Горизонты техники для детей, 1970 №1

Почему железо заменило бронзу

Представьте себе металлический предмет, например, стальной нож. Мы знаем о нем всё или почти всё. Не только, что он тупой или острый, хотя нас в данном случае это особенно и не интересует. Нож ведь служит для резания. Вооружившись микроскопом и соответствующей аппаратурой (ну и, конечно, необходимыми знаниями), можем этот кусочек стали в виде ножа узнать «насквозь», определить его структуру, то есть внутреннее строение, и все возможные его свойства.

Однако в температуре примерно в 1500 °C стальной нож исчезнет, а точнее, изменит свое твердое состояние и станет жидкостью. Нож перестанет быть ножом, подкова — подковой, хотя по-прежнему эти бывшие предметы останутся сплавом железа с углеродом. А свойства, столь важные в твердом состоянии, в этой температуре перестанут существовать, впрочем и не будут столь важными. Зато важными станут свойства и характерные особенности жидкого состояния.

Сталь в жидком состоянии — это опасная и грозная стихия. Обращаясь с железом в течение нескольких тысяч лет, человек всё же научился укрощать эту страшную стихию, придавать ей соответствующие формы, размеры и даже свойства. Сейчас специалисты такое укрощение называют обработкой металла.

Обработка металла начинается уже тогда, когда он находится еще в жидком состоянии и продолжается во время его затвердения и охлаждения, когда происходят в нем чрезвычайно важные преобразования и структурные изменения. Тогда-то металлам придают соответствующую форму и размеры: их отливают, куют, вальцуют и подвергают обработке резанием.

Если готовый стальной предмет вновь нагревать до температуры 1500 °C, то все ранее наблюдавшиеся явления будут проходить в обратной очередности. Впрочем, люди научились это использовать для так называемой тепловой обработки, которая сводится к нагреванию, а затем охлаждению сплавов для изменения их структуры, а значит и свойств, без изменения формы и размеров.

Тепловая обработка дает нам чрезвычайно большие возможности повышения столь важных свойств металлов и сплавов, каковыми есть твердость, сопротивление, прочность и многие другие. И нет ничего удивительного в том, что сегодня она стала большим и очень важным разделом техники и науки.

Правда, свойства материалов можно изменять не только тепловой обработкой. Свойства металлов значительно повысятся, если добавить к ним хром, никель, ванадий, молибден и многие другие металлы. В таком случае одновременно пользуемся и тепловой обработкой и добавлением сплавов.

В ближайших номерах нашего журнала мы хотим познакомить вас, дорогие читатели, с методами тепловой обработки и влиянием компонентов сплавов на свойства стали. А теперь поговорим немного о истории железа и стали.

Правда ли, что человек открыл сначала медь, потом олово и сплавы меди с оловом, называемые бронзой, а лишь спустя несколько тысяч лет железо? Вполне вероятно, ибо такую последовательность подсказывает нам история: после каменного века примерно 5 тысяч лет до нашей эры пришла эпоха бронзы, а ее сменила эра железа, которая продолжается до сего времени.

В действительности железо было открыто почти в то же самое время, что и медь, а может быть даже и раньше. Залежи железных руд многочисленны и есть во всех частях земного шара. А вот залежи медных руд, а особенно чистой меди, необычайно редки. Еще реже встречается олово.

Получение металла в древнем Египте.

Различные инструменты и оружие из бронзы (археологические раскопки).

Получение железа из руд, в противоположность меди, довольна несложное. Первые «металлургические печи», так называемые железоплавильные горны, в которых в далекой древности получали железо, представляли собой вырытые в земле ямы глубиной и диаметром примерно в 50 сантиметров. Руда в таких ямах, соприкасаясь с раскаленным древесным углем, превращалась в железо. И всё же, зная способ получения железа, человек занялся медью и бронзой.

Вырытые в земле ямы — "железоплавильные горны" в древней Польше.

Железо, получаемое в примитивных горнах, содержало слишком мало углерода, примерно 0,1 процента или даже меньше. И здесь хотелось бы выяснить, что сейчас чистым железом называется химический элемент, снабженный символом Fe. Раньше же железом называли сплав железа с углеродом, то есть то, чем есть сейчас сталь.

Чистое железо, точно так же, как и сплав с малым содержанием углерода, является материалом чрезвычайно гибким и мягким. Это, с одной стороны, было удобно при изготовлении железных предметов, например, мечей или кинжалов, а, с другой стороны, такие предметы все же не могли достаточно хорошо служить свою службу, так как режущие кромки были слишком мягкими и ломкими.

Бронза была материалом. лучшим, чем мягкое железо, не покрывалась ржавчиной и отличалась красивым цветом. И ничего нет удивительного в том, что человек предпочел бронзу, оставляя железо как ничего не значащий металл.

Прошло несколько тысяч лет, прежде чем человек обнаружил, что добавка углерода до неузнаваемости изменяет свойства чистого железа. Если, например, к железу добавить 0,4 процента углерода, то полученную сталь можно закалять. Нагретая до 900 °C, а затем охлажденная погружением в воду или другую жидкость, сталь становится очень прочной и твердой. Закалка стали — это и есть одна из форм тепловой обработки металлов.

После того, как человек научился получать сталь, применение железа непомерно расширилось. Многие предметы обихода, а особенно оружие, стали изготавливать из стали. Из нового закаленного металла делали топоры и мечи, которые не могли уже сравниться с бронзовыми ни прочности, ни по красоте. Именно это явилось причиной перехода от бронзы к железу. За начало эпохи железа принято считать 1000 год до нашей эры, а родиной железа была территория, расположенная в восточной части Средиземного моря. В Польше эпоха железа началась немного позднее, примерно в 700 году до нашей эры.

Железный меч (древняя Греция).

Если производство мягкого железа в начале эры железа было довольно распространенным, то умение науглероживать железо, а тем более его закалять, даже в средние века было редкостью. Тайна влияния углерода и тепловой обработки на свойства железа очень тщательно сохранялась.

Кузнец, который умел производить хорошую сталь, в своей стране был важной личностью. Ему многое разрешалось и все прощалось. Легенда гласит, что в Шотландии вместо кузнеца-убийцы повесили двух ткачей, чтобы таким образом сохранить жизнь кузнеца и за его преступление наказать кого угодно, только не его.

Уже в глубокой древности были известны металлургические центры, например, Дамаск, столица современной Сирии, и Толедо в Испании, секреты производства хранились в огромной тайне.

Самой прочной и упругой сталью издавна считалась дамасская. Пруты из разных сортов стали — высоко- и низкоуглеродистой, сначала нагревали и ковали, потом скручивали и еще раз ковали, одновременно науглероживая. Всё это повторяли по несколько раз, а из полученной после этого стали изготовляли самые лучшие в мире мечи и шпаги. Узоры, которыми кузнецы Сирии украшали оружие, даже время не смогло разрушить. На протяжении многих веков люди старались узнать секреты производства дамасской стали. Лишь в начале XIX века русским и французским металлургам удалось узнать тайну, которую так тщательно хранили века, и научиться получать не уступающую по качеству новую сталь.

Хорошая сталь для изготовления оружия — это был вопрос жизни и смерти людей и свободы или неволи народов. И прежде чем человек лучше узнал влияние углерода и других факторов на свойства стали, получение хорошего металла зачастую было делом случая. Поэтому охотно успех приписывали сверхъестественным силам природы. В одном из древних арабских рецептов рекомендуется такой способ закалки мечей: «Нагревать меч до тех пор, пока не наберет цвета восходящего солнца в пустыне, потом охлаждать до цвета пурпурной мантии, вбивая его в тело раба. Сила раба перейдет в меч и придаст ему особую прочность».

И хотя в эпохе железа человечество живет уже почти три тысячи лет, до XX века производства стали в мире было еще незначительным. Сто лет тому назад выпускалось всего лишь миллион тонн стали в год и то в масштабах всего земного шара!

Сегодня в мире производится четыреста пятьдесят миллионов тонн стали в год. В настоящей эпохе железа мы живем всего лишь сто лет!

Разливка жидкой стали.

Доцент Павел Мурза-Муха