Чтение онлайн

Нет на свете науки прекраснее химии и нет профессии нужней, чем специальности химиков. Можете мне поверить, друзья!

Похвальное слово химии

Сегодня, завтра, всегда

Композиционные материалы, их свойства и особенности определяют в наши дни эффективность любых конструкций, от автомашин, самолетов до морских судов и космической техники. И это, я думаю, понятно каждому.

Но почему композиционные материалы, создаваемые с заранее заданными свойствами, нередко удивляют и разочаровывают своих творцов, ломая их замыслы и расчеты, - загадка посложнее. Причем решается она каждый раз по-своему. Однако три заданных компонента должны в ней присутствовать обязательно. Потому что среди многих свойств конструкционных материалов эти три имеют уникальное значение: прочность (способность сопротивляться растягивающим нагрузкам), модуль упругости (жесткость, которая определяет устойчивость конструкций при воздействии сжимающих нагрузок) и, наконец, плотность материала, его удельный вес.

Каждое из этих качеств не просто важно само по себе, но оно еше важно и своим влиянием на другие слагаемые уникальных свойств композита. Об эюм мы всегда обязаны помнить. Вот почему, приступая к созданию нового конструкционного материала, ученый обязательно прикинет, какие главные свойства будут в нем определяющими, и заложит в расчетах удельную прочность и удельный модуль упругости (прочность и модуль упругости, поделенный на удельный вес материала). Нужно сказать, что к качественным показахслем будущего композита предъявляются самые жесточайшие требования, и величина удельной прочности и жесткости, закладываемые в расчеты, измеряются в километрах.

Чтобы представить воочию соотношение сил, влияющих на качество проектируемого материала, вообразим свободно висящий канат. Он разорвется под тяжестью собственного веса, когда достигнет длины, отвечающей удельной прочности материала, из которого данный канат сделан.

Дело в том, что история конструкционных материалов представляет собой поиск композитов, способных в соответствующих условиях кристаллизации или аморфизации выявить оптимальные режимы их обработки и деформирования. Другими словами, конструктор стремится все к большему выражению удельной прочности и жесткости создаваемого им материала.

Но у разных конструкций свои требования к материалам. Часто очень специфичные. Еще бы! Ведь одним из них придется трудиться при очень высоких температурах.

Другим, наоборот, надо выдерживать низкие температуры, близкие к абсолютному нулю. Третьим - противостоять вибрационным нагрузкам, возникновению усталостных трещин. Четвертым, наконец, предписано проявлять высочайшую коррозионную стойкость.

А это значит, что свойство материалов необходимо постоянно совершенствовать. А насколько эта работа результативна, можно судить хотя бы по таким примерам: в довоенном 1940 году прочность самых высококачественных сталей равнялась 110-130 кг/мм2, в 1985-м - уже 200-250. Произошли соответственно и изменения в прочности алюминиевых сплавов. Они сегодня обладают прочностью в 40 кг/мм2, а сплавы отдельных назначений - даже в 70 кг/мм2. Известны и данные ежегодного прироста прочности. Для стали они (за тот же период 1940-1985 годов) - 4 кг/мм2, для алюминиевых сплавов - 0,6 кг/мм2.

В общем уровень характеристик конструкционных материалов у нас в стране и за рубежом достаточно велак. У стали он, например, 25-32 километра (такова единица измерения) по прочности и 2500-2600 километров по модулю упругости, примерно такие же показатели и у алюминиевых сплавов.

Достаточно сопоставить эти числа, чтобы выявить нечто парадоксальное: показатель по модулю упругости и для стали, и для алюминиевых сплавов один и тот же.

Практически так на самом деле и есть. Удельный модуль упругости всех металлических сплавов (кроме сплавов бериллия) не превышает 2500-2600 километров.

Дело в том, что модуль упругости - "орешек" крепкий. Его не одолеть ни термической обработкой, ни деформационными изменениями. Другими словами, все технологические приемы, перед которыми "пасует" удельная прочность, применительно к модулю упругости оказываются бессильными. Но почему же в таком случае возник широко известный парадокс: даже самые высокие прочностные достоинства материалов не гарантируют столь же высокой надежности конструкций? Более того, у них появляются новые пороки, не проявлявшиеся ранее, когда использовались менее прочные конструкционные материалы? Увеличивается, например, чувствительность к концентрации напряжения, когда какая-то часть изделия испытывает большие нагрузки?

Но какая же конструкция обходится без таких концентраций? Просверлили отверстие - сконцентрировали напряжение. Изменили сечение конструкции опять же рискуете вызвать "бунт" напряжения. А под его воздействием быстрее возникает коррозия, проявляется опасность трещин.

Тем, кто помнит довоенное время, хорошо знакомо, например, слово "дюралюминий". Для большинства именно с названием этого сплава ассоциируется появление в магазинах страны посуды, хозяйственного инвентаря, сделанного из легкого практичного материала.

Для ученых с дюралюминием связаны несколько иные воспоминания. Он первая удачная попытка упрочения алюминия. Легированный медью и магнием металл и давал сплав, поражающий всех своей прочностью - 40 кг/мм2. Казалось бы, чего же желать лучше? Используй по своему назначению дюралюминий хоть в технике, хоть в народном хозяйстве! Но такова уж жизнь, что остановок в ней не бывает. Если прочность дюралюминия уже 40 кг/мм2, то почему не получить и еще более прочный сплав?

Вероятно, примерно так рассуждали химики и металлурги того времени. Тем более что развивающаяся техника и промышленность остро нуждались в сверхпрочных сплавах. А к повышению прочностных характеристик, казалось бы, нет препятствий. Стоит в алюминиевые сплавы, легированные медью и магнием, ввести дополнительно цинк (при этом, конечно, изменить процентное содержание меди и магния), как прочность их удвоится. Но то - теория. Что же получилось на практике?

Изготовленные в те годы по новому способу сплавы растрескались еще в складских помещениях металлургических заводов, так и не попав к потребителю. Почему?

Все по той же причине: сплавы погибли от коррозии под напряжением. А ее спровоцировала обычная влажность.

Но сколь ни печальна оказалась попытка упрочения алюминиевого сплава, именно она привела исследователей к выводу о том, что необходимо искать так называемые добавки - стабилизаторы. Ну и, разумеется, совершенствовать режимы термической обработки сплавов.

Итогом всех этих поисков явилось понижение склонности алюминиевых сплавов к коррозии под напряжением.

Конечно, исследования в данном направлении велись не год и не два. Причем в разных странах они нмели своп особенности, С историей одного из них и связана трагедия американских самолетов "Мартин-202".

Машины данной конструкции преследовали поистине роковые "случайности": в полете на большой высоте у них обрывались крылья. Однако самые тщательные анализы компетентнейших комиссий, проверявших конструкцию самолета, так и не нашли в ней изъянов. Очень скоро, однако, о себе заявили во всеуслышанье непредвиденные, необъяснимые происшествия и с истребителями "Скорпион". И опять ученым и экспертам пришлось взяться за кропотливую работу. Что же выяснилось?

В тех и других случаях причина бедствий не в конструкторском решении машины, а в использовании при их реализации алюминиевых сплавов, в которых обычные для алюминия примеси, такие, как железо и кремний, при повышении прочности "срабатывают" в прямо противоположном направлении: в металле развивались усталостные трещины, и кованые стыковые узлы "Скорпиона" разрушались. А поскольку губительный процесс развивался не сразу, а под воздействием повторных нагрузок, то в качестве виновника аварии в первую очередь было заподозрено конструкторское решение этой модели самолета. Когда же истинную причину бедствия установили, содержание железа и кремния в сплаве пришлось снизить до непривычного уровня - порядка одной десятой или даже сотых долен процента.