Загадки свойств

Будем считать, что поставленная в на­чале главы цель — научиться анализировать металли­ческие образцы — нами достигнута. Мы по крайней мере понимаем, что это можно сделать с довольно высокой точностью, и примерно представляем себе, каким именно путем. Но, как часто бывает, решение одной задачи ставит нас лицом к лицу с другой, не менее трудной. Оказывается, что никакими простыми соображениями объяснить зависимость свойств ме­таллов и сплавов от состава не удается. Приведем несколько примеров.

Систематический химический анализ промышленно выплавляемых металлов показывает, что содержание примесей в них обычно бывает на уровне IO^1 ат. % и очень редко — ниже Ю-2 ат. %. Это означает, что на каждые 1000—10 000 атомов основного металла приходится 1 атом примеси. Может быть, можно про­сто закрыть глаза на столь ничтожные добавки?

Во всех руководствах по применению металлов в разнообразных изделиях обязательно оговариваются требования к их чистоте. Иногда они очень строги: для используемого в электровакуумном производстве никеля предельное содержание серы — 0,002 %- И это отнюдь не исключительный случай. Если содержание серы превосходит указанный предел, от этого ката­строфически понижается прочность никеля. Более об­стоятельное обсуждение понятия «прочность» мы от­ложим до гл. 5, а пока лишь заметим, что этим тер­мином обозначается способность тел сопротивляться разрушению под влиянием внешних нагрузок. Так вот, у деталей из никеля эта способность резко зави­сит от содержания серы.

Возьмем другой «классический» металл — медь. На ее прочность очень плохо влияет присутствие кис­лорода. В частности, медь, содержащая более 0,1 %’ кислорода, легко разрушается при горячей обработке давлением. Однако далеко не все примеси оказывают такое сильное влияние. Например, прочность той же меди сравнительно слабо чувствительна к небольшим добавкам никеля или цинка. Такая же запутанная картина и в отношении влияния примесей на прово­димость меди: алюминий ее сильно понижает, а на висмут она практически не реагирует.

Обратимся теперь к железу. Еще в древности зна­ли, что быстрое охлаждение в воде раскаленных же­лезных изделий — закалка — делает их прочнее. Об этом свидетельствовал даже великий Гомер: «Как погружает кузнец раскаленный топор или секиру в воду холодную, и зашипит с клокотаньем железо—¦ крепче железо бывает, в огне и воде закаляясь». Хи­мический состав при такой обработке не меняется, и не в нем следует искать причину перемены свойств. Но в то же время способность железа к упрочнению при закалке от состава зависит! Особенно — от содер­жания углерода.

Список подобных примеров можно продолжать почти бесконечно. Но мы здесь остановимся и кратко подведем итоги: свойства металлов и сплавов иногда зависят от состава очень сильно, иногда практически не зависят, а иногда — как в случае закалки — из­меняются без изменения химического состава… Не очень внятно, но зато в строгом соответствии с ис­тиной.

Долгое время никакого объяснения всем этим за­гадкам не было. Мы закончим эту главу красноречи­вым признанием автора вышедшей в 1891 году в Лон­доне книги «Практическая механика» профессора Дж. Перри: «Мне не нужно перечислять вам еще но­вые примеры из длинного каталога тех замечатель­ных свойств твердых материалов, которых мы еще не понимаем. Производственники знают о них весьма много и опираются на свои знания, но ни у кого, по – видимому, нет сколько-нибудь ясного представления, чем эти свойства вызываются. Дело не в том, что производственник отжигает сталь и обнаруживает удивительные изменения свойств стали при незначи­тельном изменении ее химического состава, а в том, что и ученый, и производственник одинаково осведом­лены об этих фактах и одинаково не имеют представ­ления об их истинной природе»,

ГЛАВА 2