Найти дело по способностям

Прочна ли медь? Не нужно быть крупным специалистом в области металловедения, чтобы ответить на этот вопрос отрицательно. Из меди не строят мостов, подъемных кранов, экскаваторов.

Ни крепежным, ни конструкционным материалом, подобным стали, медь не была (разве что в очень давние времена) и не будет.

Однако, говоря о механических свойствах металлов, в частности меди, необходимо принимать в расчет следующее. Механику металлов характеризует множество различных свойств, и нет среди них одного, которое сразу сделало бы металл универсальным, незаменимым в современной технике материалом. Один металл может быть особенно тверд, другой - прочен, третий - пластичен... Но рекордные показатели в одном каком-либо свойстве решают далеко не все. Особенно важно их удачное сочетание. Хотя бывает и так, что один наилучший показатель обеспечивает металлу важную область применения. Нечто подобное случилось с медью.

Знакомство с механическими свойствами металла - главного героя нашей книги - мы начнем с его твердости. Под твердостью понимают сопротивление поверхностных слоев металла нагрузкам. У меди этот показатель весьма невелик. По десятибалльной шкале она получает за твердость 3,0 балла против 4,5 баллов у железа. Самый простой способ сравнить материалы по этому свойству - поцарапать поверхность одного из них другим. На чьей поверхности след будет заметнее, глубже, тот стало быть и мягче. Для более точного измерения твердости используют, например, метод шведского инженера И. Бриннеля. В гладкую поверхность металла вдавливают особым процессом стальной шарик. Замеряют диаметр отпечатка под микроскопом, вычисляют площадь вмятины и делят на нее величину нагрузки пресса. Результат деления и есть величина твердости металла по шкале Бриннеля.

Медь в полтора раза мягче железа. И тут она вновь оказывается в одной компании с благородными золотом и серебром - в разряде мягких металлов.

С определением прочности металлов дело обстоит гораздо сложнее. Казалось бы, что тут сложного: прочность - это сопротивление металла разрушению, и чем большее усилие нужно затратить на разрыв его куска или на смятие его до полного разрушения, тем металл прочнее. Но один и тот же металл в разных условиях и после различных способов обработки всякий раз имеет различную прочность.

Люди очень долго не знали истинных законов прочности. Еще в прошлом веке, например, считали наиболее прочной ту машину или конструкцию, которая была тяжелее. В инструкциях, прилагавшихся к каждой купленной банке консервов, описывались манипуляции по вскрытию банки при помощи... зубила и молотка! Толщина стенки банок исчислялась миллиметрами и, как высказался на этот счет один ученый, вскрытие их составляло скорее дело профессионального взломщика, чем домашней хозяйки. Пример совсем иного масштаба - разрушение Вавилонской башни. Согласно известному преданию, она рухнула от собственной тяжести.

В принципе прочность металла должна целиком зависеть от силы сцепления составляющих его атомов. Эта зависимость годна лишь для идеального металла. Реальные металлы имеют прочность, в десятки и сотни раз меньшую, чем металл с идеальной структурой. Реальный кусок металла всегда представляет собой не единый правильный кристалл, а конгломерат из бесчисленных крохотных кристалликов, которые металловеды называют зернами. Сцепление между зернами-кристалликами почти чисто механическое, как между песчинками в сильно спрессованной куче песка. Вдобавок, именно на границе зерен скапливаются всевозможные примеси. Просветы между зернами может заполнить газ. Поэтому прочность только что отлитого металла очень мала.

Выдающийся русский ученый и металлург Дмитрий Константинович Чернов еще в прошлом веке заметил: чем мелкозернистее один и тот же металл, тем он прочнее. Сегодня его наблюдение стало руководством для всевозможных методов упрочнения металлов.

То, что проделывают металлообработчики, хирург назвал бы наверное пластической операцией на металле. Они прокатывают его меж валков прокатных станов, куют, штампуют, мнут колоссальными давлениями. И все для того, чтобы раздавить, примять крупные зерна, сблизить измельченные зерна настолько, чтобы сцепились они уже атомарными силами. И теперь, если внимательно рассмотреть скол металла, обработанного таким образом, и сравнить его с местом разрыва литого металла, можно легко заметить, как сильно изменилось его "лицо". Зерна стали гораздо мельче, а металл от этого плотнее и прочнее. Металлообработчики называют эти операции пластической деформацией. Вкупе с термической обработкой она служит упрочнению металлов.

Медь обладает весьма скромной прочностью, примерно в два раза меньшей, чем у стали. Но после обработки ее прочность поднимается почти на пятьдесят процентов. Тут можно вспомнить эксперименты С.А. Семенова и других исследователей, которые показали, что древнейшие металлурги интуитивно, опытным путем дошли и до пластической деформации меди, и до ее отжига.

Но теоретическая прочность скромной меди намного больше реальной прочности лучших сталей. Правда, такая прочность достижима лишь при одном условии - в кристаллической решетке не должно быть никаких дефектов, то есть кусок меди должен представлять собой единый кристалл с идеальной структурой. Такой идеал, разумеется, не достижим, но приблизились к нему почти вплотную. Недавно получены так называемые медные усы - нитевидные кристаллы меди. Нарушений кристаллической решетки у них практически нет, и потому прочность на разрыв у таких усов огромна я - вдвое больше, чем у лучшей высоколегированной стали! Усы растили (именно растили!) в особой печи. В нее устанавливали ванночку с чистейшим монохлоридом меди CuCl и под сравнительно небольшим давлением закачивали тоже чистейший водород. Температуру в печи держали строго постоянную - около 600°С. Атом за атомом выстраивалась тончайшая медная нить - монокристаллик диаметром менее полутора микрометров.

Чтобы стать конструкционным материалом, медные усы слишком тонки - сделать монокристаллическую нить даже миллиметрового диаметра невероятно сложно. Однако в технике будущего они обязательно найдут применение.

Предмет особой гордости меди - пластичность. Среди всех широко применяемых в технике металлов в этом свойстве у нее конкурентов нет. Из куска меди можно выковать все, что угодно. В умелых руках молоток легко превратит его в тончайший лист или объемную фигуру самой затейливой конфигурации.

А представьте, что медь обладала бы хрупкостью ванадия при собственной электропроводности. Сколько трудностей возникло бы при производстве электрических проводов из меди. К счастью, природа не противопоставила два ценнейших свойства - электропроводность и пластичность, а соединила их в одном металле. Объясняется это приятное сочетание весьма просто: пластичностью в металлах тоже "ведает" электронный газ. Когда мы сдвигаем со своего места ионы, деформируя кристаллы, они не теряют связи с электронами и плавно перетекают внутри их потока. Удобнее и легче всего ионам делать это в меди.

На морозе в 40°С, когда трещит обычная конструкционная сталь, нужна особая, хладостойкая. Меди нипочем и холода за - 100°С. Она не теряет своей уникальной пластичности и на самом жестоком морозе. Пусть прочность ее довольно скромна, зато и это свойство отлично сохраняется в условиях низких температур. Вот почему медь можно встретить в вакуум-аппаратах, теплообменниках и самых разнообразных холодильных установках - как промышленных, так и домашних.

Значит, медь все-таки и конструкционный материал? Да, но только в особых условиях. В определенных обстоятельствах медь незаменима и как материал инструментальный. Например, в цехе, где пользуются легковоспламеняющимися или взрывоопасными веществами, одна-единственная искра может привести к несчастью. Работают здесь только медными молотками, которые, в отличие от безусловно более прочных и дешевых стальных, совершенно не искрят.

...Конница Александра Македонского погибла в одном из походов. Причиной гибели послужила медь: из нее были сделаны подковы лошадей. Поход выдался дальний и долгий. Медные подковы очень быстро изнашивались, и запас их скоро истощился... Так гласит одно из многочисленных преданий о жизни великого завоевателя. Можно верить этой легенде или не верить, но история так или иначе очень поучительная. Работу металлу нужно выбирать, зная его способности.