Борьба за скорость - Ляпунов Борис Валерианович (читать книги полные TXT) 📗
Однако металл турбины выдерживает эту огромную нагрузку. Он работает, кроме того, при высокой температуре — пар поступает на лопатки перегретым примерно до 500° и даже выше. Можно ожидать, что в ближайшие годы температура пара в турбинах возрастет до 700–800°, а газа в газовых турбинах — до 1000°.
Пар или газ разъедает металл, потому что действует на него химически. А когда пар остывает, мельчайшие водяные частички, несущиеся со сверхзвуковой скоростью, истирают металл, разрушая его.
Лопатки турбины могут к тому же вибрировать, колебаться с большой частотой, так как пар или газ поступает на них прерывистой струей.
Пожалуй, если бы я попробовал перечислить и объяснить все, что мы требуем от металла турбины, это заняло бы целую главу. А коротко это займет одну строчку: прочность — механическую, химическую, вибрационную, тепловую.
Таким прочным металлом располагает современный инженер.
Железо выдерживает напряжение всего 2 тонны на квадратный сантиметр. А теперь существуют сплавы железа — стали, выдерживающие 20 тонн на квадратный сантиметр. В 10 раз удалось увеличить прочность железа! Прочность легких авиационных алюминиевых сплавов в 8 раз больше, чем у чистого алюминия.
Сплавы жаропрочные переносят температуры до 1000°. Сплавы холодостойкие не теряют прочности при температурах, близких к абсолютному нулю, к минус 273°. Технике нужны сплавы для работы при давлении в сотни и тысячи атмосфер и при глубоком вакууме, когда давление близко к нулю, — и такие сплавы есть теперь.
Этот перечень можно значительно продолжить.
Словом, выбор у современного инженера неизмеримо больше, чем у его предшественников. Прочность — одно из главнейших свойств, важных для машиностроителя, — выросла у основных материалов в 5— 10 раз.
Как добилась техника таких успехов?
Учение о свойствах и поведении металлов стало путеводной звездой для металлургов, создателей новых сплавов. Новые способы исследования и испытаний дали им возможность заглянуть во «внутренний мир» металла. И все это позволяет ныне «управлять» металлом, менять его свойства сознательно, в нужную нам сторону.
Может быть, слово «управлять» и вызовет улыбку, когда речь идет не о машине, а о мертвом металле. Но какое еще слово могло бы так же точно выразить то, что творят металлурги!
В центробежных воздушных машинах (компрессорах) металл работает при десятках тысяч оборотов в минуту. Он обладает огромной прочностью при невысоких температурах.
В камерах сгорания ракетных двигателей металл работает при 1000°. Он жаростоек при небольших нагрузках, ведь камера неподвижна.
Но как сделать прочный металл жаростойким, а жаростойкий прочным? Как создать жаропрочный сплав, нужный турбинам?
60 тысяч оборотов в минуту и больше развивают опытные газовые турбины. При этом диски турбин раскаляются докрасна, так что светятся в темноте. Центробежная сила стремится разорвать диск, вырвать, из гнезд лопатки, расшвырять их, как камни из гигантской пращи.
Иногда случались такие аварии турбин, когда части машин находили за несколько километров от электростанций. Прочный металл, накаленный докрасна, перестает быть прочным.
История создания каждою нового сплава — это повесть о творческих исканиях, упорном труде целого коллектива людей и в то же время «коллектива наук», потому что в создании новых металлов принимают участие физики и химики, теплотехники и металловеды.
В каждом новом сплаве не только химические элементы. В нем: не только доли процента углерода и марганца, молибдена и кобальта, проценты хрома, никеля и вольфрама. В нем еще и другое, что не измеришь процентами, что не запишешь химическими формулами. Это новаторство советских инженеров, содружество людей науки и производства — великая сила нашею технического прогресса.
А о том, насколько успешен их труд, говорят Сталинские премии, каждый год отмечающие достижения ученых и производственников… В числе лауреатов Сталинских премий — создатели новых чудесных сплавов.
Мы научились управлять свойствами сплавов, создавать их «по заказу», чтобы строить множество нужных нам машин, которые работают все быстрее, которые не боятся самой тяжелой, самой трудной работы..
…Чудесный сплав! Пожалуй, раньше он и впрямь показался бы чудом.
Возьмем, например, тот же сплав для лопаток газовых турбин. Создать такой сплав — труднейшая задача.
Ведь это должен быть не только жаропрочный сплав, иначе говоря, прочный при нагреве. Он и на холоде должен быть прочным. А то может случиться, что нос вытащишь, хвост увязнет: металл, прочный на жаре, потеряет прочность на холоде, станет ломким, хрупким.
Сплав для лопаток должен иметь высокую «усталостную прочность», как можно меньше уставать.
Кончаются ли на этом требования к сплавам?
Нет.
Если пар разъедает лопатки, то о горячих газах, где мною к тому же кислорода, и говорить не приходится. Самый жаропрочный, с высокой усталостной прочностью сплав не выдержит, если попадет в струю горячего воздуха. Лопатки постепенно покроются окалиной. Окалина — язва на металле. Лишь благородные металлы избавлены от нее. Но не сделаешь же турбину из золота или платины! А другие металлы и сплавы окисляются. Этого нельзя допустить.
Но предположим, что с трудностями мы справились. Всё? Нет, далеко не все.
Надо помнить, что новый сплав придется обрабатывать — ковать, штамповать, сваривать, резать на станках.
Неожиданности здесь могут подстерегать на каждом шагу.
Прочные сплавы обычно очень сложны по составу. Иногда до десяти различных элементов входят в такой сплав. Каждый из них вносит что-нибудь свое: один помогает бороться с окислением, другой облегчает ковку, третий повышает усталостную прочность.
И вместе они помогают решать одну задачу: создать нужный для нашей машины материал.
Теперь еще раз вопрос: всё? Нет. Одним лишь усложнением состава задачу полностью не решишь. Здесь приходит на помощь другой способ управления сплавом, его свойствами.
Способ этот — тепловая обработка. Он так же стар, как и сами металлы.
Закаливать металл умели очень давно. Закаленный металл — уже другой металл, с другими свойствами. До закалки он мягок, после — тверд и хрупок.
Тепловая обработка, нагрев и охлаждение — могучее средство управлять металлом. Раньше здесь шли вслепую. Русские металлурги, проникшие во внутренний мир металла, разгадали его тайны. Знание дало возможность выбирать правильный путь, в подлинном смысле слова управлять металлом.
Закаленный — нагретый и быстро охлажденный — клинок срубает молодое деревцо. Тем же клинком, если его нагреть и медленно охладить, нельзя срубить и прутик.
В чем же здесь секрет?
Металлы состоят из кристаллов — зерен. «Кирпичики» — кристаллы, оказывается, могут менять свою форму при нагреве или охлаждении. Меняются при этом и свойства металла.
Конечно, на деле не все обстоит так просто, как мы сказали, но основа, суть такова.
В технике, однако, редко пользуются чистыми металлами. Их соединение, сплав — вот с чем обычно имеет дело инженер.
Когда рождается сплав, происходят сложнейшие превращения.
Бывает, что атомы металлов соединяются, образуя химические соединения. Эти соединения могут «цементировать» весь сплав, делать его прочным. Прочная основа служит в нем как бы скелетом.
Разными добавками, разной тепловой обработкой можно получить и разное внутреннее строение сплава, разные его свойства.
Известно, например, что хром стоек к окислению. При окислении сначала на нем получается тончайшая пленка из окисла. Это «самозащита» металла. Он сам предохраняет себя от разрушения — дальше окисление не идет. Вводя в сплав хром, мы повысим стойкость сплава. Вот почему хром есть во всех марках нержавеющей стали.
Вольфрам в железных сплавах соединяется с углеродом. Химические соединения углерода и вольфрама — карбиды— придают сплаву высокую твердость. Вот почему вольфрам мы встретим в инструментальной стали, где твердость — первое требование. Ведь резцами из такой стали режут металлы.
