Химия навсегда. О гороховом супе, опасности утреннего кофе и пробе мистера Марша

Можно представить это следующим образом. Без углерода у атомов железа больше свободы движения, что делает материал крепким, поскольку примененная к нему сила встречается с микроскопическими движениями атомов. Когда пустые места заняты атомами углерода, возникает гораздо большее количество взаимодействий между атомами, некоторые из которых находятся на грани обычных химических связей, и это делает материал гораздо более жестким, но в то же время более хрупким, поскольку у атомов остается меньше возможностей перемещаться так, чтобы противостоять внешнему воздействию. Или же вы можете представить себе, что в чистом металле атомы вставлены в плотное желе из электронов; когда мы добавляем туда атомы углерода, это желе частично замещается шаростержневыми соединениями между атомами углерода и железа – такие связи крепкие, но, если их разорвать, они не восстановятся.

Важную роль играет не только содержание углерода; ключевыми факторами являются также время, проведенное при различных температурах, скорость остывания и добавление других легирующих металлов. Все это превращает сталь, каким бы старинным материалом она ни казалась, в высокотехнологичный сплав, поскольку металлурги и материаловеды продолжают открывать инновационные способы производства новых ее видов.

На протяжении первых 4000 лет производства стали тогдашние химики и металлурги не слишком хорошо представляли себе, что именно они делают, и поэтому им было непросто оптимизировать процесс сталеварения. Добавьте к этому трудность, которую представляет собой огромный и весьма разнообразный спектр железных руд в природе – часто неприятностей добавляют содержащиеся в них атомы фосфора и кремния, – и вы сможете оценить сложность этой задачи. В результате копирования успешного метода можно и не получить хороший продукт, потому что использовалась руда из другой шахты. Во время своих путешествий по Англии Ангерштейн надлежащим образом записывал происхождение сырья, которое использовалось на различных металлургических заводах страны, и, без сомнения, с удовольствием отмечал, что лучшая сталь получалась из руды, добытой в шахте Даннемора к северу от Стокгольма.

Первым сталеварам не хватало хорошей карты и возможности рассмотреть детали своей продукции на атомном уровне. Простой вариант такой карты приведен на рисунке 10; ее более правильное название – фазовая диаграмма «железо – карбид железа».

На этой карте есть два вида координат. Двигаясь слева направо, вы идете от чистого железа к материалу, в котором на каждые четыре атома железа приходится по одному атому углерода (20 % углерода по числу атомов, а не по массе, что по-другому можно записать как «20 ат.% С»). Двигаясь снизу вверх, вы смотрите за температурой, которая увеличивается с 600 °C до 1600 °C, и в конце концов вы получаете жидкость (или, если угодно, расплав) – это темно-серая область. Области, расположенные сразу под ней, обозначают смеси «жидкость – твердое» (такие как лед и вода, сосуществующие при 0 °C), а под ними находятся твердые фазы (разные виды стали/чугуна), которые отличаются друг от друга деталями атомного строения.

В левой части диаграммы (до 9 ат.%) находятся различные виды стали, а правее этой цифры – чугун. В энциклопедии Кирка-Отмера по химической технологии объяснению этой диаграммы для подкованных инженеров-химиков отведено две страницы, так что я не буду вдаваться в дальнейшие подробности, упомяну лишь две вещи. Качество стали критически зависит от того, в какой части диаграммы вы находитесь, и, охлаждая сталь достаточно быстро, вы можете, к примеру, получить сталь, которая сохраняет свое высокотемпературное строение и никогда не превращается в тот вид, который вы теоретически должны получать в низкотемпературных областях. Также существует возможность получить сталь с различным расположением атомов на поверхности и внутри.

Рисунок 10. Железоуглеродная карта стали с содержанием углерода от 0 до 20 ат.% и температурой от 600 °C до 1600 °C (при температуре ниже 600 °C ничего не изменится), известная также как фазовая диаграмма «железо – карбид железа». При содержании углерода выше 9 ат. % получается чугун, ниже – сталь. Названия обозначают различные фазы с разным расположением атомов. Это упрощенная диаграмма.

Так что секрет, который хранил Бенджамин Хантсман из Шеффилда, представлял собой лучший способ контролировать и оптимизировать процентное содержание углерода в железе и различное расположение атомов, что делало производимую им сталь лучшей из существовавших в то время.