В 1787 году на воду было спущено первое судно, сделанное из этого металла. Это была речная шаланда водоизмещением тонн в двадцать. А сколько сегодня таких судов, настоящих плавучих островов водоизмещением в десятки тысяч тонн, бороздят все моря и океаны нашей планеты!
От эпохи к эпохе возрастало значение металла в жизни человека.
В 1788 году в Париже вступили в строй первые сорок миль водопровода, сделанного из того же материала. А сегодня нити трубопроводов оплели все континенты. На тысячи километров перекачивают по ним воду, нефть, газ…
Но главным потребителем главного металла стали дороги, названные его именем.
14 июня 1830 года на конкурсе паровозов победила «Ракета» — машина, построенная шахтером и механиком Джорджем Стефенсоном. Она развила скорость до 30 км в час. «Летела, как ветер», — говорили лондонцы. И это было поистине днем рождения нового транспорта. Нет, наверное, сегодня ни одного человека в нашей стране, которому бы хоть раз в жизни не пришлось воспользоваться его услугами.
По меткому выражению академика И. П. Бардина, весь фундамент современной материальной культуры человечества зиждется на нескольких миллиардах тонн этого металла, добытого трудом людей из руд и воплощенного в станки, машины, сооружения.
Имя этого металла — главного в истории человечества — железо.
На вес золота
Очень немногие люди — сотрудники специальных научно-исследовательских институтов, специалисты-металлурги — могут похвастаться, что они хоть раз в жизни держали в руках самый небольшой слиток чистого железа.
Да, да, не удивляйтесь! По всей вероятности, с вами этого не было. Ибо все то, что мы называем железом, в действительности является чугуном или сталью — сплавами железа и углерода. А по-настоящему чистое железо бывает только в лабораториях, и методы его освобождения от примесей столь сложны, что после очистки оно, вероятно, оказывается не дешевле золота.
Чистое железо — блестящий, серебристо-белый, вязкий и ковкий металл. Оно плавится при 1539 градусах, кипит при температуре около 3000 градусов и крайне непрочно. Из него нельзя построить мост или каркас высотного дома, корпус судна или деталь машины. Только на изготовление безделушек-украшений и можно бы было его использовать да на изготовление некоторых предметов домашнего обихода, вроде ведер и кувшинов. Но, к счастью, железо может быть и прочным… как сталь.
Ученые не раз делали беспредельно простой и в то же время чрезвычайно сложный опыт — клали в фарфоровый тигель кусочки железа, ставили его в электрическую печь и начинали нагревать. Проходили минуты, поднималась температура металла, и вдруг — остановка. По-прежнему отсчитывает киловатт-часы электросчетчик — это значит, что тепло по-прежнему поступает в печь. Но стрелка термометра застыла на одном делении и не движется. Проходит минута, вторая… И вдруг стрелка вздрагивает, и возобновляется равномерное повышение температуры, соответствующее течению времени.
И снова остановка… Тепло подводится к металлу, а температура его не повышается. И снова начинается повышение температуры… Опять остановка, равномерный подъем — и еще одна остановка. Последняя — металл плавится.
Эти остановки всегда, когда мы имеем дело с чистым железом, происходят при одних и тех же температурах. Первая остановка при температуре 768 градусов, вторая — при 910 градусах, третья — при 1400 градусах. А при 1539 градусах, мы говорили, железо плавится.
Нагревание напоминает подъем на лестницу, перемежающуюся широкими горизонтальными площадками. Так же, переходами с площадки на площадку, происходит и остывание металла. Что это за площадки?
Ответить на этот вопрос было нелегко. И первым ответил на него человек, который без всяких термометров и электрических счетчиков невооруженным глазом наблюдал остывание стальных болванок в цехе завода. Это великий русский металлург Дмитрий Константинович Чернов. Он заметил эти площадки.
Сегодня ученые глубоко разобрались в этом вопросе. И вот что они рассказывают.
Первая остановка связана с потерей магнитных свойств железа. До 768 градусов оно магнитно, выше — нет. Наоборот, при охлаждении ниже этой температуры железо становится магнитным. При 910 градусах происходит перестройка всей кристаллической решетки железа. Если до этой температуры атомы железа в кристаллах образовывали кубики и занимали свои места в углах этих кубиков и в центрах их — такая кристаллическая решетка называется объемоцентрированной, — то теперь они образуют кубики, атомы в которых находятся в вершинах кубов и в центрах их граней, — так называемую гранецентрированную кристаллическую решетку. Вот на эту перестройку и затрачивается тепло, когда его подводят к металлу, а температура остается постоянной.
В гранецентрированном кубе содержится на пять атомов металла больше, чем в объемоцентрированном, «упаковка» их здесь плотнее. Поэтому железо меняет при переходе через эту температуру свой объем. Изменяются и некоторые другие его свойства.
При температуре 1401 градус снова происходит изменение кристаллической решетки железа. Выше этой температуры она опять становится объемоцентрированной кристаллической решеткой. И такой остается до температуры плавления.
Железо легко образует сплавы почти со всеми металлами, кроме щелочных и щелочноземельных, и отказывается в большинстве случаев сплавляться с серебром, ртутью, галлием, свинцом и висмутом.
Но самым важнейшим из сплавов железа является его сплав с углеродом. Вот он-то и образует стали.
Вот для чего нужна «остановка».
Путеводитель по чугунам и сталям
Как это ни странно на первый взгляд, по-настоящему изучены только те сплавы железа с углеродом, в состав которых входит не больше 6,67 процента углерода. Но вот эти-то сплавы, содержащие от долей процента углерода до шести с лишним его процентов, и составляют все многообразие углеродистых сталей и чугунов, которыми располагает современная техника. Малейшее изменение содержания углерода, мало того — изменение условий, при которых образовался тот или иной сплав, например, быстро он охлаждался или нет, уже изменяют его свойства.
Путем проведения тысяч опытов ученые построили так называемую диаграмму состояния железоуглеродистых сплавов. Выяснилось, что для того, чтобы предвидеть, какими свойствами будет обладать тот или иной сплав, надо знать всю историю его образования — с момента начала застывания и до охлаждения до комнатной температуры, а то и ниже. Вот это и изображает знаменитая диаграмма. Значение ее для черной металлургии не менее, пожалуй, велико, чем значение таблицы Менделеева для химии. Познакомимся же с диаграммой состояния.
Судьбы бесчисленного семейства чугунов и сталей читает металлург по этим линиям.
На нижней линии — ее называют абсциссой — нанесено процентное содержание углерода в железе. Крайняя левая точка соответствует стопроцентному содержанию железа, крайняя правая — 6,67 процента углерода. Это именно то содержание углерода, которое соответствует химическому его соединению с железом. Это соединение химики называют карбидом железа, а металлурги — цементитом. Цементит в чистом виде является чрезвычайно твердым и хрупким веществом. Он легко царапает стекло и имеет нулевую пластичность.
Часть диаграммы состояния сплава железа с углеродом, следующую за 6,67 процента последнего, можно рассматривать как диаграмму состояния сплава цементита с углеродом. Ее исследованиями занимались многие ученые как у нас, так и за границей. Но практического значения эти сплавы не имеют, и мы не будем интересоваться сегодня ими.
На вертикальной линии диаграммы состояния сплавов железа-цементита— так называемой ординате — отмечают температуру. Поле между этими линиями занимают различные состояния сплава.
Верхняя линия диаграммы — линия ликвидуса. Выше ее существует только жидкий раствор углерода в металле. На этой линии при снижении температуры начинается застывание расплава.
Линия ликвидуса по мере увеличения углерода в металле сначала снижается, но потом резко начинает расти. Это означает, что температура начала застывания различна у сплавов, содержащих разные количества углерода. Минимальную температуру имеют сплавы, содержащие 4,3 процента углерода. Это самая низкая точка плавления сплава. Она соответствует самому легкоплавкому сплаву — эвтектике. Этот сплав железа с углеродом плавится при температуре 1130 градусов.
Следующая за линией ликвидуса вниз по диаграмме — линия солидуса. Она начинается в той же точке, что и линия ликвидуса, — мы знаем, что чистые металлы имеют определенную точку плавления, — затем резко снижается и вдруг из кривой линии превращается в прямую.
Это превращение происходит при двух процентах содержания углерода и температуре эвтектики 1130 градусов. Отметим здесь же, что два процента углерода — это максимальное его количество, которое может находиться в железе в виде твердого раствора.
Вся область между линиями ликвидуса и солидуса, — их названия происходят от греческих корней, — это область, в которой сплав находится частично в твердом, частично в жидком виде. В области диаграммы до эвтектики из расплава начинают выделяться кристаллы твердого раствора углерода в железе. В заэфтектоидной области из расплава выделяются кристаллы цементита. На линии солидуса происходит окончательное затвердение расплава. Ниже ее сплав бывает только в твердом состоянии. Но изменения его далеко еще не завершены.
Найдите точку, соответствующую на диаграмме состоянию чистого железа, нагретого до температуры 910 градусов. У чистого железа эта линия соответствует одной из «площадок» — той самой, на которой происходит при нагревании перекристаллизация из объемоцентрированной кристаллической решетки в гранецентрированную, а при остывании — наоборот. Из этой точки также выходит какая-то линия, круто спускается до температуры 723 градуса при содержании углерода 0,8 процента и также круто поднимается к уже известной нам точке— 1330 градусов и 2 процента углерода.