Обеспечить широкое внедрение в народное хозяйство принципиально новых технологий... позволяющих многократно повысить производительность труда...
Основные направления экономического и социального развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года
Электронно-пластический эффект, открытый советскими учеными, позволяет резко повысить пластичность металлов и сэкономить огромные количества энергии, затрачиваемые при таких видах обработки, как, например, прокат или волочение. При этом получается металл улучшенного качества. Некоторые особо твердые и хрупкие металлы теперь поддаются обработке, о которой раньше не приходилось и мечтать.
«Металл — хлеб промышленности». Сколько раз слышали мы это броское сравнение и сколько радовались тому, что этого «хлеба» становится все больше, что вводятся в строй новые домны, мартены, конверторы. Но в действительности сравнение, заложенное в эту фразу, хромает на обе ноги — и «металлическую» и «хлебную».
Разве мы с вами едим хлеб вообще? Вовсе нет. Вы, например, любите белый, я — черный, он — бублики. Вот и промышленность не потребляет металл вообще, а предпочитает нечто конкретное. «Металл - - тесто для хлеба промышленности» — так, пожалуй, правильнее. А дальше уже кому что нравится. Если продолжить хлебопекарное сравнение, то одной отрасли может хватить и грубого черного «хлеба» в виде стальных болванок, а другой подавай изделия лучших сортов — булочки, слойки, баранки, что означает, если перейти на «металлическую» часть сравнения, прокат всевозможных и все усложняющихся профилей, трубы, тонкую металлическую ленту и прочее, и прочее. Причем потребность именно в этих видах проката все возрастает и возрастает. Куда экономнее обрабатывать профиль, близкий к профилю будущего изделия, чем отрезать, спиливать, стачивать с бесформенной болванки десятки и сотни килограммов металла.
Для этого металлурги и не ограничиваются двумя первыми переделами — из железной руды в чугун и из чугуна в сталь, а применяют еще и третий — прокатку, ковку, и четвертый — профилирование, волочение. То, что происходит с металлом в третьем и четвертом переделах, описывается всего двумя словами — пластическая деформация. Здесь уже нет химических превращений, состав металла такой, какой он есть, но меняется форма. Именно в этих переделах из «теста» рождается хлеб.
Однако металл — штука прочная, и так легко он деформации не поддается. Циклопических размеров фундаменты мощных прокатных станов, громадные валки и многокиловаттные электродвигатели, приводящие их во вращение,— всё это дает некоторое представление о тех усилиях, которых требует выпечка металлического «хлеба». И все равно этого недостаточно. Чтобы металл стал пластичнее, его нагревают. В специальных печах многометровые языки пламени лижут болванки, раскаляя их до температуры в сотни градусов, а иногда и более. Только после этого нагретая до белого каления, пышущая жаром, рассыпающая искры болванка поступает на прокатный стан.
Есть металлы, которые вообще не годятся для деформации при низких температурах. Они и тверды, и тугоплавки, и хрупки. А бывает, что из них надо получать тонкую ленту, проволоку очень малого сечения. Недосмотр в режиме — и обрывается тонюсенькая проволочка, тянущаяся сквозь отверстие волоки (так называется рабочий инструмент волочильного стана, через отверстие которого протягивается проволока).
И все эти процессы — нагревание, последующая деформация — требуют огромных затрат энергии. Уменьшение нагрева на несколько процентов от ныне применяемых температур или повышение на те же несколько процентов пластичности металла принесли бы громадную экономию — ведь надо учесть масштабы металлургического производства в нашей стране.
А что если речь пойдет о десятках процентов, и даже не о процентах, а о разах? Фантастика? Нет, во многом уже реальность. Поможет сделать это новый эффект — электронно-пластический. Открытый более двадцати лет назад в Институте физической химии АН СССР Олегом Александровичем Троицким, ныне доктором технических наук, и разрабатываемый сейчас его группой в Институте машиноведения АН СССР, он действительно резко повышает пластичность металла, улучшает его свойства. Чтобы понять, как это происходит, нам придется попристальнее посмотреть, что же такое деформируемый металл.
Кристалл... Символ симметрии, правильности, регулярности. Кажутся совершенными все время повторяющиеся плоскости его решетки. С холодной геометрической расчерченностью следуют друг за другом условно выделенные учеными элементарные ячейки кристалла. Какие неправильности могут вкрасться в эту картину?
Очень многие. Видимо, природа не терпит мертвящего порядка, она усложняет задачу, внося некоторый хаос, имеющий, однако, важнейшие следствия. В кристалле появляются "нарушения периодичности структуры решетки, называемые дефектами. Среди самых разнообразных дефектов кристаллов нас прежде всего будут интересовать дислокации.
Вотана, правильная и совершенная решетка кристалла. Но вглядитесь внимательнее в рисунок 1 (на стр. 9): в верхней части решетки на одну атомную плоскость больше, чем в нижней. Это и есть дислокация, называемая краевой. «Лишняя» атомная плоскость является, конечно, искажением решетки, причем больше всего искажена та часть кристалла, которая прилегает непосредственно к краю дополнительной плоскости. Чем дальше от этого места, тем менее заметно нарушение, и уже на расстоянии в несколько межатомных промежутков его почти не видно. Существует и другой вид дислокаций, называемых винтовыми (рис. 2 стр. 9). Здесь тоже через несколько межатомных расстояний все практически сглаживается. Так и незаметны были бы эти незначительные нарушения, если бы их было несколько на весь объем кристалла. Но число дислокаций в кристалле измеряется не единицами и не сотнями. Даже в хороших естественных кристаллах бывает по нескольку десятков миллионов дислокаций на один кубический сантиметр объема.
Присутствие дислокаций приводит к уменьшению прочности. А сама пластическая деформация есть процесс рождения, перемещения и взаимодействия дислокаций. При пластической деформации происходит скольжение одних слоев кристалла относительно других. Поясняя мне это, кандидат физико-математических наук Владимир Иванович Сташенко выложил на столе аккуратный столбик из монет, а затем чуть сдвинул верхние монеты в сторону. В получившейся наклонной башенке верхние монетки оказались сдвинутыми относительно нижних. Эта простенькая модель довольно точно отражает процессы, реально происходящие в кристалле при деформации (рис. 3 стр. 12). На атомном же уровне все это происходит так. Приложенное усилие разрывает связи между атомами в ближайшей к дислокации атомной плоскости. Образовавшуюся незанятую связь как бы подхватывает атом «лишней» плоскости, и она становится полноценным членом атомной решетки. А «лишней» становится верхняя часть бывшей «хорошей» плоскости. Вот наша дислокация и сдвинулась на одни шаг. Этот процесс происходит куда быстрее, чем он описан. Нижняя граница скорости перемещения дислокаций составляет примерно одну тысячную сантиметра в секунду, а верхняя — и поверить трудно! — доходит до скорости звука в кристалле. Но это так — ведь- перемещение дислокаций происходит только за счет передачи функций «лишней атомной плоскости соседней, то есть за счет переключения атомных связей, а это процесс быстрый.
Основная сила, которая действует на дислокацию и заставляет ее перемещаться,— механическая. Всего несколько граммов на один квадратный миллиметр поперечного сечения образца достаточно для того, чтобы сдвинуть дислокацию с места. Для дальнейшего продвижения достаточно десятых и сотых долей этого усилия. Ну а поскольку дислокаций много, надо умножить их количество на эти доли и граммы, и мы получим усилие, необходимое для деформации образца, то есть те самые законы деформации, что изучаются во всех курсах физики — и школьных, и институтских.
Однако мы рассмотрели хотя и далекий от совершенства, но все же малореальный кристалл. В нем, действительно подгоняемые механическим усилием движутся себе беспрепятственно дислокации, преобразуя свой «бег» в пластическую деформацию. Реальность же намного суровее к этому движению. Ведь в кристалле существуют и примеси, атомы которых скапливаются как раз в районе дислокаций, там, где решетка искажена, и для них находится местечко. Эти атомы служат стопорами; именно на них и застревает дислокация. Поэтому, как правило, примеси и повышают прочность металла. Поэтому же сталь, то есть железо с примесью углерода, прочнее чистого железа.
Конечно, это хорошо, когда металл прочнеет, хорошо уже на той стадии, когда он становится готовой деталью. Но когда его еще нужно пластически деформировать — это плохо. При движении н стопорении дислокации возникают явления удивительные. Одно из них — так называемый источник Франка — Рида. Как он образуется, показано на рисунке 4. По мере увеличения внешнего напряжения застрявшая на двух стопорах дислокация выгибается все более и более н наконец рождает вокруг себя кольцевую дислокацию, вол- нон расходящуюся от места своего рождения, затем еще одну, еще и еще... Возникает волновой источник деформации.
С увеличением деформации число движущихся, рождающихся и тормозящихся дислокаций становится примерно равным. Материал выходит на устойчивый участок.
Для того чтобы «оживить» дислокации, заставить их двигаться побыстрей, надо добавить нагрузки на образец.
Итак, дислокация «застряла» на стопоре. К ней подходит и тормозится другая, третья... Возникает скопление. Но вспомним, что дислокация — это отсутствие полной атомной плоскости, своеобразная микропустота в правильной решетке кристалла. Когда такие микропустоты сходятся вместе, возникают поры в металле, микротрещины. Эти пороки металла, в свою очередь, становятся еще более мощными стопорами. А внешняя нагрузка растет, все новые и новые дислокации подходят к микротрещине, она уже не микро-, а вполне осязаемая величина и, наконец, она как бы раскрывается наружу — металл разрушается. Выходит, что придать дислокациям подвижность — значит сделать металл не только более податливым в процессе обработки, но и более прочным впоследствии, без пор и внутренних трещин.
Чтобы дислокации смогли «перепрыгнуть» тот потенциальный барьер, который образуют стопоры, можно увеличить деформирующую нагрузку. Во что это обойдется, мы уже видели. Можно прибавить температуры, чтобы из-за увеличения интенсивности колебаний атомов в узлах кристаллической решетки дислокации «задышали» свободнее. И это тоже дается непросто, да к тому же не всякий металл по технологическим условиям можно нагревать.
А можно... Вот мы и подошли к электронно-пластическому эффекту.
Металлы прекрасно проводят тепло и электричество. Давно известно, почему это так: потому что в металлах много свободных электронов. Настолько много, что можно даже говорить об электронном газе, а академик Л. Д. Ландау употреблял выражение «электронная жидкость»,— видимо, потому, что электронное сообщество обладает вполне реальными свойствами вязкой среды.
Если не предпринимать дополнительных мер, то эта вязкая среда препятствует движению дислокаций и, следовательно, деформации. Дислокациям приходится буквально продираться через электроны, теряя при этом энергию. Тормозящее действие электронов исторически было исследовано первым. Ученые харьковской школы физиков под руководством В. И. Старцева и И. А. Гиндина, переведя образцы некоторых металлов в сверхпроводящее состояние, обнаружили эффект разупрочнения. При низких температурах электронный газ потерял свою вязкость, и дислокации задвигались поживее.
Все это относится к электронам, свободным от какого- либо внешнего воздействия и поэтому ведущим себя «как бог на душу положит». А- нельзя ли создать из раздираемого анархией электронного сообщества некий организованный коллектив, ну, скажем, заставить их двигаться в одну сторону? Можно, конечно. Причем известен этот способ тоже многое множество лет. Это самый обыкновенный электрический ток, то есть направленное движение электронов.
Ну а теперь последнее усилие — и мы у цели. Направленный поток электронов может оказывать на дислокации механическое давление. Бомбардируемые этим потоком, они приобретают дополнительную энергию и становятся способными преодолеть потенциальные барьеры стопоров. Вот, собственно, и все... Но на деле было посложнее.
Что, в сущности, было обнаружено вначале? Облучение электронами металлических кристаллов снижает деформационные усилия, если поток электронов движется в том же направлении, что и плоскости скольжения кристаллов, по которым, как мы помним, движутся дислокации. Было это в 1962 году. Затем, в 1969, Троицкий вместе с А. Г. Розно обнаружили такое же действие у электрического тока. И сразу же возникло множество проблем, без решения которых нельзя было и упоминать о том, что открыто новое явление.
Прежде всего, всем известно, что ток, проходя через металлы, нагревает нх. Так, может быть, пластичность повышается просто оттого, что металл нагрелся? Не все ли равно, нагрел его ток или специальная печь? Потребовалась целая серия экспериментов, прежде чем было получено прямое доказательство: нагрев здесь ни при чем. Повышение пластичности наблюдалось и при температурах жидкого азота, холод которого вполне компенсировал разогрев.
А главный вопрос, стоявший перед исследователями, был еще более сложен: способны ли вообще электроны реально «подтолкнуть» дислокации? Оказывается, да.
Во-первых, электронов много, примерно 1022— 1023 на одни кубический сантиметр объема. Во-вторых, электронный газ в металлах находится в особом, высокоэнергетическом состоянии. Расчеты показывают, что энергия электронов очень велика — тысячи киловатт-часов на один кубометр металла. Только воспользоваться ею было невозможно. Электронно-пластический эффект впервые приспособил эту энергию к практическим задачам. Чтобы получить значительное приращение пластичности, надо создать мощный поток электронов, то есть большой ток. Но это связано с увеличением плотности тока через деформируемый металл, а чересчур большая плотность может перегреть и даже разрушить его — вспомним, как перегорает волосок электрической лампочки. Выход в том, чтобы подавать ток в импульсном режиме. На короткое время, 10-4—10-5 секунды, в металле создается ток огромной плотности — до ста тысяч ампер на квадратный сантиметр. Этого достаточно, чтобы сдвинуть с места практически любую дислокацию, а затем следующим импульсом подхлестнуть ее, заставить ускориться и взаимодействовать. Это выгодно и энергетически, ведь средняя энергия мощных, но коротких н редких импульсов весьма мала.
Итак, хорошая теория построена, можно переходить и к практике. Выглядит заманчиво: надо подать сильные импульсы тока в деформируемый металл. Но простое пропускание тока через кусок металла ничего не даст — нужно, чтобы металл находился под высоким механическим напряжением, конкретно — под напряжением вблизи передела текучести. Только- тогда электронно-пластический эффект проявит себя в полной мере. Это условие как раз и выполняется в прокатных и волочильных станах. При этом мы получаем и еще одно преимущество: деформируется только тот участок металла, который находится непосредственно между валками прокатного стана или в отверстии волоки, значит, именно на этот участок и надо подавать ток, не растрачивая его впустую на разогрев остальной части заготовки.
На рисунке 5 показана упрощенная схема процесса. Один контакт до волоки, один после, источник импульсного тока — вот, собственно, и все.
- Мне кажется, что практическое значение электронно- пластического эффекта довольно велико,— говорит Олег Александрович Троицкий.— Мы сейчас вступили в период, когда нужны не просто хорошие, а интенсивные технологии. И применение нашего эффекта в производстве как раз и есть пример самой настоящей интенсивной технологии. Ведь подумайте сами: изменение формы металла — процесс древнейший, с его помощью человечество получает металлические изделия уже тысячи лет. И все это время материал никак не участвует в самом процессе, он просто пассивно реагирует на все, что с ним делают. Мы же заставляем его быть активным участником процесса обработки, используя его внутреннее строение. Я как-то употребил в одной из статей выражение «электронный ветер надувает паруса дислокаций». Так оно и есть: именно закономерности, существующие в металле,— то, что в нем всегда есть свободные высокоэнергетические электроны,— как бы сдувают со стопоров застоявшиеся дислокации, и пластичность металла резко повышается.
Электронно-пластический эффект уже сегодня дает реальную, промышленную отдачу. Например, пластичность меди увеличивается в десятки раз. Именно так - - в десятки раз. Резко уменьшаются усилия, необходимые для прокатки и волочения. Появляется возможность волочить невероятно тонкую медную проволоку без угрозы оборвать ее в процессе обработки. Более того, она имеет меньшее электрическое сопротивление. Если учесть, какое количество меди идет на электрические кабели, то одно только уменьшение сопротивления и, следовательно, уменьшение потерь в кабелях, пожалуй, с лихвой окупит все затраты на внедрение процесса.
Очень перспективен для применения эффекта вольфрам. Он чрезвычайно трудно деформируется, а тонкой проволоки из него надо очень много: вольфрамовая проволочка светит нам из каждой лампы накаливания. Так вот, для вольфрама пластичность под действием тока увеличивается на пятьдесят процентов. Благодаря этому можно уменьшить температуру, при которой производится волочение, до 200—250 градусов, то есть втрое по сравнению с нынешней. На четверть уменьшаются усилия волочения.
И все это достигается импульсами электрического тока, мощность которого, если брать среднее значение, реально выражаемое показаниями счетчика, составляет 250—300 ватт. Одна лампочка, вывернутая в цехе, где делается проволока, скомпенсирует все дополнительные затраты энергии при внедрении нового процесса. Правда, при волочении двухмиллиметровой проволоки потребуется дополнительная мощность уже около одного киловатта, но тот, кто знаком с прокатным производством, только усмехнется, услышав эту цифру.
Такие же выдающиеся результаты получены и при прокатке молибдена, тоже «твердого орешка» для металлургов. Становятся пластичнее сплавы вольфрама и молибдена, жаропрочные и высокопрочные легированные стали, которые все шире и шире применяются в современной технике. Без большого нагрева их можно прокатать в микронной толщины ленты.
— Да разве только в снижении усилий и понижении температуры обработки дело?— говорит Троицкий.— Ведь на выходе мы получаем вроде тот же металл, а на самом-то деле — совсем другой. Даже внешне он выглядит по- иному: гладкий, без задиров, блестящий, будто полированный. Еще важнее изменения, происходящие в его внутренней структуре. Электронный ветер, подхлестывая дислокации, уничтожает их скопления внутри металла, а значит, всякого рода поры и микротрещины. Каждый импульс тока выводит на поверхность металла десятки и сотни тысяч дислокаций. Резко снижаются механические напряжения, существующие внутри металла. Улучшается структура, материал легко принимает нужную форму при последующей обработке, имеет хорошую текстуру. Например, в вольфраме и молибдене появляется остаточная повышенная пластичность -— сверхтонкие нити из них легко свиваются в спирали любых конфигураций с рекордно малыми радиусами изгиба.
Появляется возможность производить прокат недоступных ранее размеров и форм. Уже получены тончайшие трубочки из нержавеющей стали, тонкие биметаллические листы. Многое пока — в расчетах и чертежах, но в ближайшее время обретет промышленные очертания.
Еще один аспект, который нельзя не учитывать,— это увеличение срока службы прокатного оборудования. Ведь резко уменьшаются температурные и механические нагрузки на обрабатывающий инструмент, будь то валки прокатного стана или волока, через которую тянется проволока. И здесь тоже вполне реальная и большая экономия.
А впереди еще множество незатронутых областей. Стимулирование пластической деформации кристаллов импульсами тока открывает новые возможности для исследования их обычной и скачкообразной деформации, позволяет решать самые разные вопросы деформационного упрочнения. Значительное увеличение пластичности кристаллов перед хрупким разрушением под влиянием тока может лечь в основу способа уменьшения хрупкости материалов на металлической основе.
Есть примеры, когда электронно-пластический эффект возникает самопроизвольно и в этом случае вреден. Видимо, он несет свою долю ответственности и за провисание проводов электрических линий, и за затекание коллекторов электрических машин медью в наиболее напряжённых местах. И там и там «дуют электрические ветры» огромной мощности, следовательно, может возникнуть и наш эффект. А знать причину вредного явления, ее закономерности — значит наполовину уметь с ней бороться.
...Вот так теперь все и выглядит — стройно, красиво, промышленно опробовано, экономически эффективно. Может, так и было с самого начала?
— Нет,— Троицкий усмехается, видимо, вспоминая что- то,— совсем не так. Когда мы обнаружили это явление, оно было настолько необъяснимым, что публикацию результатов задержали примерно на год. Потом пошли сомнения специалистов разных профилей. Одни считали, что ничего нового тут нет и все объясняется локальным нагревом под действием тока. Действительно, и мы этого не отрицаем, часть энергии электронного ветра, «сдувающего» дислокации, тратится на нагрев металла. А раз так, говорили наши оппоненты, значит, здесь просто замаскированный Джоулев эффект и никакого электронно-пластического в природе не существует. Однако если бы они были правы, то не возникало бы полярности действия тока на пластическую деформацию, которую мы установили совершенно точно в целой серии опытов. Не было бы зависимости скорости движения дислокаций от направления тока через кристаллы, которую обнаружили ученые Сибирского металлургического института. Не было бы зависимости от направления тока усилий волочения медной и вольфрамовой проволоки, найденной и нами, и специалистами Магнитогорского горно-металлургического института. Ну и наконец, американец Г. Конрад, известный своими фундаментальными исследованиями деформации титана, в серии предельно тщательно поставленных вслед за нами опытов отделил тепловую часть действия тока и показал, что наш эффект существует для титана как совершенно самостоятельное явление и связан именно с нетепловым взаимодействием электронов и дислокаций. А пока шли дебаты, писались статьи, ставились опыты — и чтобы доказать, и чтобы опровергнуть,— мы внедряли наши результаты в промышленность. Не так быстро и не так легко, как хотелось бы, но внедряли. Очень активное участие в этом важном деле принял директор Института физической химии, где тогда работала наша группа, академик Виктор Иванович Спицын. Он и организовывал нашу работу, и поддерживал ее в трудные времена, когда критика становилась агрессивной, и побуждал нас к внедрению, и своим авторитетом способствовал этому внедрению. И не .ограничивался только этими директорскими функциями: сам предлагал эксперименты, принимал участие в обсуждении их результатов. Да, чего только не было за двадцать четыре года... Не удивляйтесь, вы не ослышались — именно столько и прошло с первой нашей работы, выполненной в 1962 году.
Поистине электронно-пластический эффект — пример того, что легче сделать открытие, чем доказать, что ты его сделал. Но, кажется, все идет к завершению. В конце 1984 года Экспертный совет Госкомитета по делам изобретений и открытий признал электронно-пластический эффект открытием. Возможно, когда вы будете читать эту статью, оно обретет свой номер и все положенные атрибуты.
Родившись в научной лаборатории, электронно-пластический эффект становится одним из новых и перспективных приемов электрообработки металлов и сплавов. Он интенсифицирует металлургическое производство, позволяет получить продукцию высокого качества, легко автоматизируется, что является непременным условием для любой технологии будущего. А умноженный на огромные масштабы нашей промышленности, обещает большой экономический эффект. Можно быть уверенным — мы еще услышим о нем.