Легированная сталь. Другие сплавы

Развитие легированной стали берет свое начало в тигельном процессе, усовершенствованном Бенджамином Хантсманом в Англии около 1740 года. Расплавив слиток железа и углерода в глиняных горшках, а затем разлив слитки, Хантсман создал превосходную сталь с равномерно распределенным по всему металлу углеродом. Тигельная сталь использовалась для изготовления столовых приборов, штампов и металлорежущих инструментов и стала первой специальной сталью.

В 1868 году Роберт Ф. Мушет, сын шотландского мастера по производству железа, обнаружил, что добавление мелкодисперсного порошка вольфрама в тигельную сталь во время ее плавления делает ее намного тверже. Вольфрамовая инструментальная сталь Муше, пригодная для изготовления металлорежущих инструментов, работающих на высоких скоростях, стала первой коммерческой легированной сталью. Английский металлург и сталевар сэр Роберт Хадфельд считается основоположником современной практики производства легированных сталей благодаря изобретению марганцевой стали в 1882 году. Эта сталь, содержащая 12 процентов марганца, обладает свойством становиться тверже по мере обработки. Это сделало ее идеальным материалом для некоторых типов машин, таких как землеройное оборудование.

Хадфельд также изобрел кремнистую сталь, которая обладает электрическими свойствами, что делает ее полезной для создания трансформаторов. Его работа убедительно показала, что контролируемое добавление легирующих элементов в сталь может привести к созданию новых специальных продуктов. Открытия Хадфельда, получившие широкую огласку, побудили многих других инженеров и сталелитейщиков экспериментировать с использованием легирующих элементов, и период с 1890 по 1930 год был очень активным в плане разработки новых сплавов.

Первое систематическое исследование легированных сталей было проведено Фредериком В. Тейлором и Маунселом Уайтом на Вифлеемском сталелитейном заводе в 1890-х годах. Помимо испытания различных составов сплавов, они также сравнивали влияние различных видов термообработки.

Проведенные ими эксперименты привели к созданию быстрорежущей стали - легированной стали, в которой основными легирующими элементами являются вольфрам и хром, а также молибден, ванадий и кобальт в различных количествах. Эти стали позволили создать металлорежущие инструменты, которые могли работать со скоростью, в три раза превышающей скорость предыдущих инструментов. Основное применение быстрорежущей стали в двадцатом веке было связано с изготовлением буровых коронок.

Военное применение также стало одним из основных факторов развития легированных сталей. Потребность в более качественных броневых листах, более прочных орудийных стволах и более твердых снарядах, способных пробивать броню, привела к созданию исследовательских лабораторий во многих ведущих сталелитейных компаниях. Это сыграло значительную роль в развитии науки металлургии: такие крупные фирмы, как Vickers в Великобритании и Krupps в Германии, финансировали металлургические исследования.

Наиболее заметным открытием, которое стало результатом этой работы, было использование никеля в качестве легирующего элемента. Никель в количестве от 0,5 до 5,0 процентов повышает вязкость стали, особенно в сплаве с хромом и молибденом. Никель также замедляет процесс закалки, что позволяет успешно подвергать термообработке большие участки.

Молодая наука металлургия постепенно стала играть все большую роль в невоенных областях, прежде всего в автомобилестроении. Ванадиевая сталь, независимо открытая металлургами Кентом Смитом и Джоном Оливером Арнольдом из Великобритании и Леоном Гийе из Франции сразу после начала двадцатого века, позволила создавать более легкие автомобильные рамы. Исследования показали, что добавление всего 0,2 процента ванадия значительно повышает устойчивость стали к динамическим нагрузкам, что очень важно для деталей автомобиля, подверженных ударам, вызванным плохими дорогами.

К 1905 году британские и французские автопроизводители использовали ванадиевую сталь в своих изделиях. Более того, Генри Форд узнал о свойствах ванадия от Кента Смита и использовал сталь из ванадиевого сплава при создании модели Т. Ванадиевая сталь была дешевле других сталей с эквивалентными свойствами, легко поддавалась термообработке и механической обработке. В результате примерно 50 процентов всей стали, использованной в оригинальной модели T, составлял ванадиевый сплав.

По мере роста цен на ванадий после Первой мировой войны Форд и другие автопроизводители заменяли его другими сплавами, но ванадий уже создал прецедент использования легированной стали. К 1923 году, например, автомобильная промышленность потребляла более 90 процентов легированной стали, производимой в США, а средний легковой автомобиль использовал около 320 килограммов легированной стали.

Широкое использование легированных сталей в автомобильной промышленности привело к созданию стандартов на состав стали. Впервые разработанные Обществом автомобильных инженеров (SAE) в 1911 году и усовершенствованные в течение последующего десятилетия, эти стандарты для описания стали были широко приняты и использованы во всей промышленности к 1920-м годам и продолжали использоваться до конца века.

Система накладывает цифровой код, где начальные числа описывают состав сплава в стали, а конечные - процентное содержание углерода в стали. Спецификации также описывали физические свойства, которые можно было ожидать от стали, и таким образом значительно упрощали спецификацию и использование легированных сталей для потребителей стали.

Одной из целей автомобильных инженеров в 1910-х и 1920-х годах была разработка так называемой «универсальной» легированной стали, под которой они подразумевали сталь, имеющую широкое применение в инженерных целях. Хотя ни одна легированная сталь не могла удовлетворить все потребности, поиск универсальной стали привел к широкому распространению стали, легированной хромом и молибденом, или «хромомолибденовой» стали. Этот сплав сочетает в себе высокую прочность, вязкость и относительно легко поддается механической обработке и штамповке, что делает его стандартным выбором для многих применений.

Последним крупным классом легированной стали, который был открыт, стала нержавеющая сталь. На изобретение нержавеющей стали претендуют около десяти различных кандидатов в Европе и США примерно в 1910 году. Все эти люди обнаружили, что высокое содержание хрома (12 процентов и более) обеспечивает исключительную коррозионную стойкость.

Термин «нержавеющая» - это некоторое преувеличение: сплавы из нержавеющей стали подвергаются коррозии в экстремальных условиях, хотя и гораздо медленнее, чем другие стали. Именно эта устойчивость к коррозии в сочетании с прочностью и вязкостью сделала нержавеющие стали столь важными в коммерческом плане в двадцатом веке. Первые промышленные образцы нержавеющей стали были проданы в 1914 году для использования в столовых приборах и лопастях турбин, а в 1920-х годах материал широко применялся в химической промышленности для изготовления корпусов реакторов и трубопроводов.

Позднее нержавеющая сталь нашла широкое применение в пищевой промышленности, особенно в молочной и пивной. К концу двадцатого века нержавеющая сталь стала самым распространенным видом легированной стали.

После 1920-х годов развитие легированных сталей в основном сводилось к усовершенствованию, а не к новым значительным открытиям. Систематические эксперименты привели к изменению состава различных сплавов и замене одного сплава другим с течением времени. Наиболее существенным фактором была стоимость и доступность легирующих элементов, некоторые из которых доступны в ограниченных количествах лишь в нескольких местах.

Например, нехватка определенных элементов в военное время заставляла исследователей разрабатывать альтернативные варианты. Во время Второй мировой войны металлурги обнаружили, что добавление очень небольшого количества бора (всего 0,0005 процента) позволяет сократить количество других легирующих элементов почти наполовину в различных низкоуглеродистых и среднеуглеродистых сталях. Это положило начало тенденции, которая продолжилась и после войны: попытки свести к минимуму использование легирующих элементов по соображениям стоимости и более точно регулировать термическую обработку для получения более стабильных результатов.

За период 1900-1925 гг. производство легированных сталей претерпело значительные изменения. Широкое внедрение электросталеплавильного производства заменило использование тигельных печей для обработки легированной стали. Электрические печи увеличили масштабы производства легированной стали и позволили легко добавлять легирующие элементы во время плавки стали.

В результате сталь, полученная электрическим способом, имела однородный состав и могла быть легко адаптирована к конкретным требованиям. В частности, электросталеплавильное производство сделало возможным массовое производство нержавеющей стали, и в межвоенный период этот материал стал настолько дешевым, что его можно было использовать для таких масштабных целей, как производство железнодорожных вагонов и облицовка небоскребов Крайслер и Эмпайр-Стейт в Нью-Йорке.

Важнейшее усовершенствование в производстве стали - вакуумная дегазация - появилось в 1950-х годах и получило широкое распространение к 1970-м. Если подвергнуть расплавленную сталь воздействию сильного вакуума, из нее можно удалить нежелательные газы и летучие элементы. Это улучшило качество легированной стали или, наоборот, позволило использовать меньшее количество легирующих материалов при тех же физических свойствах.

В результате производственных инноваций легированная сталь постепенно становилась дешевле и шире использовалась в течение двадцатого века. Уже в 1960-х годах различие между массовыми и специальными сталями стало размытым, поскольку массовые стали производились по более жестким стандартам, а специальные стали производились в больших количествах. К концу двадцатого века почти половина всего стального производства состояла из специальных сталей.

Другие сплавы. В двадцатом веке было разработано множество нестальных сплавов для конкретных инженерных применений. Наиболее коммерчески значимыми из них были никелевые и титановые сплавы. Никелевые сплавы, особенно никель-хромовые, особенно полезны при высоких температурах. Титановые сплавы легки по весу и очень прочны, что делает их полезными для авиации и космоса. Применение обоих материалов сдерживалось в основном стоимостью, а в случае титана - сложностью обработки.

Никель-хромовый сплав сыграл важную роль в разработке газотурбинного двигателя в 1930-х годах. Этот сплав - примерно 80 процентов никеля и 20 процентов хрома - противостоит окислению, сохраняет прочность при высоких температурах и противостоит усталости, особенно при охрупчивании. Позже было обнаружено, что добавление небольшого количества алюминия и титана повышает прочность за счет закалки осаждением. Основное применение эти сплавы нашли в конце двадцатого века в нагревательных элементах и компонентах выхлопных систем, таких как выпускные клапаны и свечи накаливания дизельных двигателей, а также в лопатках турбин газовых турбин.

Чистый титан по прочности не уступает стали, но при этом почти на 50 процентов легче. При легировании его прочность значительно возрастает, что делает его особенно подходящим для применения в тех случаях, когда вес имеет решающее значение. Титан был открыт преподобным Уильямом Грегором из Корнуолла (Великобритания) в 1791 году. Однако чистый элементарный металл был получен только в 1910 году американским металлургом Мэтью А. Хантером, уроженцем Новой Зеландии. Металл оставался лабораторной диковинкой до 1946 года, когда Уильям Джастин Кролл из Люксембурга показал, что титан может быть получен в промышленных масштабах путем восстановления тетрахлорида титана (TiCl4) магнием. Производство металлического титана до конца двадцатого века основывалось на этом методе.

После Второй мировой войны ВВС США пришли к выводу, что сплавы на основе титана имеют потенциально большое значение. Возникшая потребность в более высоких соотношениях прочности и веса в конструкциях реактивных самолетов и двигателей не могла быть эффективно удовлетворена ни сталью, ни алюминием. В результате американское правительство субсидировало развитие титановой промышленности. После того как военные нужды были удовлетворены, доступность металла открыла возможности для других отраслей промышленности, в первую очередь для химической обработки, медицины и энергетики.

Соотношение прочности и веса титана и его устойчивость к большинству видов коррозии стали основными стимулами для использования титана в промышленности, заменив им нержавеющие стали, медные сплавы и другие металлы. Основным сплавом, используемым в аэрокосмической промышленности, был Titanium 6.4. Он состоит на 90 процентов из титана, на 6 процентов из алюминия и на 4 процента из ванадия. Титан 6.4 был разработан в 1950-х годах и известен как титан авиационного класса.

Титан авиационного класса обладает прочностью на разрыв до 1030 МПа и твердостью по Бринеллю 330. Однако низкая пластичность сплава 6.4 затрудняла его вытягивание в трубы, поэтому был создан более легкий сплав 3-2.5 (3 % алюминия, 2,5 % ванадия, 94,5 % титана), который можно было обрабатывать на специальном трубопрокатном оборудовании. В результате практически все титановые трубы в авиации и космонавтике состоят из сплава 3-2.5. В 1970-х годах он стал использоваться в спортивных изделиях, таких как клюшки для гольфа, а в 1980-х - в инвалидных колясках, лыжных палках, бильярдных киях, велосипедных рамах и теннисных ракетках.

Титан стоит дорого, но не потому, что он редок. На самом деле, он является четвертым по распространенности структурным металлическим элементом в земной коре после алюминия, железа и магния. Высокая стоимость рафинирования, высокая стоимость оснастки и необходимость создания бескислородной атмосферы для термообработки и отжига объясняют, почему титан исторически был намного дороже других конструкционных металлов.

В результате этих высоких затрат титан исторически использовался в тех случаях, когда его малый вес оправдывал дополнительные расходы. В конце двадцатого века основным потребителем титановых сплавов оставалась аэрокосмическая промышленность. Например, в одном самолете Boeing 747 используется более 43 000 кг титана.

Что такое цвет, физический взгляд

Вопрос: «Что такое цвет?» - занимал еще Аристотеля, однако только в течение последних 300 лет наметилась реальная возможность получить на него ответ. Полный и окончательный ответ не доступен до тех пор, пока не будет полного представления о восприятии цвета как одной из многих функций человеческого мозга.

Большинство предметов, которые мы наблюдаем,- нелюминесцирующие. Они видимы в основном потому, что свет, падающий на них, рассеивается (диффузно отражается) и попадает в наши глаза. Падающий на них свет может исходить как непосредственно от источников излучения, например солнца, раскаленной нити лампы накаливания, пламени свечи и т. п., так и от других нелюминесцирующих предметов, например окружающих стен, мебели и т. п., освещаемых этими источниками.

Свет от облаков - это солнечный свет, рассеянный капельками воды; свет голубого неба-это солнечный свет, рассеянный молекулами атмосферы.

Когда мы смотрим на предмет, свет, который исходит от него и попадает в глаз, проходит через кристаллическую линзу (хрусталик глаза) и падает на сетчатку - тонкую мембрану, покрывающую заднюю внутреннюю поверхность глаза (рис. 2.1). Проходя сквозь сетчатку, свет пересекает слой ткани, два слоя нервных клеток и слой многочисленных светочувствительных рецепторных клеток.

Рис. 2.1. Горизонтальное сечение правого глаза

Имеются четыре типа рецепторов: колбочки трех разновидностей и палочки. Поглощение света рецепторными клетками приводит к сложному процессу образования и преобразования электрических потенциалов, воспроизводящих четыре рецепторных сигнала, которые в дальнейшем преобразуются межклеточными соединениями и в конечном счете кодируются в сигнал свет-темнота и два разностных цветовых сигнала.

Эти три закодированные сигнала верхним слоем нервных клеток превращаются в электрические пиковые разряды; затем они передаются по волокнам оптического нерва в кору головного мозга. Мозг отвечает за появление ощущений, которые раскрывают различные аспекты восприятия предметов в процессе наблюдения.

К некоторым таким аспектам относятся размер, положение, блеск, текстура, непрозрачность и прозрачность. Тот факт, что между соседними клетками существуют взаимосвязи, которые позволяют свету, падающему на одну часть сетчатки, воздействовать на то, что видится другой частью, приводят в объяснение такого визуального явления, как одновременный цветовой контраст.

После утверждения того, что световые «лучи... не являются цветными», Ньютон добавил: «В них нет ничего, кроме определенной способности и предрасположения вызывать у нас ощущение того или иного цвета». Действительно, на вопрос: «Что такое цвет?» - можно дать следующий ответ: «Цвет - это ощущение, возникающее в мозгу в ответ на свет, попадающий на сетчатку глаза».

Таким образом, вместо того, чтобы говорить: «Этот свет красный», более правильно было бы сказать: «Цвет, вызываемый этим светом, красный». Время от времени в этой книге я использую последнее употребление с целью подчеркнуть его смысл. Однако обычно более удобным и не менее эффективным является возвращение к первоначальному употреблению.

При обсуждении цветового восприятия обычно используют термин цветовой стимул (или просто стимул), с тем чтобы сослаться на свет, достигший сетчатки. Иногда стимулом называют нелюминесцирующий предмет, рассеивающий свет, например красную ткань, или светящийся предмет, который испускает свет, например нагретый докрасна паяльник, однако лучше использовать более точный термин стимул предмета.

Восприятие цвета мозгом обозначается термином цветовой ответ (или просто ответ). В этой книге термины «стимул» и «ответ» полезно использовать ниже, когда будет обсуждаться восприятие цвета.

И все же имеется другой ответ на вопрос: «Что такое цвет?» Это - условное определение, принятое специалистами по цвету для использования в колориметрии (измерении цвета). Как будет видно из гл. 6, определение связывает цвет со световым стимулом и с типичной чувствительностью глаза.