The new science of strong materials

часть внутриамериканского грузооборота вплоть до
60-
х годов прошлого столетия
.
Вообще говоря
,
использование металлов требует решения двух проблем
.
Во
-
первых
,
металл должен быть получен из
руды
,
этим занимается металлургия
.
Во
-
вторых
,
нужно перевести металл в наиболее полезное состояние с точки зрения
твердости
,
прочности и вязкости
;
подсказать здесь необходимые пути призвано металловедение
.
Как мы уже видели
,
чистые металлы обычно очень мягки
,
поэтому металловеды занимаются в основном торможением дислокаций
,
но лишь в
такой мере
,
чтобы упрочнить металл
,
не вызвав его охрупчивания
.
Поскольку металлы из руды часто получаются в
нечистом виде
,
их экстракция
(
извлечение
)
и последующая обработка должны рассматриваться совместно
.

---

VIVOS VOCO: 
Дж
. 
Гордон
, «
Почему
мы
не
проваливаемся
сквозь
пол
» - 
Часть
2
http://vivovoco.rsl.ru/VV/PAPERS/TECHNICS/GORDON.1/PART03.HTM
Химические и технологические особенности обработки могут варьироваться очень широко
,
но в каждом случае цепь
остается одной и той же
:
управление подвижностью дислокаций путем изменения структуры и размеров кристаллов
(
дислокации могут пересекать границы между отдельными зернами
,
но для этого они должны преодолеть определенное
сопротивление
)
или с помощью добавок легирующих элементов
.
Легирование сплавов может дать такой результат
,
который затормозит дислокации как раз в нужной степени
.
Очень малые частицы
,
даже единичные атомы примеси
,
могут
застопорить продвижение дислокационной линии
,
если эта линия натолкнется на них
.
Можно вычислить напряжение
,
необходимое для того
,
чтобы сначала выгнуть дислокацию в дугу между точками закрепления
,
а затем и оторвать ее от
них
.
Это напряжение зависит от расстояния между этими точками
,
которое становится
,
таким образом
,
полезным и
мощным средством управления свойствами сплава
.
Почти любая добавка к металлу будет влиять на его механические
свойства в лучшую или худшую сторону
,
а иногда и в ту и в другую сторону сразу
:
некоторые добавки полезны
,
когда
они рассеяны по всему объему
,
и вредны
,
когда
,
собираясь на границах зерен
,
серьезно ослабляют металл
(
см
.
главу
3
).
Если мы возьмем число всех пластичных металлов и умножим его на число возможных механизмов упрочнения
,
то
окажется
,
что количество взаимосвязей и комбинаций в металловедении будет весьма большим
,
отчего сам предмет
покажется уже очень сложным
.
Однако для неспециалиста
,
интересующегося лишь принципами и конечными
результатами
,
все следствия происходящих в металлах процессов можно представить в достаточно простом виде
.
Посмотрите на табл
. 2 (
гл
. 10
).
В нее внесены многие технические металлы
,
и хотя плотность их весьма различна
-
от
10,5 
г
/
см
3
у молибдена до
1,7 
г
/
см
3
у магния
, -
модуль Юнга
,
деленный на плотность
,
удельный модуль Юнга
,
оказывается для них всех величиной постоянной
.
Существуют
,
правда
,
некоторые широко применяемые металлы и
сплавы
(
например
,
медь и латуни
),
для которых удельный модуль упругости немного ниже
.
Но пластичных металлов с
более высокой удельной жесткостью нет
.
Таким образом
,
почти все используемые металлы дают ту жесткость
,
за
которую заплачено их собственным весом
, -
ни больше
,
ни меньше
.
Как уже говорилось
,
все эти металлы в чистом состоянии очень мягкие
,
и задача металловедов состоит в том
,
чтобы
поднять их прочность и твердость
,
не допуская чрезмерного охрупчивания
.
Если судить по деформации
,
успехи
металловедения отличаются удивительным постоянством
.
Обычно максимальная упругая деформация
,
которую можно
получить на металле без придания ему недопустимой хрупкости
,
колеблется около
1%.
Однако в большинстве случаев
инженеры считают металлы в таком состоянии малопластичными и потому малопригодными и
,
как правило
,
вынуждены
ограничиться максимальной упругой деформацией между
0,25
и
0,5%,
тогда
,
как остаточное удлинение может доходить
до
50-60%.
Следовательно
,
весьма приближенно все металлы можно считать членами одного семейства с очень схожими удельными
жесткостями
,
удельными прочностямн и удлинениями
.
Конечно
,
это очень грубое обобщение
,
и уж совсем не так стоит
вопрос для металловедов
,
которые упорно продолжают предпринимать попытки получить лучшие комбинации удельной
прочности и вязкости
(
с удельной жесткостью ничего не поделаешь
),
хотя возможности их здесь довольно ограниченны
.
Металловеды достигли успехов в попытках сохранить прочность с повышением температуры
.
Во многих случаях это
важнее
,
чем повышение прочности при комнатной температуре
.
Нет нужды описывать здесь специальные металлургические процессы и различные виды обработки всех металлов и
сплавов
.
На эту тему написано множество книг
.
Однако огромная социальная и техническая значимость железа и стали
заставляет рассказать о них немного подробнее
.
Приступая к делу
,
я слишком хорошо отдаю себе отчет в размерах и
трудностях этого предмета
.
Возможно перед началом я должен принести какую
-
то жертву Гефесту
,
кузнецу и
оружейнику Олимпа
,
единственному технологу
,
принятому в круг главных богов
.
Железо
Прочность железа и стали определяется чрезвычайно сильным влиянием углерода
,
содержащегося в кристалле железа
,
на
движение дислокаций
.
Конечно
,
дислокационные явления оказались понятными лишь совсем недавно
.
Да что там
дислокации
,
даже сравнительно простая химия процесса получения железа из руды была осознана к концу периода
промышленной революции
.
Однако практическая металлургия железа была разработана и без этого
,
и сейчас она во
многом остается традиционным процессом
.
Подобно тому как текстильное дело с его прядением и ткачеством уходит в
доисторические времена
,
а вклад современных фабрик сводится к механизации и рационализации простых ручных
операций
,
так и производство стали основано сейчас на усложненных схемах
,
которые сами по себе существуют с
незапамятных времен
.
Именно поэтому процессы черной металлургии лучше всего понимаются на историческом фоне
.
Величайшая трудность древних металлургов
(
исключая
,
конечно
,
их научное невежество
)
была связана с получением
достаточно высокой температуры в печи
.
Современное металлургическое оборудование дает в руки металлурга высокую
и регулируемую температуру
.
Это сокращает время получения металлов и сплавов
,
так как позволяет объединять в один
процесс несколько операций
.
Естественно
,
сейчас и масштабы другие
.
Современная печь может дать тысячу тонн стали в
день
,
тогда как средневековый мастер был бы доволен
,
получив килограммов пятьдесят металла
.
Не в пример бронзе
,
которая может плавиться при
900-1000° C,
что как раз обеспечивают обыкновенные дрова
,
чистое
железо плавится при
1535° C,
а эта температура веками лежала за пределами технических возможностей
.
Однако уже
довольно малые добавки углерода значительно понижают температуру плавления железа
,
а углерод всегда под рукой
-
ведь для нагрева руды использовали в качестве топлива древесный уголь
.
Самая низкая температура плавления
,

---

VIVOS VOCO: 
Дж
. 
Гордон
, «
Почему
мы
не
проваливаемся
сквозь
пол
» -