Коротко про сложность в металлургии
По просьбам трудящихся
Когда я был студентом, издавались замечательные тоненькие брошюры общества "Знание", в том числе, по физике. В одной из них я прочитал (будучи от природы неблагодарной скотиной, автора этой столь важной для меня мысли не запомнил): вот, физики любят лезть в биологию. Происхождение сложности, то-се. Не надо, не разберетесь, во всяком случае, своими физическими методами. А чешутся руки - попробуйте заняться металлургией. Там вам и сложность, и что хотите, но не чрезмерная. Может, чего и поймете.
Сталь (в простейшем случае) - очень простая в химическом отношении система. Это - железо и углерод, больше ничего (причем, углерода немного). Тем не менее, этого уже достаточно для формирования очень богатой, многоуровневой картины.
Во-первых, железо - полиморфный металл, при нормальном давлении у него две стабильные кристаллические модификации, альфа (оцк) и гамма (гцк); для понимания дальнейшего, смысл сокращений оцк и гцк не слишком важен. В этом самом по себе ничего особенного нет, эти кристаллические структуры встречаются очень часто, а полиморфизм характерен чуть не для половины металлов в таблице Менделеева. Железо далеко не рекордсмен, рекордсмен - плутоний, с шестью стабильными кристаллическими структурами при нулевом давлении (из них четыре весьма экзотические). Но железо еще и магнитное, при этом, магнетизм очень сильно завязан за структурное состояние. Например: только из-за ферромагнетизма оцк железо стабильно при низких (включая комнатную) температурах. Еще например: если индуцировать ферромагнетизм в гцк железе, оно перестает быть гцк, возникают структурные (тетрагональные) искажения. Еще: если стабилизировать гцк железо при низких температурах, сплавляя его с никелем, может получиться инвар - материал с удивительным свойством: нулевой коэффициент теплового расширения в широкой области температур. Магнетизм играет тут очень важную роль.
Во-вторых, углерод не любит растворяться ни в альфа, ни в гамма железе, он любит организовывать с железом химические соединения - карбиды, в основном, так называемый цементит. И вот здесь уже возникает сложность. Сталь - композитный материал, чем и определяются ее уникальные механические свойства, которые сделали сталь основным материалом нашей цивилизации в течение тысячелетий. Твердые и хрупкие карбиды образуют сверхструктуры (паттерны) в матрице мягкого и пластичного альфа-железа. Хрупкий чугун отличается от пластичной стали именно формой, размерами и упорядочением этих карбидных включений. Эти паттерны покрывают пространственные масштабы от нано- и микрометров до видимых невооруженным глазом узоров на булатных клинках. Здесь не просто два уровня, здесь целая иерархия масштабов. Понять возникновение этой иерархии непросто, но, по крайней мере, отчасти, можно.
Для начала, углерод уже в высокотемпературном гамма-железе вызывает локальные магнитные и структурные неоднородности. Дальше все определяется скоростью закалки и температурой, от которой закалка производится. В зависимости от этого, углерод либо успевает полностью уйти в цементит (как он любит), либо остается вмороженным в нелюбимое им альфа-железо, либо произойдет что-то промежуточное. Решающую роль тут играют магнитные степени свободы. А дальше - самое интересное. При высоких (металлургических) температурах альфа-железо ферромагнитно, а гамма-железо - нет. Однако, при формировании двухфазной области гамма-железо может подмагничиваться соседней альфа-фазой. Это вызывает искажения решетки, которые подготавливают образование цементита: просто добавь углерод. В результате, альфа-железо и цементит индуцируют друг друга, приводя к образованию упорядоченной (перлитной) структуры, очень благоприятной для механических свойств.
А теперь все это дело можно еще и легировать, добавляя третий элемент... Но базовая сложность возникает из-за взаимодействия трех степеней свободы: искажений кристаллической решетки, намагниченности и концентрации углерода.
Когда я был студентом, издавались замечательные тоненькие брошюры общества "Знание", в том числе, по физике. В одной из них я прочитал (будучи от природы неблагодарной скотиной, автора этой столь важной для меня мысли не запомнил): вот, физики любят лезть в биологию. Происхождение сложности, то-се. Не надо, не разберетесь, во всяком случае, своими физическими методами. А чешутся руки - попробуйте заняться металлургией. Там вам и сложность, и что хотите, но не чрезмерная. Может, чего и поймете.
Сталь (в простейшем случае) - очень простая в химическом отношении система. Это - железо и углерод, больше ничего (причем, углерода немного). Тем не менее, этого уже достаточно для формирования очень богатой, многоуровневой картины.
Во-первых, железо - полиморфный металл, при нормальном давлении у него две стабильные кристаллические модификации, альфа (оцк) и гамма (гцк); для понимания дальнейшего, смысл сокращений оцк и гцк не слишком важен. В этом самом по себе ничего особенного нет, эти кристаллические структуры встречаются очень часто, а полиморфизм характерен чуть не для половины металлов в таблице Менделеева. Железо далеко не рекордсмен, рекордсмен - плутоний, с шестью стабильными кристаллическими структурами при нулевом давлении (из них четыре весьма экзотические). Но железо еще и магнитное, при этом, магнетизм очень сильно завязан за структурное состояние. Например: только из-за ферромагнетизма оцк железо стабильно при низких (включая комнатную) температурах. Еще например: если индуцировать ферромагнетизм в гцк железе, оно перестает быть гцк, возникают структурные (тетрагональные) искажения. Еще: если стабилизировать гцк железо при низких температурах, сплавляя его с никелем, может получиться инвар - материал с удивительным свойством: нулевой коэффициент теплового расширения в широкой области температур. Магнетизм играет тут очень важную роль.
Во-вторых, углерод не любит растворяться ни в альфа, ни в гамма железе, он любит организовывать с железом химические соединения - карбиды, в основном, так называемый цементит. И вот здесь уже возникает сложность. Сталь - композитный материал, чем и определяются ее уникальные механические свойства, которые сделали сталь основным материалом нашей цивилизации в течение тысячелетий. Твердые и хрупкие карбиды образуют сверхструктуры (паттерны) в матрице мягкого и пластичного альфа-железа. Хрупкий чугун отличается от пластичной стали именно формой, размерами и упорядочением этих карбидных включений. Эти паттерны покрывают пространственные масштабы от нано- и микрометров до видимых невооруженным глазом узоров на булатных клинках. Здесь не просто два уровня, здесь целая иерархия масштабов. Понять возникновение этой иерархии непросто, но, по крайней мере, отчасти, можно.
Для начала, углерод уже в высокотемпературном гамма-железе вызывает локальные магнитные и структурные неоднородности. Дальше все определяется скоростью закалки и температурой, от которой закалка производится. В зависимости от этого, углерод либо успевает полностью уйти в цементит (как он любит), либо остается вмороженным в нелюбимое им альфа-железо, либо произойдет что-то промежуточное. Решающую роль тут играют магнитные степени свободы. А дальше - самое интересное. При высоких (металлургических) температурах альфа-железо ферромагнитно, а гамма-железо - нет. Однако, при формировании двухфазной области гамма-железо может подмагничиваться соседней альфа-фазой. Это вызывает искажения решетки, которые подготавливают образование цементита: просто добавь углерод. В результате, альфа-железо и цементит индуцируют друг друга, приводя к образованию упорядоченной (перлитной) структуры, очень благоприятной для механических свойств.
А теперь все это дело можно еще и легировать, добавляя третий элемент... Но базовая сложность возникает из-за взаимодействия трех степеней свободы: искажений кристаллической решетки, намагниченности и концентрации углерода.