Репортаж из мира сплавов

Штейнберг А.С.

Наука, 1989 г.

В гостях у предков

Камень был необходим племени. Лучшие мастера делали из него ножи, топоры и наконечники для копий. Но, крошась, эти орудия быстро выходили из строя, и каждый день юноши разбредались вокруг стойбища, собирая годные для обработки камни.

Однажды в пещеру к мастеру попал зеленый камень. Никогда раньше он таких камней не видел, и нас сегодня это не должно удивлять. Зеленым камнем была самородная медь, не столь частый гость на поверхности Земли.

Зеленый камень обрабатывался лучше, чем любой другой. Под ударами кремневого молота он послушно принимал нужную форму, легко затачивался, не крошился и в общем вел себя не в пример другим угловатым и хрупким представителям каменного царства. Еще проще стала обработка, когда мастер догадался нагреть медь в пламени костра. Преимущества металла скоро оценило все племя...

Археологи считают, что примерно так металл попал на службу к человеку, Недавно ленинградские ученые вновь спустя много тысячелетий изготовили каменные и медные орудия и провели контрольные испытания. Их исследования показали, сколь много выиграл человек, сменив камень на металл. Срубить дерево медным топором удавалось в 3 раза быстрее, чем каменным, при строгании медный нож оказался в 6—7 раз эффективнее каменного. Наконец, березовое полено медный бурав просверливал в 22 раза быстрее, чем кремневый. Открытие металла было настоящей революцией в жизни наших далеких предков.

Находка меди стала лишь прологом. Серебро, золото, олово, железо, сурьма — таковы начальные этапы знакомства человека с металлами.

Примерно за три тысячи лет до нашей эры, совершенствуясь в обращении с металлами, люди сделали очень важное открытие. Оказалось, что если расплавить два металла (или их руды) вместе и дать жидкой массе застыть, то получится новый металл — сплав. Так были открыты древние бронзы — сплавы меди с оловом, свинцом, мышьяком. Орудия из бронзы намного превосходили медные и долго удержи вали за собой пальму первенства. Но несколько тысячелетий назад началось постепенное вытеснение бронз железом, которое было еще практичнее. Вначале его распространение сдерживалось исключительной дороговизной — железо ценилось буквально на вес золота. Открытие дешевых способов выплавки положило начало триумфальному шествию железа и его сплавов, которое продолжается и по сей день.

Роль металла в развитии человечества получила достойную оценку. В 1836 году датчанин Кристиан Юргеисен Томсен составлял путеводитель к археологической выставке одного из музеев Копенгагена, Перед ним встали вопросы: как расположить экспонаты? каков основной признак развития человеческого общества  Томсен дал четкий ответ: уровень развития общества определяется основным рабочим материалом эпохи. И в соответствии с этим расположил экспонаты, следуя тройственной схеме: каменный век — бронзовый век — железный век. После нескольких десятилетий полемики такое деление стало общепризнанным.

Как отличить металлы от неметаллов?

Благодаря своим выдающимся «заслугам» перед человечеством металлы попали в число важнейших объектов исследования. И хотя серьезные (по нынешним меркам) работы в этой области развернулись только во второй половине XIX века, люди задолго до этого пытались понять, что такое металл. Самое известное из ранних определений металла было дано в середине XVIII века Михаилом Васильевичем Ломоносовым: «Металлом называется светлое тело, которое ковать можно. Таких тел находим только шесть: золото, серебро, медь, олово, железо и свиней».

Определение М. В. Ломоносова суммировало знания того времени. Ни о протекании электрического тока, ни о роли электронов в металле тогда, конечно, никто и не подозревал. И тем не менее существовала твердая уверенность в особых свойствах металлов, которые сближали их между собой и выделяли из всего неорганического мира. Характерный блеск («светлое тело») и способность металлов пластично изменять свою форму под действием внешней нагрузки («ковать можно») считались их фундаментальными отличительными чертами.

Спустя два с лишним века хорошо видны изъяны этого определения. Из числа металлов сразу выпала ртуть. При комнатной температуре она представляет собой жидкость и ковать ее никоим образом невозможно. Впрочем, эта ошибка была исправлена самим же Ломоносовым. Еще в 1759 году он (совместно с петербургским академиком И. А. Брауном) охладил в смеси из снега и азотной кислоты ртуть до перехода ее в твердое состояние. Твердая ртуть была ковкой, как свинец, и, следовательно, оказалась «чистокровным» металлом, ничуть не хуже любого другого из списка Ломоносова. 

Основные методы химического анализа

Более перспективные методы определения состава сплавов возникли благодаря развитию химии. Но первый успех оказался связанным все с той же старой задачей — разделением золота и серебра. 'Начиная примерно с конца XIV века для этой цели стала широко применяться азотная кислота, в которой серебро растворялось, а золото нет, Таким обра зом, компонент оказывался выделенным из сплава за счет характерной для него химической реакции.

Этот метод был систематизирован в конце XVIII века в работах шведского химика Торберна Бергмана. В них предлагалось переводить исследуемое вещество в растворенное состояние, а затем проводить избирательное осаждение разных компонентов с помощью характерных для них реактивов. В частности, Бергман подробно описал методы определения большинства известных тогда металлов — золота, серебра, платины, ртути, свинца, меди, железа, олова, висмута, никеля, кобальта, цинка, сурьмы и марганца.

За два века методы «мокрой химии» серьезно усовершенствовались. Они широко применяются сегодня и позволяют не только установить, какие элементы присутствуют в образце (качественный анализ), но и определить концентрацию (относительное количество) каждого из них (количественный анализ). Для этого достаточно взвесить выделенный с помощью реактива осадок и, зная его химическую формулу, найти массу интересующего нас элемента.

У «мокрой химии» имеется существенный недостаток: анализ удобно проводить, когда хотя бы примерно ясно, что надо искать. Это распространенная ситуация, так как часто известно, из каких основных компонентов состоит образец. Ну, а если такой информации нет? Попробуйте проделать характерные реакции на все элементы Периодической системы!

К счастью, со времени Бергмана арсенал методов аналитической химии существенно пополнился. Одним из наиболее ценных приобретений стал спектральный анализ. История замечательных открытий часто начинается с пустяка. Но ведь на него еще надо обратить внимание!

Профессор химии Гейдельбергского университета Роберт Бунзен изучал горение некоторых веществ. Он заметил, что соли металлов окрашивают пламя в различные цвета. Этот эффект был известен и до Бунзена, однако другие имена в истории не задержались. Эксперименты большой изобретательности не требовали. Бунзен подносил к горелке образцы разных веществ и записывал цвет язычка пламени. Вскоре отчетливо выявилась закономерность. Один и тот же металл всегда окрашивал пламя в определенный цвет, независимо от того, в каком виде сжигался. Например, от бария пламя зеленело, а от натрия желтело.

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 10~' ат. % и очень редко — ниже 10~2 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 а 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».