Юный техник, 2005 № 12 - Журнал «Юный техник»

7. Подлодка класса «Оскар» (Россия) водоизмещением 12 250 тонн. Вооружение — торпеды, крылатые ракеты.

8. Подлодка класса «Дельта» (Россия) водоизмещением 13 250 тонн. Скорость — около 25 узлов. Вооружение — 16 баллистических ракет.

9. Подлодка класса «Огайо» (США) водоизмещением 18 770 тонн. Скорость — 25 узлов. Вооружение — 24 баллистические ракеты.

10. Подлодка класса «Тайфун» (Россия) водоизмещением 28 000 тонн. Скорость — 40 узлов. Вооружение — 20 баллистических ракет.

НОВАЯ ЖИЗНЬ СТАРЫХ ИДЕЙ

Как отлить стекло из… стали?

Это известие некоторые информационные агентства и СМИ распространили как сенсацию: в Дармштадтском техническом университете (ФРГ) научились превращать металл в… стекло. Пока, впрочем, новый материал широкого применения в промышленности не нашел. Но, как уверяют его создатели, в скором будущем положение может в корне измениться.

Новое — это забытое старое?

Попробуем разобраться, в чем суть дела и насколько революционна новая технология. Для этого достаточно заглянуть хотя бы в наш журнал более чем 25-летней давности. В «ЮТ» № 11 за 1980 г. мы писали: «Оператор нажал кнопку, и из отверстия форсунки с огромной скоростью полетела струя раскаленного металла. Она падает на движущуюся гладкую ленту, охлаждаемую жидким гелием, тотчас застывает тонкой серебристой пленкой и становится… стеклом! В конце конвейера пленка свертывается на катушке в рулон.

Так в одной из лабораторий Центрального научно-исследовательского института черной металлургии получают необыкновенный материал, который условно именуют «металлическим стеклом».

И далее мы рассказали, в чем принципиальная разница между обычным металлом и металлическим стеклом. У металлов по мере застывания их расплавов атомы выстраиваются в определенном порядке, образуя так называемую кристаллическую решетку определенных геометрических форм. А вот в стекле — и в расплавленном и застывшем — атомы разбросаны в хаотическом беспорядке, который ученые называют аморфным строением вещества.

И у стекла, и у металла есть свои достоинства и недостатки. Кристаллическая решетка, например, хороша только тогда, когда она идеальная. Такого, увы, на практике не бывает. Расчеты показывают: на каждые 15–20 тысяч атомов один гуляет, так сказать, сам по себе. Его место в узле кристаллической решетки всегда свободно.

Кроме того, сама решетка по разным причинам теряет строгую форму. Это резко ухудшает свойства металлов — реальная прочность их примерно в 1000 раз меньше, чем могла быть при идеальной кристаллической решетке. А что бы случилось с металлом, не будь у него вообще никакой кристаллической решетки?.. Впервые об этом ученые задумались довольно давно. Еще в 60-е годы XX века они нашли два основных способа получать из жидкого металлического расплава металл в твердом, но аморфном состоянии. Как осуществили сверхбыстрое замораживание расплавленного металла в ЦНИИчермете, мы уже описали выше. На мчащейся ленте, охлаждаемой жидким гелием, скорость затвердевания достигает миллиона градусов в секунду. Иначе говоря, металл застывает за тысячные доли секунды!

Но и этого бывает недостаточно! А потому в специальном конструкторском бюро Института металлургии РАН имени А.А.Байкова использовали другой способ. Расплавленный металл прямо из тугоплавкого тигля пускают в тончайший зазор между охлаждаемыми медными валками. Замораживание идет сразу с обеих сторон, потому и скорость охлаждения гораздо выше — миллионы градусов в секунду!

Механизм этого воздействия работает по принципу стоп-кадра в кино: только что все было в движении — и вдруг застыло в самых неожиданных позах. Так и здесь. Атомы, моментально застывая, не успевают выстроиться в кристаллическую решетку. Холод как бы примораживает их к месту в том положении, в котором они находились в расплаве.

Под микроскопом видно: металл превратился в аморфную массу.

Нужна золотая середина…

От полученного металлостекла ожидали многого. Теоретики, например, полагали, что такому материалу может быть не страшна коррозия — ведь она начинается на поверхностных границах крохотных зерен-кристалликов, из которых состоит поверхность металла, вгрызается вглубь, постепенно разрушая структуру.

Действительность превзошла все ожидания. Да, у аморфного металла, как и предсказывали, уникальная коррозионная стойкость. Кузов автомобиля, сделанный из него, служил бы верой и правдой сотни лет без всяких смазок И покрытий. Кроме того, прочность металлостекла оказалась в десятки раз большей, чем у обычной стали! Оно вдобавок обладает замечательными магнитными свойствами, способностью к сверхпроводимости, у него очень малы потери энергии при перемагничивании…

Однако наряду с достоинствами у стеклометаллов обнаружились и свои недостатки. Они, к примеру, довольно хрупки — если нагрузка превысит определенный предел, могут сразу рассыпаться, подобно стеклу обычному.

А нельзя ли как-то соединить достоинства обоих классов материалов, оставив за скобками недостатки? Это и удалось сделать физикам Дармштадта. Недавно они получили материал, который обладает уровнем пластической деформации при комнатной температуре до 20 % (этим редко могут похвастать и многие из обычных металлов) и в то же время полным набором преимуществ стеклометалла. При деформации, например, такой материал повышает свою прочность, а не снижает ее, как обычно. Это очень удобно, скажем, при изготовлении детали штамповкой или ковкой. Берете довольно мягкую заготовку, а из-под штампа выходит гораздо более твердая и прочная деталь.

Чтобы получить один из таких сплавов, Фалько Байер, инженер-физик факультета материаловедения, готовит расплав электротехнической меди с добавлением циркония и алюминия, а затем охлаждает его со скоростью 250 градусов в секунду.

«Если охлаждать расплав быстрее, получится стеклометалл чистой воды, — поясняет физик. — Если охлаждать чересчур медленно — образуется обычная кристаллическая структура. Так что истина, как это часто бывает, где-то посередине».

Ф. Байер доволен: все получилось как надо…

Как показали исследования шлифов под микроскопом, в таких материалах образуются микроструктры, отличающиеся по своему строению от окружающего материала. Сами размеры таких включений не превышают нескольких нанометров, но и этого уже достаточно, чтобы стеклометалл вел себя совершенно иначе.

Кристаллики не дают распространяться микротрещинам, которые обычно и приводят к разрушению материала. А пластичность в сочетании с высокой коррозионной стойкостью — свойство, которое высоко ценится в современном машиностроении. Что еще очень ценно — получающиеся сплавы обладают весьма малой плотностью, то есть получаются весьма легкими. А значит, могут найти себе применение в авиации и космической отрасли.

И мало, и дорого…

Процесс получения новых материалов пока еще не отработан окончательно и позволяет получать лишь сравнительно небольшие образцы — прутки величиной со спичку, пластины размерами с визитную карточку. И все-таки материаловеды полагают, что отработка технологии получения новых сплавов — дело ближайших лет.

Скажем, коллектив сотрудников Окриджской национальной лаборатории (США) разработал дешевый сплав не на основе дорогих циркония и палладия, как большинство нынешних стеклометаллов, а на аморфном варианте стали, основной элемент которой составляет железо.

«Все элементы, которые мы используем в наших сплавах, дешевы», — говорит один из разработчиков, Жао Пинг Лy. И в самом деле, новые сплавы снизили цену на аморфные металлы в среднем от 220 долларов до 33 долларов за килограмм. Однако обычная сталь пока что стоит все равно дешевле. Кроме того, ученым и раньше удавалось получать аналогичные сплавы, но в очень маленьких количествах.

Дело в том, что в бруске такой стали, размеры которого превышают 4 мм, начинаются процессы кристаллизации и, соответственно, уменьшается прочность. Лу с коллегами решил эту проблему, использовав смесь из железа, хрома, марганца, молибдена, углерода, бора и лишь с небольшой добавкой (1,5 %) иттрия.

Пока, впрочем, удалось изготовить брусок аморфной стали шириной 12 мм, но ученые уверены, что это только начало. Тем более что на горизонте уже обозначились первые заказчики, готовые вложить средства для быстрейшего достижения окончательных результатов. Так, большую заинтересованность в стеклометаллах проявил автомобильный концерн «Порше», несколько крупных международных фирм, выпускающих разнообразные агрегаты, приборы и устройства для авиакосмической промышленности, и даже производители металлической кухонной посуды высшего качества. Продолжают работу с металлостеклом и наши специалисты.