В 1866 году Морское министерство вынесло постановление: производство стальных орудий на Обуховском заводе прекратить.
В этот критический для завода момент управляющий заводом А. А. Колокольцов пригласил для работы на заводе инженера-технолога Д. К. Чернова. Перед ним была поставлена задача: выяснить и объяснить причину негодности одних орудий рядом с превосходным качеством других, изготовленных из одной и той же литой стали, в одних и тех же условиях.
Обратив внимание на то, что металл разорвавшихся орудий отличался крупнозернистым строением, а металл выдержавших испытания стрельбой, был более мелкого и однородного строения, при одном и том же химическом составе, Чернов предположил, что для стальных гладкоствольных пушек Обухова образца 1862 года, стрелявших при сравнительно низких давлениях пороховых газов, запас прочности ствола гарантировал от всяких случайностей при неоднородности механических свойств металла. Но в стальных нарезных пушках, стрелявших при давлениях газов в стволе в два раза больших, неоднородность свойств недопустима и являлась причиной разрыва.
Предстояло найти причину неоднородности свойств и способы её устранения. То, что химический анализ разрушившегося и годного металла был одинаков, дало основание исследователю предположить, что дело не в химическом составе стали, а в неодинаковой дальнейшей тепловой обработке орудийных заготовок.
Дмитрий Константинович обладал исключительно тонкой наблюдательностью. Его глаза в определенной мере заменяли физические приборы, привычные для металловедов в наши дни. Это помогло справиться с поставленной задачей.
Ученик Д. К. Чернова (позже — начальник лаборатории металловедения Обуховского завода) В. А. Яковлев вспоминал о своём учителе: «Он проявил всю мощь своей наблюдательности, своей строгой математической логики. Он проводил бессонные ночи в химической и механической лабораториях, сидел ночами у печей, учась у старых опытных рабочих определять на глаз температуру раскалённой стальной болванки».
Сам Д. К. Чернов в докладе Русскому Техническому Обществу в 1868 году сказал: «Генерал Обухов умел хорошо лить тигельную сталь, но обрабатывать её не умел. Мне пришлось заняться этим вопросом единолично, так как идеи Обухова были не достаточно ясны и верны, а помощниками были полуобразованные мастера, которые с большим недоверием относились к моим распоряжениям. Таким образом, когда ковка продолжалась до четырёх суток с перерывами, а нагревы до четырёх часов, то при обработке одного орудия приходилось часто проводить бессонные ночи».
Два года многочисленных исследований изломов разорвавшихся стволов завершились успехом. Была не только решена производственная проблема, но сделано научное открытие мирового значения.
Чернов установил температурные интервалы обработки, при которых сталь одного и того же химического состава давала крупнозернистую или мелкозернистую структуру.
Он доказал, что при нагревании стали, она в определенные моменты претерпевает структурные превращения, с которыми связаны её механические свойства. Наилучшие результаты при ковке стальных болванок можно получить, заканчивая ковку при температуре близкой к точке «б». С тех пор, как на Обуховском заводе стали учитывать при обработке стальных стволов указанные им точки критических превращений, случаи их разрыва совершенно прекратились.
Разобравшись с причинами, приводящими к браку стволы орудий крупных калибров, Д. К. Чернов продолжал далее развивать своё открытие. Для наглядности и простоты изложения, он графически изображает соотношения между некоторыми свойствами стали и температурами нагрева.
Точкой «а» (~ 700 °C) он отмечает температуру, будучи нагретой до которой сталь даже при быстром охлаждении ещё не принимает закалку, и в большинстве случаев становится мягче и легче обрабатывается пилой и резцом.
точке «б» (~ 800 °C) происходит структурное превращение. Это минимальная температура, будучи нагретой до которой сталь принимает закалку. Точка «а» очень близко располагается к точке «б». Чем ближе температура нагрева под закалку к точке «б» и чем резче охлаждение, тем более мелкокристаллическую структуру будет иметь сталь после закалки. При нагреве выше точки «б» и при замедленном охлаждении сталь будет иметь крупно кристаллическое строение.
Точка «д» (~ 200 °C) минимальная температура, до которой при закалке сталь должна быть быстро охлаждена, чтобы произошла полная закалка, т. е. получена наибольшая твёрдость, которую может дать сталь. Скорость охлаждения ниже точки «д» не влияет на твёрдость стали.
Точка «е» (~ 450 °C) минимальная температура быстрого охлаждения стали при закалке, при которой ещё будет заметно влияние закалки. Если быстрое охлаждение будет происходить до температур выше точки «д», то закалки не произойдёт.
При нагреве закалённой стали в промежутке температур «д — е» твёрдость её будет тем меньше, чем температура нагрева будет ближе к точке «е».
Точка «с» (~ 1500 °C) температура плавления стали.
Обозначенные точками температуры являются постоянными только для стали одного химического состава.
Практическое значение критических точек, установленных Д. К. Черновым, было исключительно велико. Эти температуры явились научной основой практических технологических процессов тепловой обработки стали. Открытие Д. К. Чернова дало возможность управлять процессами превращения в стали, изменяя по желанию структуру и свойства.
СовременностьХХ век сопровождался двумя значимыми изменениями в инженерии:
Во-первых, резко расширился список используемых материалов, причем впервые в нем появились материалы, не существующие в природе (полимерная революция 1950-х годов, нейлон, капрон);
Во-вторых, произошла повсеместная электрификация производства.
Этот процесс связан, прежде всего с именами Николы Тесла (смотри главу 8), Томаса Эдисона, Алексея Лодыгина (смотри главу 6), и Павла Яблочкова.
Павел Яблочков
Российский электротехник, изобретатель и предприниматель. Изобрел (патент 1876 г.) дуговую лампу без регулятора — электрическую свечу («свеча Яблочкова»), чем положил начало первой практически применимой системе электрического освещения. Работал над созданием электрических машин и химических источников тока.
Павел Яблочков родился 14 сентября (2 сентября по старому стилю) 1847 г., в селе Жадовка, Сердобского уезда Саратовской губернии, в семье обедневшего мелкопоместного дворянина, происходившего из старинного русского рода. С детства Павлик любил конструировать, придумал угломерный прибор для землемерных работ, устройство для отсчета пути, пройденного телегой. Родители, стремясь дать сыну хорошее образование, в 1859 г. определили его во 2-ой класс Саратовской гимназии. Но в конце 1862 г. Яблочков ушел из гимназии, несколько месяцев обучался в Подготовительном пансионе и осенью 1863 г. поступил в Николаевское инженерное училище в Петербурге, которое отличалось хорошей системой обучения и выпускало образованных военных инженеров.
По окончании училища в 1866 г. Павел Яблочков был направлен для прохождения офицерской службы в Киевский гарнизон. На первом же году службы он вынужден был выйти в отставку из-за болезни. Вернувшись в 1868 г. на действительную службу, поступил в Техническое гальваническое заведение в Кронштадте, которое окончил в 1869 г. В то время это была единственная в России школа, которая готовила военных специалистов в области электротехники.
В июле 1871 г., окончательно оставив военную службу, Яблочков переехал в Москву и поступил на должность помощника начальника телеграфной службы Московско-Курской железной дороги. При Московском политехническом музее был создан кружок электриков-изобретателей и любителей электротехники, делившихся опытом работы в этой новой по тем временам области. Здесь, в частности, Яблочков узнал об опытах Александра Николаевича Лодыгина по освещению улиц и помещений электрическими лампами, после чего решил заняться усовершенствованием существовавших тогда дуговых ламп.
Уйдя со службы на телеграфе, П. Яблочков в 1874 открыл в Москве мастерскую физических приборов. «Это был центр смелых и остроумных электротехнических мероприятий, блестевших новизной и опередивших на 20 лет течение времени», — вспоминал один из современников. В 1875 г., когда П.Н. Яблочков проводил опыты по электролизу поваренной соли с помощью угольных электродов, у него возникла идея более совершенного устройства дуговой лампы (без регулятора межэлектродного расстояния) — будущей «свечи Яблочкова».
В конце 1875 г. финансовые дела мастерской окончательно расстроились, и Яблочков уехал в Париж, где поступил на работу в мастерские академика Бреге, известного французского специалиста в области телеграфии. Занимаясь проблемами электрического освещения, Яблочков к началу 1876. завершил разработку конструкции электрической свечи и в марте получил патент на нее.
Свеча Павла Николаевича Яблочкова представляла собой два стержня, разделенных изоляционной прокладкой. Каждый из стержней зажимался в отдельной клемме подсвечника. На верхних концах зажигался дуговой разряд, и пламя дуги ярко светило, постепенно сжигая угли и испаряя изоляционный материал.
Успех свечи Яблочкова превзошел все ожидания. Сообщения о ее появлении обошли мировую прессу. В течение 1876 г. Павел Николаевич разработал и внедрил систему электрического освещения на однофазном переменном токе, который, в отличие от постоянного тока, обеспечивал равномерное выгорание угольных стержней в отсутствие регулятора. Кроме того, Яблочков разработал способ «дробления» электрического света (то есть питания большого числа свечей от одного генератора тока), предложив сразу три решения, в числе которых было первое практическое применение трансформатора и конденсатора.