Глава IV. Металлургия становится точной наукой [1980 Федоров А.С.

Вторая половина XIX г. была ознаменована крупными событиями в области черной металлургии. Уже в 50-х годах почти одновременно были изобретены новые способы получения литой стали - бессемеровский (конверторный) и мартеновский. Это позволило выплавлять более дешевый металл в больших количествах и сравнительно быстро вытеснило из заводской практики кричный, пудлинговый и другие методы производства металла. Только тигельный передел чугуна в сталь, обеспечивающий получение металла высокого качества, еще долго конкурировал с новыми процессами выплавки стали.

Быстро расширяющееся производство и применение литой стали поставило перед наукой и практикой ряд важных задач, связанных не просто с проблемой получения металла, а с необходимостью обеспечить стальному изделию максимально высокое качество. Для этого потребовалось глубоко изучить внутренние процессы, происходящие в литой стали в ходе ее механической (ковка, прокатка) и тепловой (термической) обработки. Начало было положено трудами русских металлургов (Аносов, Лавров, Калакуцкий и др.) и целого ряда крупных зарубежных ученых. Их деятельность продолжил великий металлург Дмитрий Константинович Чернов, с именем которого связана целая эпоха в развитии теории и практики металлургии. Он явился основоположником новой отрасли науки - металлографии, учения о строении металлов и сплавов. Научные открытия, сделанные Д. К. Черновым, легли в основу ряда важнейших процессов получения и последующей обработки чугуна и особенно стали, включая ее выплавку, ковку и термическую обработку.

Д. К. Чернов родился в Петербурге 1 ноября 1839 г. в семье заводского фельдшера. 19 лет он с отличием закончил Петербургский практический технологический институт, проявив особую склонность к математическим наукам. Математика в России переживала в то время один из наиболее ярких периодов своей истории. В высших учебных заведениях русской столицы преподавали выдающиеся математики - академики П. Л. Чебышев, М. В. Остроградский, В. Я. Буняковский и др. Они умели увлечь студентов своим предметом, ярко раскрыть перед ними сущность и практическое значение сложных формул и вычислений.

Способности молодого Чернова обратили на себя внимание профессоров. По окончании института он получил приглашение остаться на одной из его кафедр. Однако будущий ученый решил прежде всего ознакомиться с производством. Он поступил на службу в механическое отделение Петербургского монетного двора, одного из старейших промышленных предприятий города на Неве. Здесь будущий знаменитый металлург "получил возможность серьезно изучить операции, относящиеся к механическому, металлургическому и другим производствам, а также и научно-лабораторные анализы различных металлов, их сплавов и других материалов. Близкое знакомство с предприятием, имевшим передовые научно- технические традиции, оказало влияние на дальнейшее развитие интересов и стремлений молодого Чернова, вся последующая деятельность которого свидетельствует о его стремлении к творческому подходу в решении производственных и научных задач... На Петербургском монетном дворе Чернов впервые получил тот серьезный заводской опыт, который существенно помог в его дальнейшей научно-производственной деятельности"¹.

¹ (Ковалев В. И. Новые материалы к биографии Д. К. Чернова,- Тр. Ле- нингр. политехн, ин-та, 1959, № 207, с. 148)

7 декабря 1859 г. Д. К. Чернов прикомандировывается к Технологическому институту "для занятий по составлению систематического каталога машинам, орудиям и прочим снарядам, хранящимся в техническом музее, а также для преподавания черчения"². С этого момента начинается его многолетняя педагогическая Деятельность в высшей школе. Он преподает не только черчение, но и математику и одновременно неустанно учится сам: на правах вольнослушателя проходит курс физико-математического факультета Петербургского университета.

² (Государственный исторический архив Ленинградской области, ф. 429, д. 1551)

Педагогическую работу Чернов совмещал с исполнением обязанностей помощника заведующего большой научно-технической библиотекой института. Приводя в порядок библиотечный фонд, он составил систематический каталог литературы по технике. При этом он познакомился с новыми для того времени техническими идеями, проявляя особый интерес к металлургии и горному делу. Наиболее сильное впечатление произвели на него статьи выдающегося русского металлурга первой половины XIX в. П. П. Аносова, публиковавшиеся в "Горном журнале".

Увлекательная наука о металле делала в то время свои первые шаги. Все активнее завоевывал право на жизнь новый металлический сплав - качественная сталь. Одно за другим спадали покрывала таинственности с процессов получения и обработки металлов. Может быть, все это заставило молодого инженера в марте 1866 г. покинуть институт и направиться в сталеплавильный цех Обуховского завода, где искрился расплавленный металл, где, изнемогая от жары, рабочие и инженеры отливали пушки и детали станков и машин, укрепляя военную и экономическую мощь Родины.

Целые дни, а иногда и ночи проводил Чернов в закопченных цехах огромного завода, в механической и химической лабораториях. Часто его можно было встретить и на артиллерийском полигоне. Тщательно изучал он выпускаемые заводом пушки, достоинства и пороки металла и вскоре пришел к выводу, что не все пушки одинаковы по качеству. Некоторые из них очень прочны и долговечны, а другие разрываются при первых же выстрелах.

Внимательно исследует Чернов места разрывов и убеждается в том, что сталь здесь имеет крупнозернистое строение, в то время как металл долго служивших орудий отличается мелкозернистой структурой при одинаковом химическом составе. Выходит, что из стали одного и того же состава можно получить разную по качеству продукцию. Это заставило молодого инженера глубоко задуматься. Если некоторые пушки получаются хорошими, размышлял он, значит, можно и нужно подобрать такие условия производства изделий, при которых все они будут отменного качества.

Дмитрий Константинович Чернов (1839-1921)

Шаг за шагом анализирует Чернов многочисленные звенья сложного процесса производства стального орудия. Вот первое звено большой цепи - сталелитейный цех. Здесь отливаются тяжелые стальные слитки - заготовки для будущих артиллерийских стволов. Анализ их химического состава показывает, что полученная сталь полностью соответствует своему назначению. Затем слитки поступают в кузницу. Здесь их нагревают в печи и проковывают под мощными молотами. Стальной слиток приобретает при этом вытянутую форму артиллерийского ствола. После остывания он поступает в механический цех, где на металлорежущих станках производится его окончательная обработка.

Особое внимание уделяет Д. К. Чернов ковке металла. Это была наименее исследованная область металлообработки. В то время еще не было приборов для измерения высоких температур (термоэлектрический пирометр Ле Шателье был изобретен почти 20 лет спустя, в 1885 г.). Старые опытные кузнецы научили Чернова определять температуру металла "на глаз", по цвету нагреваемых в печи слитков.

Чернов подвергает ковке сталь, нагретую до различных температур, т. е. до разного "цвета каления" - от темно-красного до ослепительно белого. Откованные и охлажденные образцы он испытывает в механической лаборатории на разрывной машине. Таким образом ему удается установить, при каком температурном режиме ковки изделие получает наиболее высокие механические свойства.

Однако молодой инженер не только наблюдает производственные процессы, экспериментирует, ведет длительные беседы с рабочими и мастерами, пытаясь глубоко разобраться в сущности каждого этапа производства стального изделия. Не меньше времени тратит он на изучение специальной технической литературы по этим вопросам. Среди многих специальных работ его внимание привлекают статьи А. С. Лаврова и Н. В. Калакуцкого, опубликованные в "Артиллерийском журнале" в 1866- 1867 гг. Работы этих ученых-металлургов дали Чернову ключ к раскрытию многих явлений, определяющих качество изделий из стали и других сплавов.

Миновали два года напряженной работы. В апреле и мае 1868 г. Д. К. Чернов докладывает о своих наблюдениях и выводах на заседании Русского технического общества. Его сообщения, названные "Критический обзор статей Лаврова и Калакуцкого о стали и стальных орудиях и собственные Д. К. Чернова исследования по этому же предмету", вошли в золотой фонд научно-технической литературы по металлургии и металловедению. Чернов не только дал мастерский анализ работ Лаврова и Калакуцкого, но четко определил связь между тепловыми превращениями в стали и ее свойствами и структурой. Он установил зависимость строения стали от тепловой и механической обработки. Молодой ученый подвел научную базу под изучение свойств и структуры стали.

Конечно, получать стальные изделия высокого качества удавалось и до Чернова; замечательный металлург Аносов заложил основы металлургии качественных сталей и вооружил производственников научно обоснованной технологией выплавки стали. Однако сталеплавильное дело и особенно последующая обработка стальной заготовки в значительной степени определялись мастерством рабочих, их долголетним опытом. Чернов превратил производство стальных изделий из искусства одиночек в четко разработанный технологический процесс, сознательно направляемый и регулируемый.

В самом деле, что представляет собой обработка стали в горячем состоянии? Это либо термическая обработка - закалка, отпуск, отжиг и прочее,- связанная только с тепловым фактором и происходящая без участия механических сил внешнего воздействия, либо это горячая механическая обработка, связанная с приложением к нагретому металлу, доведенному до пластичного состояния, внешних деформирующих усилий. Либо, наконец, это сочетание ковки, т. е. внешних механических воздействий, с последующей тепловой обработкой. Общее для всех этих видов то, что они преследуют цели улучшения механических свойств металла путем изменения его структуры.

Чернов графически представил закономерность в изменении структуры стали при нагревании. На прямой линии - термометрической шкале - он отметил несколько точек, соответствующих определенным температурам, при которых в структуре стали наблюдались существенные изменения. Одна из этих точек, обозначенная Черновым буквой а, соответствовала темно-вишневому цвету нагретой стали, вторая точка Ъ - красному цвету каления и, наконец, третья точка с определялась температурой плавления данной стали.

Найденные Черновым точки не являются строго постоянными для всех сортов стали. "Точки a, b и c не имеют постоянного места на шкале,- подчеркивал ученый в своем докладе,- и перемещаются сообразно со свойствами стали (для чистой стали это перемещение прямо зависит от процентного содержания в ней углерода); чем тверже сталь, тем более эти точки придвигаются к нулю, а чем мягче сталь, тем больше они от него удаляются, вообще говоря, с различными скоростями"³. Точки Чернова характеризуются превращениями стали при определенных температурах во время нагревания или охлаждения. Эти превращения существенно изменяют структуру и свойства металла.

³ (Чернов Д. К. Критический обзор статей Лаврова и Калакуцкого.- В кн.: Д. К. Чернов и наука о металлах. М., 1950, с. 91)

В чем состоит значение точки а Чернова? Сам ученый дает четкий ответ на этот вопрос: "Сталь, как бы тверда она ни была, будучи нагрета ниже точки а, не принимает закалки, как бы быстро ее ни охлаждали; напротив того, она становится значительно мягче и легче обрабатывается пилою"⁴.

Таким образом, критическая точка а практически характеризует температуру, при которой сталь начинает принимать закалку. Перед закалкой стальное изделие требуется нагреть несколько выше этой точки и быстро охладить. Такое стремительное охлаждение задерживает изменение структуры стали и наделяет ее новыми механическими свойствами.

Операция термической обработки стали, а также все виды горячей механической обработки - ковка, штамповка, прокатка - связаны с критической точкой b, также установленной Черновым. Он указывает, что "сталь, будучи нагрета ниже точки b, не изменяет своей структуры - медленно или быстро после того она охлаждается...

Как только температура стали возвысилась до точки b, масса стали быстро переходит из зернистого (или, вообще говоря, кристаллического) в аморфное (воскообразное) состояние"⁵. Итак, Д. К. Чернов установил, что для получения мелкозернистой структуры (названной им аморфной), которая обеспечивает стальному изделию наилучшие механические качества, нужно нагреть это изделие до точки b или немного выше и затем медленно охладить.

Одной из главных операций артиллерийского производства является ковка орудийных стволов. Задача ковки состоит в том, чтобы получить возможно более мелкозернистую структуру стали (раздробить и вытянуть зерна металла) и одновременно придать стальной заготовке форму, близкую к окончательной форме изделия. Практика показывала, что из одной и той же стали в результате ковки в одних случаях получались изделия с мелким зерном, а в других - с крупным. Необходимо было найти такой режим, при котором во всех случаях обеспечивалось бы получение мелкозернистой структуры.

Как известно, горячая обработка металла давлением (ковка, прокатка), с одной стороны, приводит к раздроблению и вытягиванию зерен, а с другой - сопровождается рекристаллизацией, т. е. ростом зерен и восстановлением равноосной неориентированной структуры под действием высокой температуры, при которой находится металл во время деформации. Поэтому для того, чтобы получить стальное изделие с возможно меньшим зерном, нужно кончать ковку только тогда, когда процесс рекристаллизации практически завершился. Это соответствует критической точке b. На этом основании Д. К. Чернов определяет нижний температурный предел ковки, он говорит: "Нужно стремиться достигнуть того, чтобы наши орудия были по возможности мелкозернистого сложения; для этого следует, как мы видели, после нагрева болванки до высокой температуры ковать ее до тех пор, пока она не остынет до температуры, обозначенной мною точкою 6; тогда вместе с изменением куска в данную форму мы не дадим ему кристаллизоваться и по возможности приблизим структуру его к аморфной массе"⁶.

Однако вернемся к ковке стальных изделий. Так ли необходим этот сложный и трудоемкий процесс, требующий дорогого оборудования - нагревательных печей, молотов или прессов? Внимательно изучая структуру литой и кованой стали, Чернов пришел к выводу, что правильно подобранный режим тепловой обработки может обеспечить литому стальному изделию наилучшую структуру, т. е. мелкозернистое строение. В этом случае ковка была бы не нужна. Но в реальных условиях, как это блестяще показали в своих работах Лавров и Калакуцкий, литые стальные болванки переполнены газовыми пустотами, пузырями и раковинами. Задача ковки - сжать, сдавить, по возможности сварить эти пустоты. "Не будь этих пустот, как газовых, так и усадочных,- говорит Чернов,- можно было бы прямо в данную форму отливать орудия из стали,- гак, как отливают их из чугуна"⁷.

Д. К. Чернов "не только доказал ложность и неправильность взглядов на значение ковки для качества стали,- писал впоследствии акад. А. А. Байков,- по и открыл тот новый правильный путь, по которому должна была пойти обработка стали с целью придания ей, но желанию, требуемых свойств и высоких качеств. Д. К. Чернов указал, что решающим фактором в этом вопросе является не механическая обработка при помощи молота или пресса, а тепловая обработка путем нагрева и охлаждения с различной скоростью, и положил, таким образом, основание термической обработке стали"⁸.

⁸ (Байков А. А. Великий русский металлург Д. К. Чернов и его научные труды.- В кн.: Байков А. А. Собр. тр. М.; Л., 1948, т. 2, с. 256)

В наше время разработаны новые металлургические процессы, позволяющие хорошо раскислять сталь, вести плавку в вакууме и т. д. Это резко сокращает число и размеры газовых пустот в литом металле, а непрерывная разливка жидкой стали позволяет получить литую болванку без усадочных раковин. В то же время прогресс в области термообработки обеспечивает возможность получения любой структуры металла. Все это значительно сокращает область применения ковки и штамповки в современном производстве, уступающем свое место процессам отливки жидкой стали в формы с соблюдением необходимых условий ее остывания.

Практическое значение критических точек, установленных Д. К. Черновым, исключительно велико. Точка а дала возможность правильно находить температуру закалки. Точка b внесла понятие об изменении структуры стали при нагревании. Она послужила для кузнецов и термистов могучим средством, позволяющим получать продукцию высокого качества.

Благодаря замечательной работе молодого ученого были излечены "детские болезни" артиллерийского производства. Редкостью стали разрывы орудий. Они объяснялись теперь скорее неправильным обращением, чем недоброкачественным материалом. "Процесс термической, обработки орудийных поковок, внедренный в практику артиллерийского производства Д. К. Черновым, сыграл решающую роль в деле обеспечения русской артиллерии надежными и прочными стальными орудиями"⁹.

⁹ (Головин А. Ф. Д. К. Чернов - основоположник науки о металлах.- В кн.: Труды по истории техники. М., 1954, вып. V, с. 42)

Научные открытия, сделанные Черновым 100 лет назад, были для тогдашнего времени смелыми и дерзкими. Идеи 28-летнего исследователя были встречены недоверчиво, а порою даже враждебно. Однако это не смутило молодого ученого. Свой исторический доклад техническому обществу он закончил пророческими словами:

"Что касается вообще до проводимых мною идей, то я уже получил упреки в том, что слишком смело высказываю свои выводы; но пусть же я покажусь еще смелее и выскажу окончательное заключение из своих наблюдений в следующих словах: вопрос о ковке стали при движении его вперед не сойдет с того пути, на который мы его сегодня поставили"¹⁰. И Чернов был прав. Это лучше всего показало дальнейшее развитие металлургии и металлообработки. Общие принципы тепловой обработки стали, установленные русским ученым, остались незыблемыми до настоящего времени.

¹⁰ (Чернов Д. К. Критический обзор статей Лаврова и Калакуцкого, с. 105)

Д. К. Чернов (в первом ряду, в центре) среди металлургов-экспертов на Всемирной выставке в Париже в 1900 г.

Д. К. Чернов и впоследствии, в течение своей жизни, не раз возвращался к вопросу о критических точках, внося новые и новые элементы в стройную систему своих взглядов. В сообщении Русскому техническому обществу "О приготовлении стальных бронепробивающих снарядов" (10 мая 1885 г.), в лекции "О влиянии механической и термической обработки на свойства стали", прочитанной в Институте инженеров путей сообщения 28 января 1886 г., в блестящем курсе основ сталелитейного дела, прочитанном Черновым в Михайловской артиллерийской академии в 1898 г., и, наконец, в замечательном письме редактору "Журнала русского металлургического общества" М. А. Павлову, написанному в ноябре 1916 г., идеи фазовых превращений в стали, высказанные впервые в 1868 г., получают свое дальнейшее развитие в соответствии с общим прогрессом науки о металле¹¹.

¹¹ (Все эти работы публиковались неоднократно, а также вошли в сборник "Д. К. Чернов и наука о металлах")

В 80-х-90-х годах прошлого столетия видные зарубежные ученые Осмонд, Робертс-Аустен, Ледебур и другие, пользуясь точными приборами для измерения высоких температур - термоэлектрическим пирометром Ле Шателье, полностью подтвердили замечательные открытия Д. К. Чернова, а в начале 20-х годов нашего века превращения в стали под действием нагревания и охлаждения экспериментально подтвердились также и рентгенографическими методами. Большая заслуга в разработке всех этих вопросов принадлежит советским ученым А. А. Байкову, Н. Т. Гудцову, С. С. Штейнбергу, Г. В. Курдюмову и многим другим.

Прошло 10 лет со времени знаменитого доклада о фазовых превращениях в стали. 2 декабря 1878 г. Д. К. Чернов снова поднимается на трибуну Русского технического общества. Его новая работа, названная "Исследования, относящиеся до структуры литых стальных болванок", посвящена процессу затвердевания жидкой стали и изучению строения стального слитка.

В конце 70-х годов уже широко применялись мартеновский и бессемеровский процессы передела чугуна в сталь. Оба эти способа позволяли относительно легко получать большие слитки стали. Однако, несмотря на наличие классических работ русских металлургов Аносова, Лаврова, Калакуцкого и их иностранных коллег, в процессах разливки и остывания жидкого металла оставалось еще много сторон, требующих детального изучения. Сейчас для каждого металлурга совершенно ясно, что разливка стали и остывание слитка - это не простая механическая операция, а сложный процесс, который необходимо сознательно направлять и регулировать. Переход стали из жидкого состояния в твердое в большой степени определяет качество будущего изделия, изготовленного в дальнейшем из этой стали. Порочно застывший металл иногда не удается исправить последующей обработкой.

"Многочисленные разносторонние исследования Д. К. Чернова, связанные с выплавкой и разливкой стали, имели исключительное значение для совершенствования методов производства стали и повышения ее качества. Эти исследования оставили неизгладимый след в истории развития научных основ металлургии. Их результаты и поныне определяют основные направления исследований при решении сложных проблем, возникающих при получении высококачественной стали"¹².

¹² (Самарин А. М. Работы Д. К. Чернова в области выплавки и разливки ста- ли.- В кн.: Труды по истории техники. М., 1953, вып. II, с. 20)

В сообщении Русскому техническому обществу и в ряде последующих работ Чернов подробно останавливается на пороках стальных слитков, уделяя наибольшее внимание причинам и механизму возникновения газовых пузырей и усадочной рыхлости. Одновременно он предлагает практические мероприятия для устранения этих недостатков. Важнейшим из них является наиболее полное раскисление металла перед разливкой его в изложницы. В 70-е годы было известно два раскислителя жидкой стали - кремний и марганец. Именно они обеспечивают восстановление растворенной в сплаве закиси железа, предотвращают возникновение газообразной окиси углерода, приводящей к образованию пузырей в слитке стали. Наиболее энергичным раскислителем является кремний. Однако кремний окисляется (выгорает) в самом начале сталеплавильного процесса и уходит в шлак. Применявшийся обычно для раскисления жидкой стали ферромарганец (зеркальный чугун) не мог обеспечить полного восстановления закиси железа.

Д. К. Чернов подчеркивает необходимость использования в качестве раскислителя комплексного сплава, состоящего из железа, марганца и кремния. Этот сплав "дает возможность вводить в окончательный продукт бессемеровского или мартеновского процесса такую дозу кремния, какая необходима для полного разложения растворенной в стали углеродной окиси и образования двойного силиката железной и марганцевой закиси, образующихся при восстановлении растворенных в стали железных окислов. Этот двойной силикат, будучи очень легкоплавок и жидок, сравнительно быстро всплывает на поверхность, и, таким образом, металлическая ванна хорошо очищается от обыкновенно запутывающихся в ней очень раздробленных шлаков, вредно действующих на механические качества получаемой стали"¹³.

¹³ (Чернов Д. К. Исследований, относящиеся до структуры литых стальных болванок.- В кн.: Д. К. Чернов и наука о металлах, с. 188)

В предыдущей главе было указано о введении в 1891 г. русским металлургом А. С. Лавровым еще более энергичного раскислителя стали, чем кремний и марганец,- металлического алюминия. В дальнейшем алюминий стал использоваться и в составе комплексных раскислителей. В наши дни комплексные раскислители, на целесообразность которых Чернов указывал еще в 1878 г., не потеряли своего огромного значения, обеспечивая получение плотного беспузыристого стального слитка.

Классическая работа Чернова о структуре литой стали в значительной части посвящена анализу процесса кристаллизации металла в ходе его затвердевания и изучению строения стального слитка. Оценивая этот и последующие труды великого металлурга, акад. А. М. Самарин пишет: "Д. К. Чернов является общепризнанным творцом учения о кристаллическом строении литой стали. Ему принадлежит анализ механизма образования кристаллов - дендритов, анализ кинетики процесса кристаллизации. Такие впервые введенные Д. К. Черновым понятия, как центры кристаллизации, кристаллические твердые растворы, волновой характер роста кристаллов, составляют основу современного учения о кристаллизации стали"¹⁴.

¹⁴ (Самарин А. М. Работы Д. К. Чернова в области выплавки и разливки стали, с. 23)

Чернов долго и тщательно изучал кристаллизацию различных веществ. Он выращивал большие кристаллы поваренной соли и различных квасцов, наблюдал за процессом кристаллизации воды при замерзании, за возникновением и распространением сложных узоров льда. Сохранились фотоснимки оконных узоров льда, один из которых, как указывает надпись, был сделан Черновым зимой 1915 г., т. е. когда ему шел 76-й год. По аналогии с кристаллизацией раствора квасцов при замерзании Чернов создает схему затвердевания жидкой стали, а затем подтверждает ее правильность результатами многочисленных наблюдений и опытов в заводской обстановке.

В докладе, прочитанном 2 декабря 1878 г., Чернов рисует картину затвердевания расплавленной стали. Он рассматривает прежде всего кристаллы, образующиеся на стенках усадочных пустот, и устанавливает связь между ними и кристаллами тела слитка. Специфической особенностью образования кристаллов усадочной раковины является полная свобода их индивидуального роста, тогда как кристаллы общей массы слитка - дендриты - развиваются в условиях непрерывного взаимодействия между собой. "Рассматривая стенки усадочных пустот,- говорил Чернов,- мы замечаем, что они усеяны мелкими кристаллическими ростками, образующими друзы нагроможденных друг на друга стальных кристаллов... Рассматривая под микроскопом отдельные кристаллы, мы видим, что они принадлежат к разрывным кристаллам, с наибольшим развитием ростков по направлению октаэдрических осей, причем одна из них, по направлению главного роста кристалла, всегда оказывается длиннее двух других, так что каждый разрывной кристалл представляется в виде скелета вытянутого квадратного октаэдра. Кроме ростков по направлению октаэдрических осей, или ростков первого порядка, по мере удаления от вершины кристалла к его основанию мы встречаем сначала в зачатках, а потом все более и более развитые ростки второго, третьего и т. д. порядков, которые иногда образуют буквально сетчатые стропила октаэдрического кристалла"¹⁵. Чернов сопровождал свой доклад демонстрацией схем и рисунков, характеризующих строение слитка, развитие и рост кристаллов, их взаимное расположение и т. п.

¹⁵ (Чернов Д. К. Исследования, относящиеся до структуры литых стальных болванок, с. 172-173)

В практике имеют место случаи, когда в усадочной пустоте начинает расти отдельный, обособленный кристалл. Рост такого кристалла не встречает препятствий со стороны других кристаллов, его форма не искажается. Чем больше масса стального слитка и чем медленнее его застывание, тем больше возможностей для роста обособленных кристаллов. Чернов собирал и изучал такие кристаллы. В его коллекции хранился громаднейший кристалл, найденный в усадочной пустоте 100-тонного стального слитка. Вес кристалла равнялся 3,45 кг, а длина составляла 39 см. Фотография этого замечательного кристалла, названного кристаллом Чернова, так же как и его классические схемы, поясняющие процесс кристаллизации, вошли во все руководства по металлографии и пользуются всемирной известностью.

Д. К. Чернов показал механизм затвердевания стального слитка. Затвердевание начинается прежде всего г зоне соприкосновения жидкой стали с холодными стенками изложницы. Расплавленная масса покрывается твердой стальной коркой. Эта корка защищает жидкую сталь от быстрого остывания, процесс затвердевания замедляется, и кристаллы получают возможность эффективного роста. Чернов отмечает, что "затвердевание стали в центральных слоях совершается под влиянием весьма медленного отнятия теплоты сквозь раскаленные, только что отвердевшие наружные слои болванки, причем может образоваться весьма большое число центров кристаллизации с произвольным направлением осей роста кристаллов"¹⁶. Далее ученый анализирует причину меньшей плотности металла в центральных слоях слитка. Он указывает на отсутствие строгой правильности в очертании кристаллов: "Иногда рост одной стороны опережает другую, ростки второго порядка развиваются быстрее некоторых ростков первого порядка, отнимают от них материал и в свою очередь пускают от себя ростки третьего порядка и т. д.; ростки встречаются, срастаются и замыкают между собой пространства, наполненные жидкой сталью... Жидкий металл замкнутых пространств продолжает служить материалом для дальнейшего роста замыкающих его кристаллических ростков, но так как при этом происходит сжатие металла, то в каждом таком замкнутом пространстве останется усадочная пустота, которую назовем местного, или частною, усадкою. Очевидно, что недостаток материала для правильного развития роста кристаллов не может быстро пополняться, если окружающий металл загустевает и теряет быструю подвижность, что и имеет место при затвердевании центральных частей болванки. Вот причина, почему по мере приближения к центру болванки мы встречаемся с более и более рыхлым металлом"¹⁷.

Однако Д. К. Чернов не только различал в слитке несколько слоев, или зон, кристаллизации. Он сделал замечательный вывод о непостоянстве состава жидкой стали при затвердевании. В курсе лекций по сталелитейному делу, прочитанных в 1898 г. слушателям Артиллерийской академии, он следующим образом описывает процесс образования кристалла стали: "Одно вещество, более мягкое, менее углеродистое, бросает оси, и другое, более углеродистое, оставаясь в то время еще жидким, тотчас же вслед за тем облепляет ростки"¹⁸.

¹⁸ (Чернов Д. К. Сталелитейное дело.- В кн.: Д. К. Чернов и наука о металлах, с. 510)

Кристаллообразные ростки на стенках усадочной раковины стальных слитков (собственноручные рисунки Д. К. Чернова). Знаменитый кристалл Чернова (слева)

Чернов дал подробный анализ основных недостатков и пороков стального слитка - газовых пузырей, усадочной раковины, ликвационной зоны и пр. Однако он не ограничился только констатацией наблюдаемых им явлений, а разработал целый ряд способов борьбы с недостатками литой стали. В своей работе "Исследования, относящиеся до структуры литых стальных болванок" ученый делит их на три вида:

"1) не изменяя способов отливки стали, ограничиваются отливкой стального куска, болванки самой простой формы и выделывают изделия из полученного куска с помощью молотов или прокатных станов;

2) подвергая сталь в жидком виде сильному давлению, получают беспузыристые, а частью и безусадочные болванки самых простых форм; для дальнейшей обработки употребляются молоты или прокатные станы;

3) прекращая химическим путем выделение газов в отливаемой стали, получают стальные изделия самых разнообразных очертаний прямо отливкою в земляные или металлические формы, без дальнейшей обработки под молотом"¹⁹.

¹⁹ (Чернов Д. К. Исследования, относящиеся до структуры литых стальных болванок, с. 182)

Чернов подробно останавливается на характерных особенностях каждого из этих способов. Для лучшего уплотнения стали наряду с применявшимся тогда способом прессования жидкой стали он разрабатывает метод отливки во вращающуюся изложницу. "В самом деле,- говорит Чернов,- если при отливке стали в изложницу эту последнюю приводить в быстрое вращательное движение, тогда растущие нормально к поверхности изложницы разрывные кристаллы не в состоянии будут так сильно развиваться, как это имеет место при спокойном росте, и сталь будет нарастать гладкими, аморфного сложения слоями"²⁰.

К периоду пребывания Д. К. Чернова на Обуховском заводе относится также его работа по исследованию и внедрению бессемеровского способа получения стали. Для русской, да и для зарубежной металлургии этот процесс был сравнительно новым и содержал много неясных сторон. Естественно, что в этих условиях обстоятельные сообщения Чернова ("Материалы для изучения бессемерования"), сделанные в Русском техническом обществе в феврале 1876 г. и продолженные там же год спустя, послужили стимулом к более широкому внедрению бессемеровского способа производства стали на русских заводах.

Чернов, широко используя данные зарубежной и отечественной практики, в том числе и своих личных экспериментов на конверторах Обуховского завода, познакомил присутствующих с устройством конверторов и сущностью бессемеровского процесса. Он четко разделил последний на четыре периода, подробно охарактеризовав наступление и окончание каждого из них. Основная трудность конверторного производства стали состояла в определении момента окончания процесса, протекающего с большой скоростью. Даже с помощью самых быстрых для того времени химических способов анализа металла невозможно было уследить за процессом выгорания кремния, марганца, углерода и других элементов, составляющих сталь.

Для определения момента окончания продувки металла воздухом существовал только один способ - спектральный анализ пламени, вырывающегося из горловины конвертора. Рассказав об опытах использования спектроскопа за рубежом, Чернов остановился на своих спектроскопических наблюдениях бессемеровского пламени, а их ученый сделал более пятисот. Это место доклада ученый проиллюстрировал большими таблицами спектров, характерных для каждого периода плавки.

Работы замечательного русского металлурга позволили в значительной степени усовершенствовать конверторный процесс, расширить область его применения. До Чернова при бессемеровском процессе использовали только высококремнистые чугуны. Чугун с содержанием относительно небольшого количества кремния считался непригодным для бессемерования: ведь высокая температура процесса создавалась главным образом за счет выгорания кремния. Д. К. Чернов на Обуховском заводе (и почти одновременно с ним К. П. Поленов на Нижнесалдинском заводе) предложил еще в 1872 г. предварительно подогревать жидкий чугун в вагранке перед его заливкой в конвертор, сообщая ему большой запас тепла. Этот способ, получивший название русского бессемерования, в дальнейшем широко применялся на отечественных и зарубежных заводах.

Всесторонне изучив теорию и практику конверторного процесса, Чернов горячо поддеряжал специалистов, доказывавших целесообразность использования кислорода для интенсификации процесса выплавки стали в конверторе. В докладе Русскому техническому обществу в 1876 г. Чернов подчеркивал исключительную эффективность применения обогащенного кислородом воздуха для продувки жидкого чугуна в конверторе. "Это должно значительно возвысить температуру металла, а с другой стороны,- сократить время процесса и уменьшить расход на движущую силу, так как воздуходувная машина может быть тогда уменьшена пропорционально количеству примешиваемого кислорода"²¹.

²¹ (Чернов Д. К. Материалы для изучения бессемерования.- В кн.: Д. К. Чернов и наука о металлах, с. 142)

Однако в те далекие времена кислород стоил дорого, добывался он в химических аппаратах весьма небольшой производительности. К тому же и работа металлургических агрегатов на дутье с повышенным содержанием кислорода совсем не была изучена. Понадобился не один десяток лет напряженных исследований, чтобы вопрос о широком использовании кислорода в металлургии поставить на практические рельсы. В наши дни на кислородном дутье с большим успехом работают доменные и сталеплавильные печи разных конструкций. А что касается конверторов, то применение кислорода буквально можно считать их "вторым рождением". Почти забытые в первой четверти нашего века, они вновь становятся ведущими агрегатами сталеплавильного производства, обеспечивая получение высококачественного и дешевого металла. Но об этом будет сказано в одной из последующих глав.

В феврале 1880 г. Д. К. Чернов вынужден был покинуть Обуховский завод, которому он отдал 14 лет своей жизни, пройдя путь от скромного техника молотового цеха до главного металлурга завода и обогатив науку о металле выдающимися открытиями. Его отношения с начальником завода адмиралом Колокольцовым, не любившим проявления инициативы со стороны подчиненных, отрицательно относившимся к исследовательской деятельности и общественно-политическим взглядам Дмитрия Константиновича, слишком обострились. В опубликованных работах Чернова имеется только одно указание на причину его ухода с завода. 10 марта 1884 г. в докладе Русскому техническому обществу, посвященному обобщению новых наблюдений при обработке стали, ученый с горечью говорил: "Даже первый образец, приготовленный мною, не подвергся наблюдению, потому что среди моих приготовлений я должен бы уступить грубой силе обстоятельств и покинуть не только мои занятия на Обуховском заводе, но и вообще стальное дело"²².

²² (Чернов Д. К. Обобщение по поводу некоторых новых наблюдений обработки стали.- В кн.: Д. К. Чернов и наука о металлах, с. 198)

Недавно в Центральном государственном историческом архиве СССР в Ленинграде обнаружены интересные документы, проливающие свет на истинные причины ухода Чернова с Обуховского завода. Сохранилась переписка Чернова по этому поводу с механиком завода Гагенторном и начальником завода Колокольцовым. Из этой переписки следует, что Гагенторн в присутствии группы работников завода высмеял требование Чернова о более широком привлечении русских рабочих, в то время как руководство завода делало ставку прежде всего на иностранцев.

Д. К. Чернов писал Колокольцову: "Относительно односторонности моего мнения о найме иностранцев-рабочих г. Гагенторн может быть прав только с точки зрения очень узких интересов его мастерской; конечно, для мастера лучше взять слесаря-иностранца, умеющего, например, хорошо сделать шаблон, нежели трудиться учить русского рабочего, всегда будто бы небрежного. Но я не могу смотреть такими глазами уже потому, что должен действовать в духе правительства, которое поддерживает нашу промышленность и субсидиями, и таможенными пошлинами, и заказами, и издержками на высшее и низшее техническое образование только для того, чтобы нам быть независимыми от иностранцев, насадить производство на русской почве, русскими людьми (подчеркнуто Черновым), и даже несет особые жертвы, чтобы и сырые материалы были русские. Мои симпатии всегда были на этой стороне... и потому я буду всегда действовать в этом смысле". Далее ученый требовал увольнения ряда принятых на завод иностранцев. Начальник завода оставил просьбу Чернова без внимания. В последующих письмах Д. К. Чернов потребовал своей отставки²³.

²³ (Полностью указанная переписка приведена в нашей публикации "Новые материалы о Д. К. Чернове". См.: Вопросы истории естествознания и техники. М., 1960, вып. 12, с. 193-195)

Мы остановились столь подробно на причинах ухода Чернова с Обуховского завода для того, чтобы подчеркнуть глубокий патриотизм ученого, его заботу о процветании Родины, о строительстве русской промышленности русскими людьми. Таким же патриотом он оставался до последних минут своей жизни.

80-е годы прошлого столетия характеризовались развитием промышленности на Юге России. Знаменитый русский химик Д. И. Менделеев указывал на "будущую силу, покоящуюся на берегах Донца". Эта сила - в богатейших запасах каменного угля, железных руд и других полезных ископаемых. Чернов отправился на юг, где в течение трех лет занимался разведками каменной соли в Бахмутском уезде Екатеринославской губернии. Разведки эти увенчались успехом: найденные Черновым залежи соли начали разрабатывать в промышленных целях.

В 1884 г. Д. К. Чернов возвратился в Петербург и стал работать главным инженером отдела испытаний и освидетельствования заказов Министерства путей сообщения. В 1889 г. он был приглашен на должность профессора металлургии находившейся тогда в Петербурге старейшей высшей военной школы в России - Артиллерийской академии. Обязанности профессора академии он исполнял до самой смерти.

Чернов являлся автором ряда важнейших работ в области артиллерийского производства. При его непосредственном участии происходило перевооружение русской армии трехлинейными винтовками. Он разработал оригинальный метод термической обработки стальных снарядов, делающий их бронебойными. Чернов исследовал весьма важный вопрос выгорания каналов стальных орудий при стрельбе, т. е., другими словами, стойкость стали против разрушительного действия газов высокой температуры.

Много лет назад выдающийся металлург считал вполне возможным промышленное получение стали непосредственно из руд, минуя доменный процесс. В обстоятельном докладе, прочитанном им на заседании Русского технического общества 20 января 1899 г., Чернов не только теоретически обосновал новый процесс, но и сообщил об оригинальном проекте плавильной печи, позволяющей получить сталь из железной руды. В то время проект не встретил поддержки. Однако сейчас идея ученого начинает осуществляться.

Деятельность Д. К. Чернова была многогранной. Он отличался разносторонностью своих интересов. Его увлекали геология и ботаника, математика и авиация, фотография и музыка. Ученый задумывался над такими проблемами, которые полностью были решены лишь много лет спустя. К их числу относится, например, полет человека на аппаратах тяжелее воздуха с помощью крыльев.

Чернов наблюдал и изучал полет птиц, присматривался к устройству их крыльев и пришел к выводу, что человек может летать, опираясь на крылья. Он разрабатывал проект летательного аппарата, основной частью которого был воздушный винт-пропеллер, приводимый в действие специально установленным двигателем. Выдающийся металлург собственноручно создал оригинальную модель, состоящую из пружинного механизма и вращающегося винта. С помощью этой модели, поставленной на чашку весов, он доказал, что подъемная сила винта зависит от скорости его вращения и от угла наклона лопастей. Прославленный ученый-аэродинамик, "отец русской авиации" Н. Е. Жуковский высоко оценил эти работы Д. К. Чернова. В лекциях по аэродинамике и теории авиации Жуковский неизменно и подробно освещал эксперименты русского металлурга, касающиеся воздушного винта. В марте 1894 г. Жуковский выступил в Московском воздухоплавательном обществе с сообщением о работах Чернова в области авиации.

Эти работы не были случайными и поверхностными экспериментами. Чернов сделал из них серьезные выводы, с которыми подробно ознакомил научную общественность. На заседаниях Русского технического общества 17 и 23 декабря 1893 г. он доложил о возможности механического летания без помощи баллона. Развитие авиации показало, что и в этом вопросе ученый стоял на верном пути.

Терпеливо и настойчиво исследовал Чернов характерные особенности старинных скрипок работы знаменитых итальянских мастеров, различные способы сушки и склейки дерева, форму изгиба скрипичных дек, различный состав лаков и покрытия скрипки. Он сам изготовлял музыкальные инструменты, и удавались они настолько хорошо, что даже специалисты зачастую затруднялись отличить старинные итальянские скрипки от скрипок ученого-металлурга.

Д. К. Чернов почти 30 лет преподавал в Артиллерийской академии. Он был замечательным педагогом, обладавшим огромным производственным опытом. Его лекции захватывали слушателей. Несколько поколений русских артиллеристов прошли серьезную школу под руководством знаменитого металлурга. Уезжая на заводы, они не теряли связи со своим учителем, который всегда быстро и аккуратно отвечал на многочисленные письма.

Чернов любовно относился к молодежи. В своих учениках, в молодых соотечественниках он видел людей, которые продолжат славные традиции русской науки, выведут нашу страну на широкую дорогу прогресса. 22 августа 1895 г. он писал одному из своих учеников, впоследствии видному металлургу И. А. Крылову: "Работайте, работайте и работайте! Родина наша нуждается в усердных деятелях на всех поприщах, и мне, уже уступающему свое место молодому поколению, весьма отрадно видеть, что семена наши дают всходы на новой почве. В добрый путь!"²⁴.

²⁴ (Головин А. Ф. Д. К. Чернов и развитие отечественной артиллерийской техники,- В кн.: Труды по истории техники. М., 1953, вып. II, с. 61)

Чернов являлся видным общественным деятелем. Еще молодым инженером, в 1866 г., он принимал активное участие в организации Русского технического общества, объединявшего в то время наиболее передовые слои русской инженерно-технической интеллигенции. Ученый считал почетным долгом знакомить со своими работами прежде всего техническую общественность, отзывы и критику со стороны которой очень ценил. Поэтому он систематически докладывал на собраниях Общества о всех своих трудах еще до опубликования их в печати.

Творец металлографии, Д. К. Чернов создал при Русском техническом обществе специальную Металлографическую комиссию, которой бессменно руководил до самой своей смерти.

Подобно многим другим выдающимся деятелям русской науки, Чернов был блестящим популяризатором и пропагандистом научных знаний. Он принимал участие в публичных лекциях, часто читал лекции с благотворительными целями - в пользу нуждающихся студентов и т. д.

Чернов живо интересовался работой новаторов в области науки и техники и многим помогал. Он не пропускал ни одного заседания Русского технического общества и других научных организаций, на котором обсуждалась какая-нибудь серьезная проблема.

Научный авторитет Чернова был признан не только в России, но и далеко за ее пределами. Он состоял почетным членом Артиллерийской академии, Петербургских технологического и политехнического институтов, почетным председателем Русского металлургического общества и ряда других организаций. Он был избран почетным вице-председателем английского Института железа и стали, почетным членом американского Института горных инженеров и т. д.

В 1900 г. на Всемирной парижской выставке известный французский металлург Г. Монгольфье говорил: "Считаю своим долгом открыто и публично заявить в присутствии стольких знатоков и специалистов, что наши заводы и все сталелитейное дело обязаны настоящим своим развитием и успехами в значительной мере трудам и исследованиям русского инженера Чернова, и приглашаю вас выразить ему нашу искреннюю признательность и благодарность от имени всей металлургической промышленности"²⁵.

²⁵ (Цит. по: Крылов И. А. Д. К. Чернов и артиллерийское дело.- В кн.: Дмитрий Константинович Чернов. Пг., 1923, с. 68)

Из письма Д. К. Чернова от 22 августа 1895 г. (автограф)

Другой известный французский металлург и металловед А. Портвен писал в некрологе, посвященном Д. К. Чернову: "Столь прекрасная жизнь, получившая мировую оценку, делает великую честь России!"²⁶.

²⁶ (Портвен А. Дмитрий Константинович Чернов,- В кн.: Дмитрий Константинович Чернов, с. 25)

Осенью 1916 г. Чернов опасно заболел и вынужден был выехать для длительного лечения в Крым. В первые годы после Великой Октябрьской социалистической революции он не мог возвратиться в Петроград: Крым был отрезан войсками белогвардейцев и интервентов. Эти годы больной 80-летний ученый жил впроголодь. Д. К. Чернов получил приглашение переехать для работы в Англию. Однако он категорически отказался покинуть Родину, которой отдал свои силы и знания. Дмитрий Константинович Чернов умер 2 января 1921 г. в Ялте.

Заслуги великого металлурга перед наукой огромны. Он выражал новые передовые идеи в области металлургии. Сделанные им научные открытия превратили сталелитейное дело из ремесла и искусства одиночек в науку, законы которой благодаря Чернову стали хорошо известны.

Ученый был подлинным революционером в науке. Его работы являются прекрасным образцом научного предвидения, смелости обобщений, большой творческой инициативы.

Прошли годы. Но научные идеи основоположника современной науки о металле, "отца металлургии" Д. К. Чернова не устарели. Они успешно развивались и развиваются выдающимися советскими металлургами А. А. Байковым, Н. С. Курнаковым, А. Л. Бабошиным, Н. Т. Гудцовым, Г. В. Курдюмовым и многими другими старыми и молодыми учеными. Классические труды Д. К. Чернова вошли в золотой фонд мировой науки.