Борис Смагин – Мудрость эксперимента (страница 9)
В Институте металлургии имени Байкова сверхпластичностью занялись доктор технических наук Минас Хачатурович Шоршоров, кандидат технических наук Александр Сергеевич Тихонов (сверхпластичность была для него логическим продолжением всего, чем он занимался раньше) и доктор физико-математических наук Кирилл Петрович Гуров. Они и создали флуктуационную модель, основу для прогнозов поведения различных сплавов и металлов.
Как единый монолит выглядит кусок металла, носящий в физике наименование поликристалла. И сколько огрехов можно найти в его строении!
В самом деле, где же порядок в этом скопище мелких кристаллических зерен, перемешанных друг с другом? В каждом из них что-нибудь сломано, чего-нибудь недостает. В каркасе кристаллов зияют дыры, куда-то исчезли большие куски отдельных ребер. Это дислокации — так называют кристаллографы подобные нарушения. Да и вся ажурная конструкция отступает от строжайшей симметрии. Отсутствуют отдельные звенья или прилепились новые, вроде как бы посторонние.
Если мы дойдем до элементарных кирпичиков, образующих кристаллические постройки, то и тут не найдем порядка: в миниатюрном кубике вместо обычных 9, 14 или 15 атомов — на один меньше, появились пустоты, на языке кристаллографов — вакансии.
В общем, беспорядок.
Но для сверхпластичности он и нужен. Она «стоит на беспорядке». И чем мельче зерна, чем больше в них различных дефектов, тем лучше.
Кусок резины, сжатый рукой, становится копилкой внутренней энергии. Так велит непреклонный закон сохранения энергии.
И поликристалл конденсирует всю работу, что пошла на всевозможные разрушения его кристаллической решетки и на измельчение зерен.
Кристалл буквально насыщен энергией: подвижнее стали его атомы, изменилась скорость, с которой он реагирует на внешние нагрузки.
Тем самым поликристалл как бы попал в область предплавильных температур, когда все готово для внутреннего переворота. Готовность номер один может разрешиться взрывом, если кристалл дополнительно подогреют, то есть передадут ему еще порцию энергии. Вот тогда количество — всевозможные дефекты — может перейти в качество — сверхпластичность. Между зернами появится слой необычайно подвижных активных атомов — своеобразная смазка, по которой поплывут отдельные зерна. Для многих тел главное — такое «межзеренное» проскальзывание, у других — сверхпластичность обусловлена вакансиями или дислокациями, где также вовсю работают пограничные слои. Наступает полная податливость еще недавно сугубо хрупкого вещества, которое теперь изменяет свою форму самым прихотливым образом.
Но вот материал обработан должным образом и охлажден. Все «вернулось на круги своя»: прочность кристалла восстановлена, неприступны границы зерен, не подают голоса дислокации и вакансии.
Такова теоретическая и практическая модель сверхпластичности — в довольно свободном от строгой научности изложении. Как выяснилось, для любых металлов и сплавов можно рассчитать температуру и размер кристаллических зерен, необходимых для рождения сверхпластичности, можно составлять практические инструкции, где для каждого металла и сплава будет определено, каким образом перевести его в сверхпластичность.
Наступила пора формул, точных расчетов и... практических рекомендаций.
Ученые Института металлургии не просто создали модель. Пользуясь идеями замечательного советского физика-теоретика Я. И. Френкеля, они определили критическую температуру сверхпластичности для целого ряда сплавов и минимальные размеры зерен, необходимых для перехода поликристалла в сверхпластичное состояние.
Они показали, что дополнительные нагрузки увеличивают скорость обработки сверхпластичных материалов. Та величавая медлительность, свидетелем которой я был в цеху, не так уж радует производственников. Более того, именно она служит зачастую камнем преткновения при всех попытках технологического внедрения новых методов, поскольку при быстром перемещении валков лента рвется.
Ученые продемонстрировали, сколь успешно сверхпластичность можно применять почти во всех технологических операциях современной металлургии.
Так эксперименты подтверждали и углубляли теорию, ставили точки над всеми i, которые возникали на каждом шагу.
Весь путь развития металлургии — непрерывная цепь экспериментов, за каждым из них скрывалась новая технологическая операция, а значит, и возможность миллионной экономии средств. Кроме того, зачастую резко сокращается время преобразования металла — от руды, извлекаемой на поверхность земли, до промышленного изделия.
Случай был помощником первых металлургов, случай, который дал в руки человеку сталь, чугун, латунь и бронзу.
Металлурги нашего времени работают по-иному. Они пользуются сложнейшими расчетами, для них разработана теория. Но ведь ловить оптимум, изучать влияние различных микроскопических примесей, определять необходимые температурные интервалы и многое другое по-прежнему удел эксперимента. Его требует доводка любой разработанной методики.
Научно-техническая революция двадцатого века в основном технологическая. Не зря ведь польский фантаст Станислав Лем назвал свою книгу о далеком будущем «Сумма технологии».
Технология металлургии, ее приемы стары, как мир. И в то же время они несут все приметы времени. Незыблемыми остаются только названия: сварка, прокат, волочение, штамповка и так далее. Но каждая из этих традиционных операций современна в самом совершенном смысле этого слова.
Открытая сорок лет назад, заброшенная и отвергнутая технологами сверхпластичность, словно желая наверстать упущенное, широким фронтом начала экспансию во все области обработки металлов. Ученые Москвы, Тулы, Уфы изучают сверхпластичность, стараясь применить ее, где только можно. И каждый раз убеждаются в удивительной многоликости эффекта.
В Туле создан новый метод деформации инструментальных сталей. Процесс обработки резко упрощается сверхпластичностью. С ее помощью ученые научились получать в металлических изделиях глубокие полости, когда пуансон врезается в плотный металл, будто это мягкий, податливый воск.
Уфимские металловеды продемонстрировали сверхпластичную обработку никелевых сплавов и нержавеющей стали — от штамповки до проката.
Московские ученые разрабатывают и внедряют сверхпластичную пневмоформовку сложных металлических изделий, обработку металло-керамических материалов, создают новые образцы стали.
И все эти «сверхпластичные» приемы и технологические рецепты, добытые трудом сотен энтузиастов, уверенно идут на производство.
Эксперименты проявили всю многогранность сверхпластичности, которую можно объединить одной лишь фразой: «облегчает обработку металлов». Только и всего! Но каждый понимает, что стоит за этой простой фразой.
В Институте металлургии существовал стенд, который потом переехал в павильон ВДНХ. Там запечатлены были достижения металловедов-сверхпластичников, часть их работ.
Открывала панораму металлическая коробка весьма сложного профиля, отштампованная в условиях сверхпластичности. За ней длинная игла — поликристалл, который в пору своего рождения был сверхпластичным. Вытянут ровно, гладко, без обычной для подобных процессов «шейки» — предвестницы разрушения.
Титановые сплавы — их деформировали в условиях сверхпластичности и тут же подвергали закалке. Сплав стал еще прочнее. Значит, получен новый рецепт упрочения, чему свидетелем образцы стали, также обработанной в атмосфере сверхпластичности.
Еще один экспонат — железохромалюминиевые сплавы, куда входит до 59 процентов хрома. Создать их помогла сверхпластичность. Изделия из этих сплавов практически не окисляются. Обработка их проста, сплавы можно применять в производстве искусственного волокна — нитрона.
Тонкие фольги легированных сплавов — их давно жаждали видеть на предприятиях электронной промышленности.
Образцы сварки в условиях сверхпластичности. Детали соединились так прочно, что рентгеновское просвечивание с трудом обнаруживает место соединения. Подобным образом можно получать разнообразные биметаллы.
И еще экспонат, самый, пожалуй, многообещающий — силуминовая фольга, фантастически тонкая для литейного сплава (10 микрон), да еще с волокнистыми вкраплениями. Ровными слоями покоятся на металлической основе то стальная проволока, то органические волокна бора.
Вот оно — самое интересное, самое важное применение сверхпластичности: перед нами материалы будущего — знаменитые и уже заранее прославленные композиты.
Специалисты единодушно считают, что в конце двадцатого века станут редкостью однородные вещества. Их заменят композиционные материалы с любыми наперед заданными свойствами, объединяющие вещества хрупкие и сверхпрочные, пластичные и жесткие, тяжелые и легчайшие, жароустойчивые и легкоплавкие.
Тонкая фольга из силумина, появление которой так радостно встретили металловеды, оказалась не только наглядной демонстрацией удивительных возможностей сверхпластичности, но и образцом новых матриц для композитов.
Внедрение сверхпластичности в металлообработку еще только начинается. Но первый шаг сделан, а он, как известно, самый трудный.
Итак, два старых известных эффекта обрели новую жизнь, став основой измерительной техники и технологических процессов металлообработки.