В этой части нашего рассказа о железе нам надо будет рассказать о скучом и абстрактном. А именно — о фазовых состояниях системы "углерод-железо" и о магических превращениях, которые, как мы помним, всегда сопутствуют превращению гадкого утёнка в прекрасного лебедя, угловатой девочки-подростка в привлекательную сексуальную девушку, а железа — в чугун или в сталь.
В физической реальности этот процесс и в самом деле описывается совершенно непонятной картинкой:
Почти вся металлургия железа заключена именно в ней. Поэтому постараемся рассказать об этой металлургии максимально увлекательно, но не теряя важных физических деталей.
Сначала нам надо разобраться с чистым железом, которое не содержит в себе каких-либо дополнительных примесей и, особенно, углерода, который и задаёт такое радующее глаз разнообразие фазовых состояний железа на первой диаграмме.
Чистое железо может иметь два состояния своей кристаллической решётки, ещё именуемых фазами.
Первая фаза называется α-железо (альфа-железо, феррит), которое устойчиво при температурах ниже 910°С и выше 1390°С, и γ-железо (гамма-железо, аустенит), устойчивое в интервале температур 910°—1390°С. Кристаллическая решетка α-железа — объемно-центрированный куб, а γ-железа — гранецентрированный куб.
Строго говоря, при температуре выше 1390° решетка гамма-железа перестраивается в решетку с девятью атомами, носящую название дельта-железа. Эта решетка отличается от решетки альфа-железа несколько большим расстоянием между центрами атомов и сохраняется до момента расплавления железа, то есть до температуры в 1535°С.
Однако, для нашего понимания и для целей данной статьи, данная деталь несущественна — никто не кормит свинью до 16 лет не греет железо выше 1390° ни при ковке, ни при закалке.
На микроуровне это выглядит вот так:
Слева — это α-железо или феррит, справа — это γ-железо или аустенит.
Что интересно — все эти тонкие перестройки кристаллической структуры происходят внутри твёрдого куска железа просто при достижении следующей критической температуры. Кроме двух критических точек, связанных с переходами от феррита к аустениту и от аустенита к дельта-фазе железа, есть ещё одна критическая точка — точка потери магнитных свойств феррита. При температуре выше 768° железо теряет способность притягиваться магнитом. При очень малой скорости нагревания и охлаждения критические потери и приобретения магнитных свойств не совпадают друг с другом на 12°. При увеличении скорости охлаждения несовпадение критических точек увеличивается.
В результате кривая нагрева чистого железа выглядит достаточно экзотически — вместо того, чтобы равномерно нагреваться или охлаждаться при постоянном подводе тепла извне или потери тепла в окружающую среду, железо периодически как бы останавливается и "думает о чём-то", при этом жадно поглощая энергию, которая тратится на создание новой структуры кристаллической решётки или бесплатно отдаёт тепло назад, перестраивая структуры решётки в обратном направлении.
"Полочки" при нагреве железа. Они позволяют аустениту быть лучше феррита.
Различные фазы железа были впервые описаны выдающимся русским металлургом и материаловедом Дмитрием Константиновичем Черновым. Причём открытие двух фаз железа, которое позволило наконец-то понять с научной точки зрения, что происходит с железом и почему качества стали и чугуна столь разительно отличаются от качеств чистого железа, произошло достаточно поздно — уже в 1868 году, даже после появления главных изобретений Мартена и Бессемера, которые и заложили основы многих современных металлургических процессов.
Что можно понять, смотря на картинки с кристаллическими решётками двух фаз железа? Сразу бросается в глаза, что структура γ-железа по сравнению с α-железом гораздо более "плотная" и, как следствие, более прочная. Собственно говоря, то же демонстрирует и график нагрева железа — энергия, затраченная на "полочках", и определяет лучшие качества аустенита — в нём в кристаллической решётке просто запасено больше энергии связи, нежели находится в феррите.
Это так и есть на макроуровне — чистый аустенит превосходит чистый же феррит по совокупности всех физических свойств — он прочнее, у него выше прочность на разрыв (он тягуч), и у него выше твёрдость по шкале Бринелля. Твёрдость аустенита по Бринеллю составляет 170-220 единиц, в то время, как у чистого феррита она обычно не выше 60-100 единиц.
Как мы увидели выше, при естественном ходе событий, существование чистого аустенита при комнатной температуре невозможно — он распадается на феррит (и ряд других фазовых состояний железа, которые мы опишем чуть позднее) при температуре ниже 898°С. Поэтому в древности, получая кричное железо, люди, по сути дела получали именно феррит. Способы легирования сталей, которые позволяли сохранить аустенитную фазу железа при низких температурах, были изобретены людьми гораздо позже — уже в ХХ веке.
Наиболее распространённым способом добиться аустенитной фазы железа при комнатной температуре является добавление в железо никеля. Никель сохраняет аустенитную фазу (γ-железо) даже при нулевой и отрицательной температурах, при этом данный эффект наблюдается начиная с содержания никеля всего в 10% от общей массы сплава.
Именно такое качество сплава "железо-никель" позволяло делать в древности непревзойдённые клинки из аустенитного метеоритного железа.
Например, в гробнице фараона Тутанхамона было найдены рядом два практически идентичных клинка: один полностью золотой, а второй — с клинком из чистого метеоритного железо-никелевого сплава.
Нахождение их рядом, да ещё и в гробнице фараона, показывает ценность естественно легированного метеоритного железа для древних египтян. Найти увесистый "осколок неба", да ещё и с правильным содержанием никеля, было и в самом деле подарком богов — поскольку метеоритное аустенитное железо превосходило по всем параметрам не только медь, но и бронзу. По факту метеоритное железо и изделия из него ценились даже дороже золота.
Для понимания прочности и твёрдости меди, бронзы, дерева и других материалов — приведу вашему вниманию небольшую таблицу, в которой указаны значения твёрдости различных материалов по Бринеллю:
Как видите, оловянная бронза с твёрдостью по Бринеллю в 70-80 единиц — была даже лучше, чем первое, мягкое кричное железо, получаемое в примитивных сыродутных печах, и которое представляло из себя практически чистый феррит (с прочностью иногда и в 60 единиц по Бринеллю).
Поэтому, не пугайтесь нынешнего кризиса, когда вам правильно кричат (и я в том числе): "Человечество в первый раз сталкивается с ситуацией, когда мы переходим на топливо с более низким EROEI!". Это и в самом деле так, это опасно и неприятно, но это отнюдь не смертельно. Надо просто идти вперёд и вверх.
Переход от хорошей, старой доброй бронзы и от прочного метеоритного аустенита к мягкому ферритному кричному железу был для античных воинов не меньшей катастрофой, нежели для нас сейчас представляется переход к атомной энергии.
Каково было им получить доспех или меч — не только более трудный в изготовлении, нежели бронзовый, но ещё и худший по качеству? Единственное, что утешало их в такой ситуации — дерево обладало ещё худшими значениями твёрдости — от 2 до 7 единиц Бринелля. Потому мягкий железный меч или топор был лучше деревянного. ;)
Однако фазовая диаграмма, нарисованная на первом рисунке, содержит ещё одну ось, кроме оси температур. Это ось показывает процент углерода в железе.
И вот эта деталь добавляет много оптимистических красок в наш скучный рассказ о мягком кричном железе.
Всё дело в том, что углерод может находится внутри слитка железа в трёх основных состояниях: в виде твёрдого раствора в феррите или аустените, в виде химического соединения с железом (цементита, Fe3C — или карбида железа), или в виде включений чистого углерода (графита).
И именно эти три формы нахождения углерода в железе и определяют всё многообразие качеств получаемых сплавов железа и углерода.
Хуже всего приходится углероду в феррите. Наибольшее содержание углерода, которое может раствориться в феррите — это всего 0,04%. Феррит буквально "выталкивает" из себя углерод, не позволяя ему внедриться в свою кубическую решётку α-железа. В силу этого, железо, получавшееся из болотных руд в первых, низкотемпературных сыродутных печах, было очень чистым и, как следствие — очень малоуглеродистым и очень мягким, что мы упомянули в предыдущей части нашего рассказа (http://crustgroup.livejournal.com/38569.html).
Аустенит же может растворить в себе гораздо больше углерода — около 2%. Поэтому, как только температура в сыродутной печи начинает подниматься выше 900°С — свойства получаемого железа начинают магическим образом улучшаться. Это связано с тем, что единожды растворившись в аустените, углерод потом не может "убежать" куда-либо из твёрдого куска металла — ему надо куда-то "спрятаться" при охлаждении железа и переходе из высокотемпературного аустенита в существующий при более низких температурах феррит.
Таким убежищем для углерода является перлит, который представляет из себя механическую смесь феррита и цементита. При этом "лишний" углерод из феррита "тупикуется" в цементит, в котором содержание углерода постоянно и определяется из соотношения массы атомов железа и атома углерода в формуле цементита: Fe3C. Этот процент углерода составляет в цементите постоянную величину в 6,67%.
В итоге перлит представляет из себя настоящий металлический композит. Он образуется из аустенита при его медленном охлаждении. Температура превращения аустенита в перлит равна 723°С. При весьма медленном переходе через эту температуру цементит образуется в виде зерен (глобулей), и тогда перлит называется зернистым. При более быстром охлаждении цементит приобретает форму пластинок, и такой перлит называется пластинчатым.
При весьма быстром охлаждении в результате значительного переохлаждения аустенита вместо перлита получаются другие структуры, о которых будет идти речь чуть ниже.
Перлит магнитен, прочен и пластичен. Твердость его находится в пределах от 160 до 230 по Бринеллю и равна твёрдости качественного аустенита. Это связано с тем, что второй компонент перлита — цементит, в отличии от феррита, гораздо более твёрдый — его твёрдость по Бринеллю составляет 800—820.
В итоге складывается уникальная ситуация — пластичный, но мягкий феррит в перлите идеально дополняется твёрдым, но хрупким цементитом и в итоге получается она — красавица и умница.
Сталь.
Ведь перлит — это и есть сталь.
То есть, стоило древним металлургам перейти через критическую черту в 900°С — и магическим образом все свойства получаемого ими железа стали улучшаться. Всё больше и больше углерода попадало из аустенита в перлит, в перлите росло количество цементита по отношению к ферриту, а само железо становилось всё лучше и лучше, превращаясь шаг за шагом в качественную углеродистую сталь.
Кроме того, дополнительные количества углерода позволяли радикально снижать температуру плавки и уходить от нужных ранее примесей-шлаков, которые использовались в кричном сыродутном процессе для снижения температуры плавки железа.
Это отчётливо можно увидеть на первой диаграмме — если чистое железо плавится при 1535°С, то железо, содержащее около 4% углерода — уже при 1100°С.
При этом, если древний сыродутный процесс неизбежно требовал громадных усилий кузнецов на "выдавливание" шлаков из полученной крицы, то добавление углерода в процесс позволяло и уйти от непроизводительного труда кузнецов, и улучшить качество кричной стали.
Поэтому рецепт, который нашли многие металлурги в разное время и в разных странах был прост и понятен:
"Нельзя гасить печь". Нельзя снижать температуру, нельзя упускать тепло из печи, надо карабкаться всё выше и выше по шкале температур, чего бы это ни стоило.
Сама же кричная сыродутная печь тоже становилась всё выше и всё больше, чтобы максимально сохранить тепло плавки и обеспечить температуру внутри себя. Ведь, как мы помним из текста о кораблях (http://crustgroup.livejournal.com/24200.html),— куб растёт быстрее квадрата.
Мальчик вырос. Кричная печь XIX века в Англии.
Больше печь — больше можно засыпать угля. Больше угля — выше температура печи. Больше углерода из угля в расплав — ниже температура плавки железа. Ниже температура плавки железа — меньше можно терпеть шлаки, Меньше шлаков — меньше кузнецов, которым надо ковать и ковать упрямую крицу, выдавливая из неё шлак. Больше углерода в аустените — выше качество перлита. Выше качество перлита — лучше сталь.
Точка бифуркации была пройдена.
В литовском поучении конца XIV века всё ещё сказано: «Кузнец должен следить за жаром, и если состав приобретает ярко-соломенный цвет (это всего лишь 1100°С), то нужно остудить горн, ибо этот цвет — признак перегрева сырья. Нельзя поднимать температуру выше красно-желтого цвета (а это всего лишь 900°С) сырья».
Почему? Почему в Московской земле печи разжигали всё жарче и жарче, а в Великом Княжестве Литовском печь боялись раскочегарить выше магической точки в 900°С, за которой, собственно говоря, и начиналась основная отдача от плавки железа?
Всё дело было в географии.
И лес, и болота, и связанные с ними болотная руда и качественный древесный уголь — это, в конечном счёте — территория.
Больше печь — больше надо руды, чтобы загрузить её под завязку. Больше руды — больше болот вокруг. Больше руды — больше надо угля, чтобы превратить руду во что-то путное. Больше угля — больше леса. Больше леса — больше угольных печей. Больше угольных печей — больше территории, на которой надо собрать лес. Больше собрали леса — больше полей под рожь.
Примитивные печи для выжигания древесного угля.
Вы часто слышите слово синергия? Вот вам её наглядный пример:
Березы...
Согласно законам сукцессии, березняки заменяются дубравами либо хвойными лесами, срок — от 100 до 200 лет. С другой стороны, береза, как
нетребовательное к условиям и самое быстрорастущее дерево — лучше всего закрывает сплошные вырубки. Получается такая картина, что лес на территории Руси регулярно вырубался — иначе не было бы такого количества березовых лесов на протяжении всего второго тысячелетия нашей эры, а были бы русские дубравы да русские хвойные леса.
Но ведь береза — очень плохой строительный материал, она быстро гниет. Для мебели тоже не очень годится — она слишком мягкая. По сути, береза хороша только для дров, для бересты, а начиная с ХХ века — для фанеры. Из этих двух назначений явно главное — дрова, береста — явно побочный продукт.
Если рассматривать вырубку леса просто как вариант ведения подсечно-огневого земледелия, то не надо вырубать леса в таких количествах, а потом бросать. При тогдашней плотности населения столько дров не нужно. И посевных площадей столько не нужно.
Однаков случае присутствия металлургического центра на Руси картинка становится гораздо более целостной.
Образуется поселение, оно ведет подсечно-огневое земледелие, которое, как известно, гораздо эффективнее обычного травопольного севооборота. Срубленные деревья — сначала что попадется, а потом почти исключительно березы, дающие, кроме всего, качественный древесный уголь — используются для металлургического производства. И самообеспечение едой, и производство конкурентоспособной продукции идёт нога в ногу. Население растет, ему становится тесно в рамках существующего поселения — рядом сразу же образуется новая община с теми же технологиями — благо болот и лесов на Руси полным-полно.А вот в Великом Княжестве Литовском ситуация иная.
Полесские болота далеко на юге. Леса есть, но их поменьше. С запада — море и псы-рыцари, с востока — Русь, которая умеет плавить и ковать металл не хуже Литвы.
Тут уж поневоле задумаешься — стоит ли разжигать печь по полной — или лучше тихонечко плавить крицу с минимальными потерями металла в шлак, а потом ковать-ковать-ковать кричную болванку в мягкое, чистое железо.
Ведь любой прорыв в развитии происходит именно так. Сначала ты бежишь без всякой надежды по полочке возле критической точки или по начальному участку S-кривой, беспрерывно вкладывая силы в будущий Прорыв, а потом, вдруг, за магической температурой в 900°С получаешь "всё и сразу".
Сталь. Оружие. Хлеб. Империю.
Вот тебе, матушка, и Юрьев день.
Вот тебе матушка, и Прорыв.
Вот тебе, матушка и Империя.
Вот тебе, матушка, и реакторы-бридеры.
Ведь это всё — лишь звенья одной тысячелетней цепи, которая тянется и тянется на этой холодной, стылой, болотной и лесистой равнине вот уже больше тысячелетия.
Это характер — и это у нас в крови.
И в твёрдом растворе нашего аустенита. О котором, я надеюсь, вы теперь знаете гораздо больше, чем раньше.
© 2009 Технополис завтра
Перепечатка материалов приветствуется, при этом гиперссылка на статью или на главную страницу сайта "Технополис завтра" обязательна. Если же Ваши правила строже этих, пожалуйста, пользуйтесь при перепечатке Вашими же правилами.
