За ними будущее

Удивительны порой бывают требования, предъявляемые к продукции металлургии и машиностроения. В последние годы созданы новые высокопрочные сплавы и композиционные материалы, число их постоянно растет. Чтобы получить готовую деталь, которая нередко имеет весьма сложную форму, из этих «непокорных» материалов, нужны принципиально новые технологические процессы, обладающие высокой производительностью и позволяющие получать изделия высокого качества при минимальных расходах энергии, материальных и трудовых ресурсов. В создании таких процессов большие заслуги принадлежат советским инженерам и ученым.

Когда металл мягче воска. В авиационной и космической технике прогресс немыслим без применения сверхпрочных, жаростойких и при этом легких металлов. Чем летательный аппарат легче, тем больше полезного груза он может поднять, тем меньше ему потребуется топлива. Но и земные машины также очень нуждаются в «похудении». И дело здесь не только в экономии металла, хотя это и очень важная задача, но и в улучшении эксплуатационных характеристик этих машин. Почти во всех случаях чем легче и компактнее машина, тем лучше и с меньшими затратами энергии\' и материалов она работает. Таким образом, проблема создания облегченных конструкций повышенной прочности и жесткости стоит весьма остро. Как же заставить высокопрочный, труднодеформируемый металл принять форму сложной детали? Традиционный путь — «действовать с позиции силы», то есть создавать сверхмощное оборудование (прессы, прокатные станы, молоты), дорогостоящий высокостойкий инструмент, затрачивать больше энергии, труда, материалов. Путь этот трудоемок, неэкономичен, а главное, не всегда дает ожидаемый результат. А что если попытаться сделать металл более податливым, но только на время обработки? В готовой детали «мягкотелость» недопустима. Такой способ известен с древних времен —это нагрев. Известно, что металл имеет свойство увеличивать свою пластичность в горячем состоянии. Однако, нагреваясь, он покрывается слоем оксидов (окалиной), изменяет свою форму и размеры из-за теплового расширения. Получить методом горячей обработки готовое изделие с высокой точностью размеров и формы, с хорошим качеством поверхности нельзя. Да и сама операция нагрева сопряжена с большим расходом энергии, созданием нагревательных устройств.

И все-таки способ воздействия на саму природу металла, определяющую его поведение при обработке, наиболее перспективен. Сравнительно недавно ученые-металловеды обнаружили очень странное поведение сплавов цинка с алюминием. При температуре всего 150 -300 градусов образцы становились настолько податливыми, что при ничтожном усилии могли удлиняться в десятки раз. Металл переставал быть похожим сам на себя, он скорее напоминал воск или нагретое до размягчения стекло, из которых можно вылепить, вытянуть или выдуть изделие сложнейшей формы. Природа этого явления, названного сверхпластичностью, привлекла внимание многих ученых. Однако и по сей день еще не все понятно в этом удивительном поведении металла. Было установлено, что явление сверхпластичности имеет две разновидности: фазовую и структурную. Металл имеет кристаллическую структуру, то есть состоит из кристаллов определенной формы и размеров. Нагрев приводит к изменению кристаллической структуры—фазовому превращению. Если в момент этого превращения металл подвергнуть деформированию, то он будет течь, как вязкая жидкость под действием очень малого усилия— перейдет в состояние сверхпластичности. Однако в данном случае это состояние будет существовать только до тех пор, пока идет фазовое превращение, поэтому использовать такой эффект на практике довольно трудно.

Другая разновидность сверхпластичности (структурная) определяется предварительной подготовкой металла, а именно созданием структуры, состоящей из очень мелких кристаллов (зерен) примерно одинакового размера. При этом зерна должны иметь близкие размеры во всех направлениях, то есть быть равноосными. Поведение мелкозернистого металла можно сравнить с влажным песком. Зерна — это песчинки, а межзеренные границы — тонкие прослойки воды между ними. Из мелкого влажного песка можно сформировать многое. Но попробуйте сделать это из мелких камешков — ничего не получится, все будет рассыпаться. Если к камешкам добавить влажного песка, строительные возможности этой смеси сразу же увеличатся: чем больше песка, тем послушней материал. То же происходит и в металле: если его структура состоит в основном из мелких равноосных зерен, то пластичность возрастает и достигает максимального уровня при полностью мелкозернистой структуре. В этом случае зерна металла без особых затруднений перемещаются друг относительно друга, не зацепляясь и не создавая заторов. Поэтому металл течет подобно вязкой жидкости и легко принимает любую форму.

Дополнительная информация: для транспортировки железной руды, лесоматериалов, угля и других насыпных материалов по железнодорожному полотну используются специальные вагоны без крышки. Современный полувагон имеет прочные высокие борта, укрепленную ось, стенки такого вагона имеют дополнительные ребра жесткости.