы будущего…

В одном из романов знаменитого английского фантаста Герберта Уэллса рассказывается о веревочной лестнице, канаты которой были не толще паутины. Между тем они выдерживали вес нескольких человек одновременно, и, казалось, разорвать их невозможно.

Что это было? Сплав удивительной прочности? Необыкновенное искусственное волокно? Писатель не дал ответа на этот вопрос. Взглядом художника, а не инженера видел он будущее.

— Вероятно, паутинки уэллсовской лестницы были сделаны из, чистого железа, — сказал нам член-корреспондент Академии наук СССР Иван Августович Одинг, большой специалист в области прочности металлов. — Да-да, из чистого железа.

— Простите, но ведь чистое железо — это мягкий, податливый, пластичный металл, — возразили мы. — Временное сопротивление разрыву у него едва-едва достигает 20 килограммов на квадратный миллиметр. Чистое железо значительно менее прочно, чем сталь. Ведь именно сталь идет на самые ответственные, самые нагруженные детали машин и механизмов, а не чистое железо.,

— Да, вы правы, — ответил, улыбнувшись, ученый. — Но дело значительно сложнее. Для того чтобы разобраться в нем глубже, оглянемся назад.

Знаете ли вы, что все те машины, с которыми мы имеем дело сегодня, было бы невозможно построить, если бы их создатели располагали только материалами, существовавшими в начале нашего века? Что был бы невозможен не только реактивный самолет и газотурбинный двигатель, но что и обычный автомобильный мотор оказался бы раза в два-три тяжелее сегодняшнего? А это именно так.

В те дни, когда я еще был студентом — это совпало с годами первой мировой войны и Великой Октябрьской революции, — чугун имел прочность всего около 8 килограммов на квадратный миллиметр. Хорошие заводы гарантировали 10 килограммов на квадратный миллиметр.

А сегодня чугун выдерживает 70–80 килограммов на квадратный миллиметр.

Легкие сплавы в те времена тоже имели пределом прочности 6–7 килограммов на квадратный миллиметр.

А современные сплавы алюминия позволяют доводить нагрузку до 55–60 килограммов на квадратный миллиметр. Грубо говоря, нам, металловедам, удалось повысить за эти годы прочность металлов, имеющих коренное значение в машиностроении, примерно в 8—10 раз.

Это грандиозная победа. Вот цифры, которые позволяют представить ее величественные результаты.

Вес двигателя внутреннего сгорания на одну лошадиную силу в 1900 году составлял 250 килограммов. Сегодня вес авиационного дизеля на одну лошадиную силу не достигает и килограмма!

Вес пароэлектрического агрегата электростанции на одну лошадиную силу снизился по сравнению с началом века, когда он достигал примерно 150 килограммов, до 4–5 килограммов!

Казалось бы, успех колоссальный. Он был достигнут двумя основными путями: во-первых, легированием металла, то есть добавлением в его состав незначительных в процентном отношении упрочняющих присадок; и, во-вторых, разработанной системой термообработок, вызывающих выгодные для нас изменения в кристаллической структуре материалов. Оба из этих путей не пройдены еще до конца ни наукой, ни практикой. Дальнейшее упрочение, повышение качества металлов будет достигаться и за счет новых присадок, и за счет новых методов механической и термической обработок. И, вероятно, идя по этим путям, мы сможем в течение ближайшего десятилетия поднять прочность стали от 200 килограммов на квадратный миллиметр, уже достигнутых сегодня, до 300 килограммов на квадратный миллиметр. Если быть оптимистичным, можно ожидать, что будут достигнуты и 400 килограммов на квадратный миллиметр. Ну, а где же тот верхний предел прочности металла, к которому мы можем стремиться?

Этот предел указали физики. Они определили величины межатомных связей. И по их теоретическим расчетам оказалось, что прочность простых чистых металлов должна быть в тысячи раз выше тех, которые мы сегодня считаем своим предельным блистательным достижением.

В тысячи раз! Представляете себе?! Не в два, не в десять, а в тысячи раз! Вот она — паутинка, которая выдержит вес десятка людей! Вот они — мосты, фермы которых похожи на кружево, башни телевизионных центров в десятки километров высотой, воистину почти невесомые самолеты.

Листая страницы научно-фантастических романов, рассматривая иллюстрации в них, я всегда удивлялся массивности изображаемых машин и сооружений. И писатели и художники стремились их сделать величественными. А ведь в будущем вероятнее всего ожидать сверхлегкие пластмассовые дома, крохотные, но очень мощные и производительные машины, ажурные, кружевные Мосты. И на рисунках они должны быть такими, чтобы у меня, человека, всю жизнь проработавшего над вопросами прочности, голова кружилась при одной мысли о необходимости вступить на такой мост.

Непосвященных людей, да нередко и посвященных, прямо-таки гипнотизируют величественные цифры веса многих наших машин и сооружений. Миллионы кубометров бетона, сотни тысяч тонн стальных конструкций, десятки или сотни тонн веса той или иной машины. Совсем еще недавно было время, когда мы выпуск, например, паровых котлов заводом измеряли не в сотнях тысяч тонн их паропроизводительности, не в штуках даже, а в весе металла, который пошел на их производство. Ну и старались, конечно, изготовители «вогнать» в эти паровые котлы как можно больше металла, чтобы были повыше цифры, побольше выполнение плана. А ведь эти цифры — вопль о низком состоянии техники.

Надо, во всех случаях надо, что бы ни создал инженер — самолет или паровой котел, гидроэлектростанцию или гидравлический пресс, автомобиль или телевизор, — важнейшей характеристикой машины считать отношение веса ее к единице производительности. И только если это отношение оказывается ниже, чем у аналогичных уже существующих машин, считать машину новым словом в технике… Но мы отвлеклись…

Как же согласовать теоретическую прочность металла с ее практической прочностью? Почему между ними существует такой гигантский разрыв? Почему еще невозможно осуществление уэллсовской лестницы?

Лет двадцать— двадцать пять назад два ученых — английский физик Тэйлор и член-корреспондент нашей Академии наук Я. Н. Френкель — независимо друг от друга пришли примерно к одинаковому мнению по этому вопросу. «В металле, его кристаллической структуре, есть определенные несовершенства, структура их действительная не соответствует теоретической. Эти несовершенства и являются причиной их низкой прочности». Примерно таким был их вывод.

Попробуем разъяснить это следующим примером. Представьте себе комнату, заполненную футбольными мячами так, что их центры образуют вершины куба. Допустим, что мячи будут лежать не строго равномерно: в их расположении будут пропуски, места смещений и другие искажения точно математической укладки. Видимо, нечто подобное происходит и в кристаллической решетке металлов. В большинстве случаев металлы кристаллизируются в кубической системе, то есть атомы располагаются по углам куба. Определенные несовершенства в их укладке и вызывают катастрофическое падение прочности металла.

Сколько споров было вокруг этой гипотезы! Одни ее признавали, другие считали ересью. Но факты неумолимо подтверждали ее соответствие истине. Прежде всего совпала расчетная прочность металла, — если учесть имеющиеся в нем определенного вида несовершенства, их назвали дислокациями, — с той прочностью, которую мы имели в действительности. А затем этот затянувшийся спор в науке судом фактов, как всегда, был решен в пользу истины. Огромную роль при этом сыграли свидетельские показания электронного микроскопа. Дислокации, которые объявлялись несуществующими, а гипотеза о их существовании — слишком искусственной, удалось увидеть и даже заснять на кинопленку.

Дальнейшие, исследования выявили примерно такую картину. Дислокации получаются в металле в первые же мгновения его затвердевания з литейной форме. Оказывается, кристаллизация из расплава с образованием дислокаций идет с меньшей затратой энергии, чем без дислокаций. А затем, при дальнейшей обработке — ковке, прокатке, волочении металла — мы увеличиваем количество этих дислокаций.

Интересна и еще одна особенность. Минимальную прочность металл имеет при совершенно определенном количестве этих дислокаций. Если мы увеличим их количество — это происходит, например, при прокатке, — металл становится прочнее. Чем больше дислокаций — тем прочнее металл. Вот по этому пути — увеличения числа дислокаций — и шли наука и практика металлургии в последние десятилетия, не предполагая о существовании дислокаций.

Но от этого минимума прочности есть и другой путь к упрочению металла — уменьшение числа дислокаций. И этот путь гораздо эффективнее. Именно он может обеспечить нам создание материалов невероятной прочности.