Как изобрести всё. Создай цивилизацию с нуля

Вы можете легко улучшить историю человечества, просто не забыв на тысячу лет, как делать бетон. Например, вы можете позаботиться, чтобы рецепт этого материала попал в более популярную библиотеку.

10.10.2. Сталь

Все решения выглядят простыми – после того как вы к ним пришли. Но они просты только тогда, когда вы уже знаете, в чем их суть.

Вы (также Роберт М. Пирсиг)

Что это

Сплав железа и углерода, более прочный, чем любой из этих двух элементов в отдельности, с невероятной прочностью на разрыв: способностью держать тяжелый груз без вибрации или разрыва. Нуждаетесь в отличных зданиях, инструментах, средствах транспорта, механизмах или чем-либо еще?

Подумайте о стали.

До того как была изобретена

Всем приходилось обходиться куда менее удобными материалами.

Изобретена

3000 до н. э. (плавка железа);

1800 до н. э. (первая сталь);

800 до н. э. (домны);

500 до н. э. (чугун);

1000-е н. э. (первое использование бессемеровского процесса);

1856 н. э. (бессемеровский процесс переоткрыт европейцами, после чего европейцы назвали его по имени одного из европейцев).

Предпосылки

Плавильни и горны, каменный уголь или кокс.

Как изобрести

В разделе 10.4.2 мы видели, как с помощью плавильни можно удалить примеси из руды, чтобы получить железо, и как можно отбить это железо в горне, чтобы очистить его. Но что произойдет, если добавить в железо углерод?

Мы скажем, что произойдет: углерод взаимодействует с железом так, что получается сплав с большой стойкостью к растяжению, который мы именуем «сталь». Подобная субстанция годится, чтобы изготавливать самые разные объекты, среди которых:

• мосты;

• железнодорожные пути[147];

• железобетон;

• провода и стальные кабели;

• гвозди, винты, болты, молотки, заклепки;

• иглы;

• банки для консервов;

• шарикоподшипники[148];

• пилы и плуги;

• турбины;

• вилки, ложки, ножи;

• ножницы;

• спицы для колес;

• струны для музыкальных инструментов;

• колючая проволока[149];

• два меча на одном креплении, чтобы вы могли использовать их как пар у ножниц и др.

Разное количество углерода порождает различные сплавы, и только материал с содержанием углерода от 0,2 до 2,1 % носит марку «сталь». И даже внутри этого короткого отрезка разное содержание углерода обеспечивает разную прочность и сопротивление при растяжении, так что вы можете поэкспериментировать, чтобы найти то, что вам понравится. Кухонные ножи – чтобы их было удобно точить и они при этом не ломались – содержат около 0,75 % углерода.

Чтобы ввести углерод в железо и изготовить такую отличную, прекрасную сталь, вы должны поместить железо в ящики с размолотым в порошок каменным углем и нагревать до температуры в 700 °C на протяжении недели. Углерод из угля будет реагировать с размягчившимся железом, создавая тонкий слой стали.

Тем не менее только внешняя часть каждого слитка железа превратится в сталь, так что вы должны расплющивать и сгибать ваш металл на наковальне раз за разом, чтобы он весь целиком обрел новые качества. Очевидно, что это медленный и дорогой процесс, вам снова приходится делать то, чем вы уже один раз занимались, возясь с железом. Наверняка вы не удивитесь, выяснив, что лупить по металлу молотом часами – долгий, горячий, трудный, изнурительный и скучный процесс, в общем, полный отстой, так что вы изобретете кое-что получше пр-р-р-р-рямо… сейчас!

Наши поздравления – вы придумали домну.

Мы уверены, что вы уже в курсе, что домна в основе своей улучшенная версия той же топки. Вместо того чтобы ваша плавильня сама втягивала воздух, теперь вы насильно впихиваете его снизу и заставляете подниматься, проходя по дороге через обрабатываемый материал. Но вместо чередующихся слоев железной руды и каменного угля вы берете железную руду, известняк и дающий более высокие температуры кокс[150].

У вас получается более интенсивное горение, железная руда плавится точ но так же, как и при изготовлении железа, но процесс идет дальше: железо вступает в реакцию с углеродом, формируя новый сплав с точкой плавления около 1200 °С (достаточно низко, чтобы расплавить в вашей домне). Высококарбонизированная жидкость скапливается на дне и вытекает из домны, а после того как она остынет, вы можете забрать свой металл.

Но это еще не совсем сталь.

Проблема в том, что в вашем железе теперь слишком много углерода: вам требуется от 0,2 до 2,1 %, а после прохождения через домну вы можете получить до 4,5 %. Железо с высоким содержанием углерода (его также называют «первичный чугун») очень хрупкое: слишком легко ломается при изгибе или растяжении, чтобы его можно было использовать для строительства мостов или зданий, но его низкая точка плавления позволяет разливать материал по формам, чтобы получить сковородки, трубы и тому подобное.