Без науки нет и завода

В 1900 году на Всемирной выставке в Париже на заседании комиссии экспертов-металлургов директор крупнейшего металлургического завода во Франции Поль Монгольфье, обращаясь к собравшимся, сказал: «Наши заводы и все сталелитейное дело в значительной мере обязаны настоящим своим развитием и успехами трудам и исследованиям русского инженера Чернова».

Отец Дмитрия Константиновича Чернова был петербургским чиновником невысокого ранга. Но для своего сына он выбрал другой путь: он всячески подталкивал его к тому, чтобы стать инженером.

Это было как раз то время, когда мировое судостроение переходило от деревянного, парусного флота к железному, паровому. В тридцатых годах XIX столетия появился корабельный винт, имевший огромные преимущества перед колесом. Весь мир немедленно стал перестраивать военные корабли на винтовые. В 1843 году, после испытания опытного железного судна, Англия приступила к замене деревянных военных судов железными.

И российское морское ведомство тоже взялось за постройку винтовых, железных, броненосных судов и нарезной артиллерии. Но особенно на это повлияло поражение России в Крымской войне.

Следуя наставлениям отца, Дмитрий в 1852 году поступил в Санкт-Петербургский практический технологический институт, а в 1858 году окончил его, получив диплом инженера-технолога. В этом же институте он до 1861 года преподавал черчение и низшую математику. Но кроме того, параллельно записался вольнослушателем на физико-математический факультет Петербургского университета.

Именно тогда в Петербурге появились такие заводы, как Невский, Балтийский, Путиловскпй и Обуховский. Петербург стал центром развивающейся промышленности и металлургии.

В 1866 году на Обуховском заводе кто-то вспомнил о молодом преподавателе математики, имевшем диплом инженера-технолога, и указал на него Обухову. Чернов получил приглашение работать на заводе и принял его.

Точки Чернова

Морское ведомство поручило Обуховскому заводу начать производство стальных пушек с нарезным стволом для артиллерийского вооружения новых кораблей. До тех пор в России употреблялись только бронзовые орудия с гладкими стволами. Сталь же не только у нас, но и во всем мире только начинала входить в широкое употребление благодаря открытию новых способов передела чугуна, ускоривших и удешевивших ее производство.

На Обуховском заводе сталь варилась в тиглях, по патенту Обухова. Оборудование Обуховского завода было по тем временам очень хорошим, а рецепт приготовления стали считался образцовым. Привезенные из Златоуста сталевары располагали и опытом, и сноровкой. Ковку вели приглашенные из Англии мастера. Но когда завод перешел к изготовлению орудий большого калибра, нередко случалось, что при выстреле пушки разрывались.

Молодой исследователь стал изучать места разрыва и заметил, что сталь разорвавшегося орудия имеет на месте разрыва крупнозернистую структуру. А у орудий же, служащих долго, сталь при том же химическом составе имела мелкозернистое строение.

Значит, дело было не в химическом составе стали, а в неодинаковой обработке литья. Чернов отправился в кузнечный цех, где производилась механическая обработка литых болванок. Их нагревали в печи, подвергали ковке, а затем быстро охлаждали, погружая в воду. Так как приборов для измерения высоких температур не существовало, болванки вынимали из печи, определяя степень нагрева на глаз, по цвету раскаленного металла.

Чернов довольно быстро научился этому приему. Сталь принимала при нагревании последовательно все цвета каления — от темно красного до ослепительно белого, а при медленном охлаждении на воздухе так же последовательно теряла их. Но при таком медленном охлаждении со сталью происходило нечто очень странное: постепенно темнеющая масса металла в какой-то момент остывания вдруг внезапно раскалялась, точно вспыхивала, а затем снова начинала темнеть и далее уже до конца охлаждалась спокойно, без всяких вспышек.

Странное явление необычайно заинтересовало исследователя. Оказалось, что болванка, прошедшая критическую точку при определенной температуре, закалки не принимала, а оставалась мягкой.

Но основной вопрос, с которым Чернов пришел в кузнечный цех, был такой: при каких условиях получается в стали крупная зернистость, а при каких — мелкая? И он приходит к выводу о существовании другой критической точки, также соответствующей какой-то определенной температуре. Эту вторую точку он назвал точкой В, в отличие от первой, названной им точкой А. И это открытие произвело целый переворот в металлургии.

В апреле 1868 года Чернов доложил о результатах своих исследований на заседании Русского технического общества. Он заявил, что при нагревании сталь не остается неизменной, что в определенные критические моменты она претерпевает особые превращения, изменяющие ее структуру и свойства, и что он установил критические точки, когда происходит внутренние превращения стали.

Значение критических точек — в науке они потом получили название «точки Чернова» — докладчик пояснил таким образом: сталь, как бы она тверда ни была, будучи нагрета ниже точки А, не принимает закалки, сколь бы быстро ее ни охлаждали. Термическая же и горячая механическая обработка стали — ковка, прокатка, штамповка — связана уже с точкой В.

Практически это означало, что для получения мелкозернистой структуры, названной Черновым аморфной, которая и обеспечивает изделию высшие механические качества, надо нагреть это изделие до точки В или несколько выше и затем охладить.

И сегодня лежащая перед каждым металлургом и машиностроителем «Диаграмма сплавов железо‒углерод» есть не что иное, как «шкала Чернова» для различных содержаний углерода, которую он демонстрировал на своем докладе в мае 1868 года.

И с тех пор как на Обуховском заводе стали руководствоваться при обработке орудийных стволов указанными Черновым критическими точками, случаи разрывов пушек при испытаниях прекратились.

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

metallurgu.ru

Тайна булата

С научной точки зрения сталь есть не что иное, как сплав углерода с железом. Его изучение ведется точно так же, как и всяких других сплавов. Чернов, в сущности, показал металлургия общий путь к получению высококачественных сплавов.

До Чернова нужную структуру стремились получать только при помощи механической обработки, то есть посредством ковки. Чернов установил очень важное основное положение: прочность непрокованной стали нисколько не меньше прочности прокованной, если они имеют одинаковую структуру. Литая, непрокованная сталь может иметь самую лучшую мелкозернистую структуру и наилучшие механические свойства, если ее нагреть и охладить по принципам, им установленным.

Выступая 2 декабря 1878 года перед членами Русского технического общества с докладом «Исследования, относящиеся до структуры литых стальных болванок», в котором он подвел итоги своих исследований, Чернов указал, что кристаллы стали — результат совместной кристаллизации железа и углерода. При таком процессе образуются кристаллы переменного состава. Они представляют, как теперь говорят, «твердые растворы углерода в железе» — эта формулировка появилась в науке позднее, но современное представление о природе и структуре стальных слитков было в главных чертах совершенно правильно установлено исследованиями Чернова.

После открытий Чернова оказались разгаданными все цеховые секреты и производственные тайны металлургов-практиков, в том числе тайна булата, тайна дамасской стали. Замысловатый узор булатных клинков оказался не чем иным, как рисунком крупнозернистой структуры чистой углеродистой стали. Замедляя охлаждение, дамасские мастера добивались получения в стали очень крупных зерен, а последующей ковкой при температуре ниже точки В они изменяли форму кристаллов, вытягивая их, но не разрушая при этом крупнозернистого строения.

Мировому признанию огромных научных заслуг Чернова и быстрому распространению его учения значительно способствовало повсеместное введение бессемеровского способа передела чугуна в сталь, позволившего производить дешево, быстро и удобно большое количество стали.

Главное управление кораблестроения морского министерства избрало Чернова своим почетным сотрудником. А вскоре он был назначен главным инженером Обуховского завода, превращенного им в исследовательский центр вновь зарождавшейся науки.

Под непосредственным руководством главного инженера Обуховский завод первым в России перешел от варки стали в тиглях к бессемерованию, причем создал так называемый русский способ бессемерования.

Для русской металлургической промышленности этот способ имел не меньшее значение, чем и само изобретение Бессемера. Без вмешательства Чернова в это дело русская сталь не могла бы дать в то время ни необходимого вооружения армии, ни брони кораблям, ни рельсов вновь строящимся железным дорогам.

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

metallurgu.ru

Кристаллизация стали

Недостатком бессемеровской стали была пузырчатость металла, пустоты в нем, так называемые усадочные раковины, газовые пузыри, рыхлость, неоднородность. На разливку жидкой стали в те времена смотрели как на простую операцию, не нуждающуюся ни в каком научном обосновании.

Чернов же посмотрел на дело иначе. Он заподозрил, что процесс разливки стали и ее остывания как раз нуждается в том, чтобы его регулировали, чтобы им управляли, ибо дефекты потоков, образовавшиеся в металле при застывании, не всегда могут быть исправлены последующей обработкой.

Стоит заметить, что в этом вопросе Чернов встал на правильный путь не первым. Несколько ранее исследованием процесса разливки стали, и ее остывания в изложнице занимался Павел Петрович Аносов, который был горным инженером и чиновником довольно высокого ранга и даже некоторое время томским губернатором.

Продолжив исследования старейшего русского металлурга Аносова, Чернов сделал из своих наблюдений важнейшие обобщающие выводы; они легли в основу нашего нынешнего представления о строении стали и металлов вообще.

Для того чтобы проникнуть в сущность того, что происходит в отвердевающем, остывающем металле, Дмитрий Константинович много лет, если не всю жизнь, изучал кристаллизацию различных веществ.

Он выращивал большие кристаллы поваренной соли и квасцов. Рассматривая замерзание воды как процесс кристаллизации, он заставлял воду мерзнуть при самых разнообразных условиях.

Общий характер затвердевания стали Чернову подсказала хорошо изученная им кристаллизация раствора квасцов при замерзании. Первое положение, которое высказал Чернов в результате своих наблюдений, сводится к тому, что сталь затвердевает не бесформенно, не воскообразно, а кристаллически.

Первым в мире он посмотрел на стальные слитки как на результат кристаллизации расплавленного жидкого металла.

Памятником этих замечательных исследований русского ученого остается знаменитый «кристалл Чернова», найденный им в усадочной пустоте стотонного стального слитка. Этот кристалл весит три с половиной килограмма и описан во всех учебниках по металловедению.

Поняв внутреннее строение стали и условия, его определяющие, Чернов уже без труда мог ответить на многие вопросы, например почему по мере приближения к центру болванки металл становится более рыхлым, почему появляются в литье пузыри, раковины, пустоты и что же делается с раскаленной сталью, когда ее быстро охлаждают, погружая в воду.

«Завод не для науки»

Как главный инженер Обуховского завода Чернов не снискал себе расположения нового директора завода адмирала Н. В. Колокольцева, который в конце концов отстранил его от должности оставив консультантом при заводе. Но по тем временам переход на положение консультанта был не чем иным, как замаскированным увольнением на пенсию. В ответ на такой приказ Чернов в 1880 году подал заявление об отставке.

Как написал сам Чернов, он покинул Обуховский сталелитейный завод, «уступая грубой силе обстоятельств». Под «грубой силой обстоятельств» Дмитрий Константинович понимал резкое расхождение между ним и директором завода во взглядах на роль науки и производства. Для директора — «завод не для науки», для Чернова — «без науки нет и завода».

И некоторое время Дмитрию Константиновичу пришлось заниматься не сталью, а разведкой каменной соли. В Бахмутском уезде, возле Брянцевки, он открыл богатейшие соляные залежи. По его указанию они стали потом разрабатываться в промышленных целях.

В 1884 году, покончив с соляными копями, Чернов возвращается в Петербург, приняв на себя обязанности главного инженера отдела по испытанию и освидетельствованию казенных заказов, а затем начиняет руководить кафедрой металлургии в Петербургской артиллерийской академии, которую не покидает до конца своей жизни.

В том же 1884 году он выступил с новым сообщением «О приготовлении стальных бронепробивающих снарядов». Тут он исследовал бронепробивающие снаряды, только что выпущенные заводом Круппа, раскрыл секрет их изготовления и предложил свой метод закалки стали, обеспечивающий, бронебойным снарядам еще более высокое качество.

С середины 1880-х Чернов обучает будущих военных металлургов и одновременно, изучая выполнение казенных заказов, отыскивает лучшие способы обработки стали для специальных целей, начиная с корабельной брони и бронепробивающих снарядов и заканчивая стволами для магазинных ружей и знаменитой трехлинейной винтовки. Методами Чернова впоследствии, в частности, воспользовались для изготовления стволов к пулеметам Максима.

9-дм. дальнобойное орудие морской артиллерии

ava.telenet.dn.ua

Выгорание орудий и полет без баллона

Когда Чернов начал читать свой курс лекций по сталелитейному делу в Петербургской артиллерийской академии, один из слушателей как-то спросил его: «Почему выгорают каналы стальных орудий при стрельбе?»

Оказалось, что тогдашняя наука не могла объяснить, чем именно объясняется разрушительное действие пороховых газов высокой температуры па сталь.

«Мне оставалось, — написал Чернов, — разработать этот вопрос на основании своих личных наблюдений над явлениями выгорания».

Он увидел, что первые признаки выгорания в канале орудия обозначаются появлением матовых пятен на полированной поверхности. Гуттаперчевые слепки с пятен показали исследователю, что матовость зависит от появления в металле множества чрезвычайно тонких и неглубоких трещин.

Дальнейшие наблюдения удостоверили исследователя, что при продолжительной службе орудия отдельные трещины удлиняются, встречаются с соседними и образуют замкнутые петли сплошной сетки. Величина же и рисунок этих петель зависят от калибра и длины орудия, от формы нарезов, от сорта пороха, от структуры металла. Не было никакого сомнения в том, что трещины появляются в результате быстрого нагревания очень тонкого поверхностного слоя канала орудия во время выстрела и последующего быстрого охлаждения этого слоя.

И через двадцать лет после того, как Чернову был задан этот вопрос, 10 мая 1912 года, он ответил на него исчерпывающим докладом на заседании Русского металлургического общества. Этот доклад «О выгорании каналов в стальных орудиях» напечатал «Артиллерийский журнал», затем его перепечатал ряд иностранных технических журналов. Это был первый научный труд по данному вопросу.

Чернов предложил два пути в борьбе с выгораниями: с одной стороны, надо было создать такой сорт стали, который обладал бы возможно большей пластичностью и вязкостью без ущерба для ее механических свойств, а с другой стороны, химия должна была подобрать такой состав пороха, у которого была бы более низкая температура сгорания.

В 1893 году, за десять лет до того, как братья Райт поднялись в воздух на своем аэроплане, Дмитрий Константинович выступал в Русском техническом обществе с докладом «О наступлении возможности механического воздухоплавания без помощи баллона».

Чернов вышел на трибуну с заявлением, что время для практического осуществления механического летания уже наступило. Он держал в руках сконструированный им прибор, наглядно показывавший существование подъемной силы у движущейся в воздухе лопасти при определенном наклоне.

Прибор Чернова показывал, что подъемная сила летательного снаряда зависит от скорости движения крыла и от величины угла, при котором оно встречается с потоком воздуха.

Русское техническое общество, выслушав сообщение Чернова, направило его доклад на отзыв виднейшим русским ученым, прежде всего Н. Е. Жуковскому в Москву. «Отец русской авиации» не только дал подробный отзыв о работе Чернова, но, глубоко заинтересованный его теоретическими заключениями, сделал в Москве в марте 1894 года доклад по поводу «теории летания, предложенной Д. К. Черновым».

Осенью 1916 года врачи направили ученого в Ялту для отдыха и лечения. Чернов умер в Крыму 2 января 1921 года.

Использованная литература

Гумилевский Л. И. Чернов. М.: Молодая гвардия, 1975.