Нельзя гасить печь! (CIV26)
Оригинал взят у crustgroup в Нельзя гасить печь! (CIV26)
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.
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 раннее 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 не 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 - 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.
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.
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 раннее 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 не 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 - 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.