Техника - молодёжи 1968-04, страница 5

мост в голубой город

ЧЛЕН-КОРРЕСПОНДЕНТ АКАДЕМИИ НАУК СССР, ГЕРОИ СОЦИАЛИСТИЧЕСКОГО ТРУДА

ПЕТР БУДНИКОВ

В XX столетии «железное семейство» — чугун, сталь, сплавы — сделало громкую карьеру. В начале века, когда я был студентом, лучшие заводы не гарантировали прочность чугуна более 10 кг/мм^?. Сейчас ни один инженер не примет металл, если тот не выдержит 70— 80 кг/мм². Прочность легких сплавов, в частности алюминия, выросла более чем в 10 раз. В начале века на каждую лошадиную силу пароэлектрического агрегата приходилось около 150 кг металла, сегодня — менее 5 кг. В двигателях внутреннего сгорания на ту же единицу мощности тратилось металла еще больше — 250 кг! Если бы соотношения остались прежними, мотор стосильного автомобиля весил бы 25 т, а вес «Антея» был бы соизмерим с горой Магнитной.

Понятна гордость авиаконструкторов: удельный вес двигателя современного самолета не достигает и килограмма на лошадиную силу. Поразительно легкие металлические лайнеры перелетают через океаны. Но сейчас и холод космоса, и жар солнца, и беспощадный поток космических лучей становятся нормальными условиями внутри некоторых земных установок. Окажутся ли надежными и удобными здесь металлические доспехи нашего века?

В последнее время я рассылаю письма ведущим ученым и инженерам с вопросами: над чем они собираются работать в ближайшие 10—12 лет, чего они ожидают от тех, кто занят конструированием новых материалов? Если обобщить ответы, то перед нами окажутся заявки, которые еще недавно могли бы подать разве что фантасты.

Авиаторам и строителям нужны сплавы в десятки раз прочнее стали, но легче ваты — тогда пассажирские самолеты смогут покрывать десятки тысяч километров без дополнительных заправок, а мосты без промежуточных опор перешагнут Лену и Енисей. Энергетикам необходимы металл, обладающий сверхпроводимостью при нормальных условиях, а также сверхмощные изоляционные материалы — появится возможность передавать электроэнергию из Сибири, к примеру, в Мурманск, по обычным комнатным проводам. Человечество мечтает о легких костюмах, в которых было бы одинаково безопасно и в космосе, и внутри ядерного реактора, и в кипящем жерле вулкана. Вероятно, у этого списка нет да и не может быть конца. А пока инженерам приходится по одежке протягивать ножки: строители не смеют проектировать сооружения высотой в несколько километров, энергетики планируют для линий передач тысячи тонн металла — самые дерзкие проекты разбиваются о стальную клетку нашего железного века.

Признаться, эту последнюю строку я пишу с болью, хотя моя область не металлы, а силикаты. Ведь вся наша цивилизация держится на металлофонде в несколько миллиардов тонн, который создан за последние полвека. Мы, ученые, похожи на строителей, которые возводят высотное сооружение и вдруг узнают, что фундамент не способен выдержать проектной нагрузки. Разумеется, фундамент можно усилить. Вопрос в другом — какой ценой?

Над одним из районов США пронесся как-то небывалой силы ураган. Многие дома и все мосты, кроме одного, были снесены. Инженеры тщательно исследовали устоявшее сооружение. Оказалось, что если бы все мосты на Земле строились с такими же запасами прочности, то большинство рек пришлось преодолевать вплавь: на подобные конструкции ушла бы львиная доля всего металлофонда.

Согласно современным воззрениям твердый металл состоит из небольших кристалликов. Каждый кристалл — правильно расположенная система положительных ионов. Металл можно сравнить с губкой, внутри которой, подобно воде, движутся электроны. Эта электронная атмосфера, вернее — энергетический уровень ее частиц, определяет свойства вещества, в том числе и его теоретическую прочность.

Когда Макс Борн вычислил предельные механические напряжения для некоторых материалов, это вызвало настоя

щую бурю в инженерных кругах. Неужели прочность железа, с которым мы знакомы 5—6 тысячелетий, в десятки раз меньше расчетной? Значит, наши машины и мосты по эффективности использования материалов похожи на египетские пирамиды. Да это же просто гробницы, где бесполезно лежат миллиарды тонн железа!

С таким положением трудно, почти невозможно согласиться: многие склонялись к тому, что теоретик не прав. И тогда слово взял главный арбитр — эксперимент. Если большинство материалов, в том числе и металлы, имеют кристаллическое строение, значит нужно исследовать свойства отдельных кристаллов.

...Шарик, выточенный из кристалла каменной соли, охладили в жидком воздухе и быстро перенесли в расплавленный свинец. Внешние слои шарика разогревались, расширялись, внутренние оставались холодными. Напряжение в хрупкой соли достигало десятков килограммов на квадратный миллиметр, и все-таки кристаллик не разрывался. В чем дело, ведь допустимые напряжения должны быть во много раз меньшими?

Что ж, ученые уже давно предполагали, что разрушение при разрыве начинается пусть с еще незаметных, но трещин. Здесь же поверхность не испытывала напряжений, трещины не могли проникнуть внутрь кристалла. Вот и оказалось, что соль может быть такой же прочной, как сталь. Значит, теоретические предпосылки верны, и реальная прочность материалов в десятки раз меньше предельной. Однако почему это происходит?

Испытали на разрыв тонкие стеклянные нити и получили нечто совершенно неожиданное: при диаметре 22 микрона они обладали прочностью стали — 20 кг/мм², to нить в 2,5 микрона выдержала напряжение 520 кг/мм²! Но оказалось, и это не предел. Некоторые образцы разрывались при 1200 кг/мм²! Огромная прочность! И все же она меньше теоретической.

Чтобы объяснить это противоречие, была выдвинута гипотеза дислокаций. Ее создатели исходили из того, что красивейшие создания неживой природы — кристаллы, — увы, не идеальны, что вместо атомов в некоторых углах кристаллических решеток пустота, «дырки». Ионы, находящиеся в тепловом, колебательном движении, иногда оставляют свое место и перемещаются по кристаллу либо покидают его вовсе. Вакантное место занимает другой атом — «дырка» как бы путешествует по кристаллу. И если группу соседних атомов представить в виде цепи, то здесь исчезает звено, создается лазейка для трещины. Она-то задолго до развития теоретически допустимых напряжений и разрушает кристалл.

Эта гипотеза неплохо объясняла механизм так называемого масштабного фактора — иными словами, ответила на вопрос, почему тонкие стеклянные нити оказываются относительно прочнее: чем меньше поверхность, тем реже и источники разрушения дислокации. Однако сами «дырки» не удавалось обнаружить, даже просвечивая кристаллы рентгеновыми лучами, когда на экране вырисовываются атомы. «Нет, — говорили противники этой гипотезы, — вы испытайте идеальный, без дислокаций, кристалл, докажите, что прочность его равна теоретической, — вот тогда мы вам поверим...» И пока экспериментаторы, будучи не в силах получить идеальные кристаллы металла, бессильно разводили руками, в спор вмешался случай — в науку вошло прозаическое слово «усы».

Было это в годы войны. Электронные установки, находившиеся на вооружении английской армии, то и дело выходили

НА ПОРОГЕ ВТОРОГО 50-ЛЕТИЯ