Глазами Монжа-Бертолле

Металлурги давно уже заметили, что примеси серы или фосфора, даже незначительные, что-нибудь около 0,1–0,05 процента, сильно меняли свойства стали, делали ее ломкой, хрупкой. Некоторые загрязнения, наоборот, действовали на металл благотворно. Известно, что проволока сечением 1 квадратный миллиметр, изготовленная из очень чистого железа, выдерживает груз в 20 килограммов. А вот стальная нить той же толщины — в 10, а то и в 20 раз прочнее!

Сталь не что иное, как загрязненное железо. В ней от 0,2 до 1,7 процента углерода. Если углерода больше — перед нами чугун, если меньше — ковкое железо. Не стоит, пожалуй, объяснять, что такое ковкость. Важно лишь отметить, что от этого свойства не остается и следа при переходе от железа к чугуну. Чугун вовсе не уличишь в мягкотелости железа. Между тем разница ничтожна — какие-нибудь полтора процента углерода!

А сталь? Упругая, твердая, прочная, она куда менее податлива под ударами молота или штампа. Однако, не обладая ковкостью железа, она не страдает и хрупкостью чугуна. Какое несходство в механических свойствах! И все на коротенькой дистанции — от десятых долей до нескольких процентов углерода. Откуда такие скачки? Какова роль углерода и прочих примесей?

Отнюдь не праздное любопытство двигало рукой ученых, настраивавших все новые приборы для исследования металлической структуры. Век стали поднимался над планетой в грохоте созидания и разрушения. Сверкающие колеи железных дорог перерезали континенты. Над свинцовой рябью рек нависали ажурные фермы мостов. Паутина проводов опутывала небо. Острые кили могучих кораблей рассекали океанские воды. Грузные стволы орудий зловеще поглядывали своими жерлами в лицо врагу. Всюду был нужен металл, металл. И не просто металл. Металлу требовалось придать особые качества, чтобы он, буде ему придется сокрушать или строить, работал безотказно. Упругость, твердость, тягучесть, жаропрочность, электропроводность, кислотоупорность — сколько разных потребностей выдвигала практика!

Ничего нет удивительного, что практика заинтересовалась смесями. А теория? Какие у нее были возможности?

Вот что писал в 1885 году русский ученый В. Ф. Алексеев: «Как давно известны, например, многие металлы и как ничтожны наши сведения о сплавах их между собою! Для большинства сплавов даже не известно, будут ли они физически однородны или нет… Между тем немало производилось самых тщательных исследований над сплавами, и потому, если сведения о них все-таки остаются очень неудовлетворительными, то это зависит единственно от того, что шли до сих пор чисто эмпирическим путем, без всякой руководящей идеи».

Тщательно отполированная стальная пластинка — разве что зеркало может соревноваться с ней своей гладкой и однородной поверхностью. Но так казалось лишь невооруженному исследовательскому оку. Стоило нацелить на поверхность металла зоркий зрачок микроскопа, как картина тотчас менялась. Сразу бросались в глаза неровности, шероховатости, следы непонятных вкраплений. Еще резче проявлялась неоднородность структуры у шлифа — пластинки, подвергнутой специальной химической обработке, например травлению кислотой. Металлография, зародившаяся в дымной атмосфере сталелитейных заводов, помогала решать многие насущные технологические вопросы. Но еще больше вопросов она ставила — и не только перед химией. Перед физикой тоже.

Что представляли собой мельчайшие ячейки в стальном шлифе? Их было много; одни посветлее, другие потемнее, они напоминали смесь разнородных кристалликов. Крупинки углерода вперемешку с зернами железа? Или нет? Если нет, тогда что?

В 1893 году мир облетела сенсация. Изобретатель электрической печи Муассан сообщал, что ему удалось получить искусственные алмазы. Он добавлял к расплавленному железу графит и быстро охлаждал полученную массу. Чугун, как известно, расширяется при охлаждении. Образовавшаяся на поверхности плотная корка стискивала раскаленное месиво. Растворяя в кислотах застывший сплав, Муассан обнаружил крохотные кристаллики, напоминавшие алмазы своим видом и твердостью.

Первым усомнился в справедливости выводов Муассана русский минералог П. Н. Чирвинский. Он направил в «Бюллетень французского химического общества» свое опровержение: Муассан получил вовсе не алмазы! То были карбиды — соединения металла с углеродом. Где там! Редакция отклонила работу Чирвинского. Мотив: нежелание огорчать председателя общества. Еще бы, ведь президентское кресло занимал сам Муассан…

Другой журнал, нью-йоркский, проявил не меньшую щепетильность в вопросах научной этики: «Американцам не к лицу критиковать Муассана». Деликатность или мракобесие? Как бы то ни было, Муассан вошел в историю как создатель искусственных алмазов. А наука еще долгие годы оставалась в неведении: какие явления сопутствуют плавлению и отвердеванию черных и цветных металлов? Что представляют собой сплавы — смеси элементов или химические соединения?