И прочная, и пластичная

Вот такую головоломную задачу поставили перед собой донецкие ученые под руководством академика АН УССР В. И. Архарова — создать высокопрочную и высокопластичную сталь для вагоностроения, которая обладала бы достаточной хладостойкостью и не боялась ударов при самых лютых морозах.

Ученые выдвинули новую научную идею, суть которой заключается в следующем.

Если посмотреть на срез металла в микроскоп, то отчетливо видны мелкие кристаллические зерна, плотно прилегающие друг к другу и образующие единое прочное целое. Мы уже знаем, что это — кристаллы. Но исследователей заинтересовали не сами зерна, а их границы — та исчезающе тонкая линия, что отделяет одно зерно от другого. Как влияет она на свойства металла?

Оказалось, что многие химические элементы скапливаются не в самих зернах, а именно в этих приграничных областях, причем в очень высоких концентрациях. И скапливаются там не только вредные неметаллические включения, но и те элементы, которые мы специально вводим в сталь, чтобы улучшить ее свойства. Вместо того, чтобы равномерно распределиться по всему объему кристаллов, они образуют на границах зерен хрупкие пленки. Эти-то пленки и приводят к поломкам машин, особенно при низких температурах.

Представьте себе вагонную ось. На каждом стыке рельсов — маленький удар, при каждом ударе ось слегка изгибается. Кристаллы сдвигаются друг относительно друга. Но вот границы забиваются пленками все больше и больше, особенно на морозе. И кристаллы уже не могут двигаться. При ударах они просто отдаляются один от другого — ось ломается.

Таким образом, было открыто новое физическое явление, происходящее внутри кристалла. Ученые назвали его межкристаллитной внутренней адсорбцией (МВА).

И сама по себе МВА и все ее последствия кажутся на первый взгляд парадоксальными и даже противоречащими научным представлениям. Мы вводим в сталь легирующие элементы, чтобы улучшить ее качество, а они выпадают в виде хрупких пленок и эти самые качества, наоборот, ухудшают. Выходит, надо бороться не только с нежелательными примесями, но и с теми, которые мы сознательно вводим в металл? У кого не опустятся руки от такой задачи!

Новая теория — парадокс МВА — решает эту задачу совершенно неожиданным образом. Вспомните, мы говорили об исключениях из правил — о примесях, которые не ухудшают свойства металла. Значит, они не скапливаются по границам зерен. Так, может, не очищать сталь от вредных примесей, во всяком случае, обойтись простейшими методами очистки? Но зато найти такие вещества, которые, будучи введенными в металл, и сами не концентрируются на границах зерен и «не допускают» туда другие компоненты. Иными словами, устранять хрупкость стали не путем очистки ее от примесей, а, наоборот, путем «загрязнения» определенными добавками. А загрязнять — это не очищать, это очень легко.

Именно таким «обратным ходом» и удалось решить проблему создания высокопрочной и высокопластичной стали.

Сама идея, как мы уже говорили, предложена группой ученых из Донецка. Совместно с работниками Уральского вагоностроительного завода опыты перенесли в производственные условия. На этой стадии в работу включился научно-исследовательский институт черных металлов.

Усилиями этих трех групп и удалось решить невероятно трудную задачу. Трудную потому, что она шла «наперекор» общепризнанной теории. И гораздо больше времени у ученых ушло не на то, чтобы сделать новую сталь, а чтобы доказать свою правоту, поломать устоявшиеся представления.

Сталь, которую раньше применяли на Уралвагонзаводе, включала в свой состав небольшое количество ванадия. С углеродом и азотом ванадий дает химические соединения — карбонитриды. Мелкие частицы этих соединений распределяются в толще каждого зерна, что и придает металлу повышенную прочность. Отлично, но... даже при незначительном увеличении количества ванадия свыше нормы сталь неожиданно становилась хрупкой. Раньше этот факт невозможно было объяснить. Теперь стало ясно, что карбонитриды скапливаются на границах зерен, выделяются в виде хрупких пленок.