ХОЛОДА, ХОЛОДА

У природы всегда в запасе какой-нибудь козырь.

Артур Кларк

Гигантские пространства, ранее совершенно пустынные и необитаемые, заселяет человек: Крайний Север и Сибирь в нашей стране, Аляску в США, северные районы Канады, Гренландию, Антарктиду… Многие препятствия встречают покорители этих районов. Одно из них имеет прямое отношение к материалам. Вот бы что произошло, если бы основной конструкционный материал машиностроения – сталь – захворал.

Гигантский состав из сотен вагонов, идущий со скоростью в 70-100 км/ч, рухнул под откос. Причина проста – лопнул рельс. Огромная мостовая ферма через широкую реку внезапно обрушилась вниз вместе с электровозом. Тяжелые грузовики и автопоезда останавливаются из-за массовой поломки деталей. Железобетнные перекрытия цехов длиной в сотни метров падают, казалось, бы без всякого влияния извне. Портальные краны и самосвалы, трубы нефте- и газопроводов, драги для добычи золота и алмазов лопаются как спички. Мощные экскаваторы, в том числе и шагающие, разнообразные грузоподъемные механизмы рушатся, как будто они фарфоровые.

Быть может автор, драматизируя, искусственно раскрасил, а возможно и пропросту придумал эти события? Оказывается нет, может быть даже преуменьшил, затушевал.

Судите сами. Спусковым рычагом, проводящим к разрушению сталей, является понижение температуры. В этом отношении подавляющее большинство сталей подобно нездоровым людям – при малейшем переохлаждении они «заболевают». Для иных, например низкоуглеродистых, «воспаление легких», то есть разрушение, наступает при (-60) -т- (-70) °С, для других, высокоуглеродистых- уже при комнатных температурах. И совсем хрупок в любых условиях чугун. Между тем климат в некоторых районах нашей страны весьма суров. Отрицательная температура в Норильске, Якутске и на Магадане держится свыше 8 месяцев в году. Минимальная температура, зарегистрированная в Норильске, -57, а в Магаданской области – 65, в Устье-Нере

(Якутия) -72°С. В северо-восточных и северных областях среднегодовая температура находится в пределах (-4)4- (-17), а в декабре, январе (-20) ч-(-50) °С.

При таких условиях металл, не защищенный от морозов и шквальных ветров, подвергается большой опасности1.

Справедливости ради нужно сказать, что хладноломкость – не всегда следствие природных условий. Чаще она результат технологических процессов, нуждающихся в низких температурах, протекающих, например, в установках, получающих жидкий воздух (-180°С),кислород (-183°С), гелий (-268°С), водород (-253°С), азот (-195,7 °С), а также в разнообразных холодильных агрегатах. С крайне низкими гелиевыми температурами и особыми свойствами металлов мы вынуждены встречаться в технике получения сверхмощных магнитных полей, основанной на использовании сверхпродводников.

1 Григорьев Р. С, Ларионов В. Н., Новиков Г. А., Яковлев Н. Г. Хладостойкость сталей при статическом и циклическом нагружени-ях.- М.: Наука, 1969. С. 5.

Наконец, все космические полеты протекают в условиях температур, близких к абсолютному нулю. У В. Э. Мейерхольда была забавная присказка: «Кто с коня не падал, кто бабушке не внук, под кем санки не подламывались? – неродившиеся души!» Верно. Но как быть нам? Ведь цена, которую мы платим за хладноломкость, невероятно велика. Иногда из-за этого конструкции на стройках Сибири и Севера месяцами не работают. Наконец, разрушение всегда опасно.

В чем же причина удивительного и коварного явления-охрупчивания металла при низких температурах?

Существуют два ответа. Убедительный – металлурга и металлловеда и неубедительный – физика.

Хорошо известно, что хладноломкости подвержены стали с объемноцентрированной кубической решеткой. А большинство сталей с гранецентрированной решеткой, то есть аустенитных, не боится понижения температур. И вообще металлы, а не только стали с атомами, выстроенными по гранецентрированному кубу, почти никогда не ломаются из-за охлаждения, например медь и алюминий. Однако подавлющее большинство металлоконструкций изготовлено из обычных сталей с объемно-центрированной решеткой, потому что они относительно дешевы и беззащитны перед «простудными заболеваниями».

Но сами эти стали подразделяют на две группы: кипящие и спокойные. В процессе изготовления стали возникает вопрос: как быть с растворенным в ней кислородом? Удалять насильственно или предоставить ему возможность выделяться самому? Первое достигается технологической операцией, называемой раскислением. Она заключается в том, что в ковш с жидким металлом вводят марганец, кремний и алюминий, связывающие кислород и переводящие его в соединения, нерастворимые в металле. При последующем застывании такая сталь «спокойна», не бурлит, так как из нее уже не выделяются газы. Что касается кипящей стали, то она раскисляется не полностью и при застывании в изложнице «кипит»: из нее выделяются пузырьки окиси углерода. Выход газов искусственно предотвращают, и окись углерода в виде рассеянных газовых пузырей и раковин остается в металле. При прокатке эти дефекты завариваются. Однако, как показывает практика, «кипящая» сталь более подвержена охрупчиванию, чем «спокойная», и детали, изготовленные из нее хотя и дешевле, но зато и легче разрушаются в зимнее время.

Довольно определенные ответы дают металлурги и на вопрос о влиянии состава стали на поведение ее в морозы. Углерод вызывает охрупчивание, марганец, наоборот, повышает хладостойкость. Благоприятно действие такого раскислителя, как кремний. Очевидным злом, влекущим за собой понижение сопротивляемости стали хрупкому разрушению, являются азот, сера фосфор, водород, кислород.

Издавна известны легирующие элементы, снабжающие сталь надежным щитом от меча хладноломкости. Это в первую очередь никель, молибден, цирконий, титан. Могут быть полезны добавки небольших количеств ванадия, хрома, меди, алюминия. Существуют и так называемые модификаторы – малые добавки, вводимые в сталь. В первую очередь к ним относятся редкоземельные элементы.

Итак, с точки зрения металлурга1 проблема хладноломкости решена и сводится к следующему. Если температура окружающего воздуха не ниже -4-20 °С, можно использовать углеродистые кипящие стали при ударных нагрузках. В условиях статического нагружения те же стали способны работать при температурах до (-20)4-

1 Попов К. В., Савицкий В. Г. Низкотемпературная хрупкость стали и деталей машин. – М.: Машиностроение, 1969. С. 4-12.-

ч- (-30) °С. Полуспокойные и спокойные углеродистые стали проявляют «терпимость» до (-30) 4- (-50) °С. Но при дальнейшем усилении морозов без легирования не обойтись. Так, стали, содержащие 3,5 % никеля, работоспособны от -70 до -120°С. А углеродистые стали, содержащие 8,5-9 % никеля, даже до -200°С. Что касается более низких температур, то для них нужны уже аустенитные стали, способные противостоять морозам до -253 °С, не разрушаясь. Суммируется это коротко. Для эксплуатации металлоконструкций в климатических районах с низкими температурами нужны стали «в северном исполнении», то есть высоколегированные. И хотя они очень дороги, все же вездеход для антарктических условий, сделанный из легированной стали, подвергнутой соответствующей термической обработке, будет гарантирован от внезапных разрушений при любых морозах.

Но достаточно ли этого? Можно ли считать, что тысячелетний опыт прошлого, непоправимые ошибки и невосполнимые потери научили человека бороться с такими разрушениями? Очевидно, еще не вполне. Потому что нужны точные знания.

Не случайно вкладывает в уста Бориса Годунова великий поэт:

Учись, мой сын: наука сокращает Нам опыты быстро текущей жизни. Но до глубокого осмысления природы явления хладноломкости, к сожалению, еще далеко. И если бы мне пришлось дать названия всему тому, что знают физики о хладноломкости, я, пожалуй, вместо слова «мнения» употребил бы «сомнения».

Вот, например, одна из точек зрения. Металл способен разрушаться двумя путями: хрупким и вязким. При хрупком осуществляется как бы прямой разрыв межатомных связей. При вязком вначале происходит пластическое течение и лишь затем разрушение. Жизненный опыт будто подтверждает сказанное. Когда вы ударом молотка разбиваете стекло или когда в ваших руках ломается и крошится грифель, глаз не отмечает существования какой-то деформации – вы увидете просто разрушение и все. Но попробуйте разорвать полихлорвиниловую ленту, сломать медную или алюминиевую проволоку. Вы видите и ощущаете большую деформацию еще до наступления собственно разрушения. Причем эта деформация служит буфером, гасящим внешнее усилие, съедающим его энергию еще до разрыва межатомных связей.

Известно мнение, что в этой пластической деформации- ключ к пониманию явления хладноломкости. В отличие от межатомных сил связи, практически не меняющихся в интервале (+50)-=-(-50) °С, величина пластической деформации крайне чувствительна к температуре у металлов, склонных к хладноломкости. При этом с понижением температуры она ослабевает, что уменьшает ее амортизирующее влияние. В результате внешнее усилие передается непосредственно на устье трещины, где и затрачивается на разрыв межатомных связей.

В действительности, однако, все гораздо сложнее. Деформация напоминает двуликого Януса. Она не только поглощает энергию нагружения, но и сама зарождает микроскопические трещины, способные подрастать еще во время деформирования.

Согласно другим точкам зрения хрупкость стали при низких температурах обусловлена изменением межатомных сил связи, уровень которых падает. Некоторые авторы приписывают хладноломкость особым процессам упорядочения, при которых вращение электронов вокруг своей оси (так называемый спин) происходит преимущественно в определенных направлениях. Некоторые ученые считают, что хладноломкость означает появление какого-то нового полиморфного превращения, то есть перехода кристаллической решетки металла из одной формы в другую… Однако все это лишь гипотезы. Правильны они или неправильны – проверит будущее.