О чем поведал микроскоп - Глава 6 - Аносов: повесть о русском металлурге
Свой «Журнал опытам» Аносов начал в марте 1828 года. Одновременно он продолжал «охоту» за новыми образцами булата и литературой о булатах.
Однако нигде ему не удалось найти описания методов производства булата. Перед исследователем стояла задача — разработать технологию производства этого редкого и драгоценного вида стали.
«Сведения наши о приготовлении булатов в Азии,— писал Аносов впоследствии в своем труде «О булатах»,— столь ограниченны, что в них нельзя найти руководства. Вот существенныя из них: а) по свидетельству шведского путешественника Шведенборга, японцы приготовляют сталь из железа, лежавшего долгое время в воде... б) Тавернье, в «Путешествии по Персии», упоминает, что булатная сталь получается из Голконда в виде малых хлебов, рассеченных пополам... Магомет-Али описал приготовление персидской булатной стали следующим образом: железо употребляют доставляемое из гор, но неизвестно, каким образом оно приготовляется... Способы получения булатов не одинаковы в самой Азии,— указывает далее Аносов,— ибо, очевидно, одни из них составляют медленно охлажденные сплавки, а другие — металл, подобный литой стали».
Еще меньше сведений можно было почерпнуть из опыта европейских металлургов. Они в этом деле очень мало успели.
«Попытки металлургов и художников, старавшихся приготовить булат, подобный древнему,— замечает Аносов,— не имели также положительных успехов.
Европейских булатов высокого достоинства мне видеть не случалось, и все, что писано было об этом предмете, не заключает в себе удовлетворительных сведений...»
Свои неудачи европейские мастера прикрывали шумной рекламой о якобы достигнутых ими успехах, многословными трактатами, которые не содержали ни йоты достоверного.
«Ни в одном из трактатов о булате,— отмечал далее Аносов,— нет истинного основания — достижения совершенства в стали».
Аносов объясняет и причины этого. Европейцы подходили к решению сложной научной и технической задачи чисто эмпирически. У европейских металлургов заметно ощущался «недостаток химических познаний», поэтому они и оставались «в недоразумении относительно достоинства его», то есть булата.
Аносов решил прежде всего сделать химический анализ различных булатов. Оказалось, что состав булатов с разными свойствами был почти одинаковым. Вопрос еще более осложнялся, но Аносов не отступил.
«Поиски химиков, — подчеркивает Аносов, — не могли обнаружить в нем (булате.— И. П.) существенной разницы от стали. Это зависело, впрочем, не от недостатка в тщательности разложений, но главнейшее от недостатка в самой науке. Химия, несмотря на быстрое совершенствование, не достигла еще науки точной, и многое осталось для нее тайной природы».
Хотя анализы не дали ответа на вопрос, Аносов не сомневался, что в состав разных булатов в ничтожных количествах входили и различные элементы, которые оказывали то или иное влияние на физические свойства и структуру стали.
«...Если сталь при медленном охлаждении не получает узоров настоящего азиатского булата, то не ясно ли это доказывает, что состав булата различен от стали?»— таким был вывод из анализов различных сортов булата, которые Аносов сделал раньше, чем приступил к опытам плавки булата.
Но Аносов не забыл и других сторон дела. В план своих работ он включил и исследования условий затвердевания металла. Аносов уже давно заметил, что сталь, затвердевшая в тигле, существенно отличается по своему строению от стали, вылитой в форму (изложницу).
Правила разливки, которые он ввел для приготовления литой стали, конечно, имели прямое отношение и к булату. Собственно говоря, трудно отделить эксперименты Аносова по производству булата от его опытов по литой стали. Это была одна и та же работа, которая как бы разветвлялась на два ручья.
В то время как Горный департамент и министерство финансов дорого оплачивали разные сведения о методах производства булата, в Златоусте без шума приступили к опытам, которые имели огромное значение не только для русской металлургии, но и для развития металлургического производства во всем мире.
Первые опыты еще не принесли нужных результатов. Это была как бы разведка, и она давала основания рассчитывать на успех. Так, в примечании к восьмому опыту Аносов записал: «По вытравке слабой серной кислотой на ней (то есть на стали) оказались узоры».
Сталь, полученная в результате следующих опытов, также давала узоры, отдаленно напоминавшие булаты, правда, низких сортов. В примечании к пятнадцатому опыту Аносов записал, что «узоры явственнее прежних, но различны от булатных».
Удачным был восемнадцатый опыт. Клинок, откованный из полученной в эту плавку стали, обладал хорошими качествами и выдержал установленные пробы. «По вытравке на нем оказались местами мелкие желтоватые узоры, а местами облачные светлые». Клинок из этой стали подарили приехавшему в Златоуст путешественнику, естествоиспытателю Гумбольдту, о чем он и сообщал Канкрину.
Первые опыты убедили Аносова в том, что различные европейские ученые, пытавшиеся плавить булат, односторонне подходили к делу, что они недооценивали уровень культуры, на которой была поднята древняя металлургия.
Так, известный английский ученый Фарадей искал секрет булата в посторонних примесях к железу. Он сделал химический анализ индийского вуца и обнаружил в нем алюминий. Затем Фарадей сплавил английскую сталь с железом и алюминием и получил металл, внешне похожий на вуц. После этого английский ученый стал прибавлять к железу серебро, платину и заметил, что полученные сплавы тверже обыкновенной стали. Особенно хорошие свойства показал «сплавок» с платиной. Из всего этого Фарадей сделал вывод, что узоры вуца зависят от присутствия в этой стали примесей в виде алюминия, серебра или платины.
Аносов внимательно следил за опытами Фарадея и проверкой его выводов занялся еще до получения специальных указаний из Петербурга. Выводы английского ученого показались Аносову недостаточно обоснованными, а его взгляд на булат — несколько упрощенным.
Во время десятого опыта Аносов употребил пять золотников платины, а во время пятнадцатого — уже десять золотников платины. Наблюдения привели его к следующему выводу: при увеличении количества платины «узоры сделались еще явственнее, но расположение их было очевидно различно от булатных».
Касаясь этого периода первоначальных опытов, Аносов писал:
«В 1828 году, когда сделали известными результаты исследований Фарадея и когда обретена была платина на Урале в огромном количестве, министр финансов, граф Егор Францевич Канкрии, поручил горному начальству повторить опыты Фарадея. Исполнение этого поручения возложено было на меня.
Поводом к сплавлению литой стали с платиною послужило Фарадею следующее обстоятельство: доктор Скотт, находившийся в Бомбее, доставил в Английское королевское общество несколько образцов индийского булата, или вуца, употребляемого индийцами предпочтительно пред сталью на ружейные плашки, на резцы для обточки железа, на ножницы, пилы и вообще на изделия, требующие особенной твердости. Фарадей при химическом разложении заметил в вуце присутствие алюминия и полагал, что узоры, обнаруживающиеся в нем от действия разведенной серной кислоты, происходят от сего металла. Чтоб подтвердить это предположение, он приготовил смесь, состоящую из железа и алюминия, и чрез сплавление ея с английскою литой сталью получил металл, похожий на вуц, который он и назвал искусственным вуцем, не упоминая, впрочем, о его свойствах. Потом Фарадей, сплавляя сталь, кроме алюминия, с серебром, родием и платиною, заметил, что все сии сплавы были тверже обыкновенной литой стали, что они имели превосходные свойства, и в особенности сплавок с платиною».
«...Протекло более года, пока я в состоянии был представить на благоусмотрение начальства первые образцы платинистой литой стали. Она получена следующим образом (опыт десятый). В тигель, предварительно прогретый, положено 4,75 фунта рафинированной стали, 1 фунт мягкого железа, 5 золотников платины и сверху 0,5 фунта флюса, составленного из 0,25 фунта кирпичной глины и 0,25 фунта толченого стекла. Плавка продолжалась 1 час 20 минут при ровном умеренном дутье. Полученная сталь вылита в форму и прокована при умеренном нагревании; по испытании она оказалась весьма твердою и годною на тонкие инструменты.
Из сравнений свойств чистой литой стали с плати-нистою, одинаковым образом полученных (опыты 15-й и 19-й), оказалось, что первая при большой твердости столь же удобно куется; что по вытравке слабой серной кислотою она обнаруживает узоры, различные в цвете и расположении от замечаемых на литой стали, с землистыми флюсами получаемой. Когда я увеличил количество платины до 2 золотников на фунт стали (опыт пятнадцатый), то узоры сделались еще явственнее, но расположение их было очевидно различно от булатных».
После этих первых опытов, которые должны были дать Аносову общую ориентировку, он перешел к более глубокому исследованию условий образования узоров, степени твердости и гибкости стали и т. п.
Первая серия новых опытов преследовала цель: исследовать отношение железа к другим металлам.
Помимо алюминия и платины, Аносов сплавлял с железом также силиций, магний, кальций и другие элементы. Ему удавалось получать сталь с теми или иными свойствами, но все же это был не булат. Затем он провел серию опытов, чтобы изучить влияние металлических оснований земель, то есть флюсов, применяемых при выплавке стали. Правда, в журнале отмечены лишь четыре опыта, сделанные в 1829 году. но на самом деле их было проведено значительно больше.
В следующем году Аносов вернулся к вопросу о влиянии на свойства стали некоторых металлов. Этот вопрос, несомненно, его крайне интересовал. Аносов предугадал, что добавки разных элементов к железу позволят получать сталь с разными, заранее заданными свойствами, а это будет иметь огромное значение для всего дальнейшего развития техники.
Опыты велись в широких масштабах. Аносов проверял влияние марганца, хрома, титана, серебра, золота и снова платины на внешний вид и свойства металла.
Семнадцать опытов записано в журнале за 1830 год и двадцать шесть опытов за 1831 год. Аносову удавалось получить сталь с различными узорами, но тщательно сличая полученные узоры с булатными, он делал в книге опытов все новые и новые примечания:
Сталь с хромом «принимает хорошую полировку...», «узоры от хрома красивее, нежели от марганца, и по расположению своему более других приближаются к булатным...»
Но несомненно не булат, Аносов в этом уверен, и з сочинении он пишет: «...что, вероятно, и послужило поводом французскому химику Бертье почитать хромистую сталь за булат».
Одновременно Аносов вел тщательные наблюдения за тем, какое влияние оказывают добавки на другие свойства стали. Плавка, записанная в журнале под № 36, велась с однопроцентным добавлением марганца. Об этой стали Аносов сделал такую запись: «Несколько крепка, на ноже по вытравке обнаружились узоры, а грунт темнее, нежели на обыкновенной стали».
Во время тридцать седьмого опыта количество марганца было увеличено в полтора раза. Сталь получилась «лучше прежней, но зубила несколько выкрашиваются. На ноже узоры явственнее прежних».
При сороковом опыте Аносов увеличил количество марганца до 2 процентов (80 золотников на 40 фунтов рафинированной стали). «Зубила несколько выкрашивались, но сталь весьма хороша и по ковкости и по остроте. На ноже грунт темнее прежнего, узоры еще явственнее».
Затем Аносов проводит плавки с хромистым, а также с титанистым железом. Эти руды специально доставлялись с Ильменского и Поляковского рудников. Аносову удалось обнаружить новые, очень важные свойства этих сплавов.
О плавке железа с двухпроцентным добавлением титана (опыт сорок четвертый) Аносов писал: «Ковалась хорошо. Зубила несколько выкрашиваются. Узоры на ноже местами красивы, а местами продолговаты». Но Аносов остался недоволен этим результатом. Он пришел к выводу, что дал слишком много титана, и поэтому следующую плавку провел с однопроцентным добавлением его (опыт сорок пятый).
Сталь получилась хорошая. «Ковалась хорошо. Зубила оказались стойки, следовательно, лучше прежней».
Так Аносов выяснил влияние разных добавок на качество стали: серебро дает ковкость и придает металлу значительную твердость, оно «неохотно вступает в химическое соединение со сталью», но «такая сталь менее подвержена ржавчине». Прибавление золота делает сталь мягче обыкновенной, улучшает ее качества в ковке и закалке, но дает лишь желтоватый отлив, а узоров — никаких.
Опыты с платиной повторялись много раз (в журнале записан лишь один опыт, пятьдесят второй) и показали, что узоры находились в зависимости от флюса. Флюс с примесью железной окалины давал совершенно другой узор, чем тот же флюс без окалины. Платинистая сталь давала хорошую полировку. Она тверда, остра, пригодна для бритв, только некоторые сплавки при закалке получали трещины.
Результаты опытов привели смелого экспериментатора к логическому выводу: «Если прибавление посторонних металлов имеет видимое влияние на сталь, то свойства ее должны зависеть и от качества самого железа, в котором всегда остаются посторонние примеси в количестве более или менее значительном...»
Все эти тщательно проведенные опыты сплавления стали с другими химическими элементами и следует считать началом качественной металлургии — науки об улучшении свойств железа.
Никто, ни один металлург ни в одной стране мира до Аносова не провел каких-либо опытов, чтобы установить влияние на сталь различных добавок, и никто, стало быть, не мог описать специфические свойства, которые сталь при этом приобретает.
Отмеченные Аносовым свойства стальных сплавов полностью соответствуют современным данным о влиянии тех или иных добавок на свойства стали.
Великому русскому ученому Павлу Петровичу Аносову удалось сделать огромный вклад в мировую науку, и он по праву считается родоначальником высококачественной металлургии.
Но вопрос «об отношении железа к другим металлам»— лишь одна из сложнейших проблем, которые Аносов должен был разрешить, чтобы добраться до тайны булата.
Откроем следующие страницы журнала. Очередная серия опытов касается кристаллизации стали.
Природа этого процесса тогда еще не была ясна.
Плавка, записанная в журнал под № 74, не была вылита в форму, а охлаждена в тигле, в котором она плавилась. После этого тигель разбили и полученный металл проковали под молотом. Сначала он ковался хорошо, но вскоре получил трещину.
Чтобы лучше исследовать внутреннее строение, или, как говорят теперь, структуру полученного металла, Аносов решил рассмотреть его в лупу или микроскоп. Но он понимал, что поверхность металла не гладкая, какой она кажется, а состоит из громадного количества выступов и впадин. Если смотреть на необработанную поверхность в микроскоп, то выступы и впадины исказят истинную картину строения металла. Кроме того, поверхность металла почти всегда покрыта тончайшей пленкой окислов (соединений металлов с кислородом) и загрязнений.
Поэтому, прежде чем начать рассматривать металл в микроскоп или лупу, Аносов тщательно отшлифовал поверхность стальной пластинки.
На шлифе с зеркальной поверхностью можно было уже с большей степенью вероятности увидеть строение металла. Сверх того Аносов обработал шлиф кислотой. Лишь после такой подготовки создавалась возможность увидеть макроструктуру и микроструктуру стали. Интересно, что примененный Аносовым способ приготовления и травления шлифов в основных чертах сохранился и до сих пор.
Аносов тщательно разработал методику травления. Для этой цели он стал применять различные реактивы — соляную и серную кислоты, железный купорос, лимонный сок, пивной уксус...
В своем сочинении «О булатах» Аносов замечает, что «не все кислоты могут быть употреблены для вытравки с равным успехом, ибо действие их на булат не одинаково. Главное различие заключается в том, что одне из них более обнаруживают действия на железо, а другие — и на железо и на углерод».
После обработки реактивами Аносов стал рассматривать металл в лупу. Однако открывшиеся узоры были слишком мелкими, тогда он прибег к микроскопу и увидел «узоры, подобные по расположению булатным».
Это был первый в истории мировой металлургии пример использования микроскопа для изучения структуры металла.
С этого времени, то есть с 1831 года, Аносов систематически прибегает к микроскопу для изучения строения стали и шлаков. Так, в сочинении «О булатах», в разделе «О наружных признаках булатов», Аносов пишет: «...внимательное наблюдение шлаков в микроскоп...»
Естественно, возникает вопрос, почему же никто раньше не догадался сделать этого? Но такой вопрос всегда напрашивается, когда мы узнаем о гениальных и одновременно простых средствах, примененных при решении новых научных задач.
Опыты «кристаллования» привели Аносова к замечательному выводу, который лежит в основе всего современного металловедения,— механические свойства изделий тесно связаны со структурой металла. Только структура может явиться средством действительного контроля свойств и пригодности металла для тех или иных целей.
Этим закончилась вторая фаза опытов.
На некоторое время Аносову пришлось приостановить свою научно-исследовательскую работу. В 1831 году он вступил в исполнение обязанностей начальника горного округа.
Материал взят из книги: Пешкин, И.С. Аносов: Биогр. повесть о рус. металлурге. - Челябинск: Юж.-Урал. кн. изд-во, 1987. - 207с.