Дмитрий Константинович Чернов (1839–1921)
С именем Д. К. Чернова связана целая эпоха в развитии металлургии. Его трудами были заложены научные основы сталелитейного дела.
…Это было почти 150 лет назад. Прославленная русская артиллерия переживала период своего перевооружения. Развивающаяся военная техника требовала повышения дальнобойности и меткости артиллерийских орудий, увеличения мощности их огня. На смену гладкоствольному оружию приходило оружие нарезное. Архаические пушки из бронзы заменялись стальными орудиями. Целая плеяда талантливых русских артиллеристов с большой энергией и настойчивостью работала над реконструкцией пушек. Чтобы создать первоклассные артиллерийские орудия из нового металла — стали, потребовалось решить труднейшие задачи в области технологии металлов и баллистики — науки, рассматривающей законы движения снаряда в канале орудия и в воздухе.
Участник Севастопольской обороны артиллерист Николаи Васильевич Майевский в 1855–1856 годах конструирует 60–фунтовую русскую пушку и формулирует основные законы проектирования артиллерийских орудий. Другой выдающийся артиллерист, также участник Севастопольской обороны, профессор Гадолин предлагает совершенно новый способ изготовления орудийных стволов. Ствол орудия начали делать не сплошным, а из нескольких труб, насаженных одна на другую. Это позволило выпускать артиллерийские стволы более легкими и в то же время более надежными, способными выдерживать очень высокие давления пороховых газов.
Казалось, основные задачи артиллерийского производства были уже решены. Около Петербурга возникают и быстро развиваются крупные металлургические заводы — Путиловский, Обуховский и др. В конце 50–х годов в России начинается производство стальных пушек.
Изготовление ствола тяжелого артиллерийского орудия было делом трудным. Прежде всего требовалась тяжелая стальная отливка. Однако тогда еще не было мартеновских печей и тем более печей электроплавильных, дающих возможность получать расплавленный металл сразу в больших количествах. Лучшая сталь, предназначенная для производства пушек и снарядов, варилась в тиглях старым способом. Тигель представлял собой сосуд, изготовленный из огнеупорного материала. Он вмещал, самое большее, несколько десятков килограммов металла. Чтобы отлить огромную болванку для ствола орудия, приходилось вести плавку одновременно во многих тиглях.
Тигельная плавка требовала большого мастерства. Нужно было правильно подобрать состав шихты, смешав в строго определенных пропорциях железо, чугун и железную руду. Процесс плавки требовалось вести таким образом, чтобы сталь поспела в одно и то же время в десятках тиглей.
Сталелитейный завод, построенный Обуховым на берегу Невы, считался в те времена технически совершенным предприятием. Его цехи были хорошо оснащены. Тяжелые стальные слитки проковывались под мощными молотами. Для механических испытаний металла из Англии была привезена новинка — громадная разрывная машина Киркальди. Русские инженеры уже тогда имели отличные рецепты для выплавки стали. Знаменитые сталевары, привезенные Обуховым из Златоуста, где в это время было налажено производство стального литья, умели давать металл хорошего качества. И все же дело не ладилось. Химический состав стали был безукоризненным, однако ее механические качества оставляли желать много лучшего. Нередко пушки разрывались при первых же выстрелах, причиняя тяжелые увечья артиллеристам.
Много и долго работали специалисты над тем. чтобы установить причины плохого качества орудий. Но все их искания оставались безуспешными. В высших кругах все настойчивее стали говорить о прекращении производства в России стальных пушек. Как раз в это время на Обуховский сталелитейный завод пришел молодой инженер Дмитрий Константинович Чернов. Его упорная исследовательская работа вскоре увенчалась блестящим успехом. Д. К. Чернов не только разрешил загадку плохого качества стальных орудий, но совершил настоящий переворот в области металлургии.
Д. К. Чернов родился в Петербурге 2 ноября 1839 года в семье мелкого чиновника. В девятнадцать лет он с отличием окончил Петербургский технологический институт, проявляя особую склонность к математическим наукам.
Способности Д. К. Чернова обращают на себя внимание профессоров. Его оставляют при институте преподавать математику. Однако он не только обучает студентов, но неустанно учится сам. В течение трех лет вольнослушателем молодой педагог проходит курс физико — математического факультета Петербургского университета.
Преподавательскую деятельность Д. К. Чернов совмещает с исполнением обязанностей помощника заведующего большой научно — технической библиотекой института. Жадно читает он техническую литературу, особенно книги, относящиеся к металлургическому производству.
Но увлекательная наука о металле делает свои первые робкие шаги. Может быть, это заставило молодого Д. К. Чернова временно оставить преподавательскую деятельность и прийти в темный сталеплавильный цех Обуховского завода, где искрился расплавленный металл, где, изнемогая от жары, рабочие и инженеры отливали пушки.
Сутками не выходит Д. К. Чернов из закопченных цехов огромного завода, из химической и механической лабораторий. Его часто можно встретить на артиллерийском полигоне. Тщательно изучает он выпускаемую заводом продукцию и вскоре приходит к выводу, что не все пушки одинаково плохи. Некоторые из них отличаются высокой прочностью и долговечностью, а другие разрываются при первых же выстрелах.
Внимательно исследует Д. К. Чернов места разрывов и убеждается в том, что сталь имеет крупнозернистое строение, в то время как орудия, показавшие продолжительный срок службы, отличаются мелкозернистой структурой металла при одинаковом химическом составе. Выходит, что из одного и того же металла можно получить разную по качеству продукцию. Все это заставляет молодого исследователя глубоко задуматься. «Если некоторые пушки получаются хорошими по качеству, — решает он, — значит, можно и нужно подобрать такие условия, при которых все пушки будут хорошими».
Шаг за шагом наблюдает Д. К. Чернов многочисленные звенья сложного процесса производства стального орудия. Сталелитейный цех выпускает тяжелые слитки. Химический анализ показывает, что полученная сталь полностью соответствует своему назначению. Затем слитки поступают в кузницу, нагреваются в печи до ярко — желтого цвета и, обжимаясь под мощными молотами, принимают вытянутую форму заготовок артиллерийского ствола. После остывания заготовки передаются в механический цех, где на металлорежущих станках производится их окончательная обработка.
Особое внимание уделяет Д. К. Чернов ковке металла, тогда наименее исследованной области металлообработки. Он наблюдает за цветом нагреваемых в печи слитков. В то время еще не было приборов, позволяющих измерять высокие температуры. Старые, опытные кузнецы научили Д. К. Чернова определять температуру металла «на глаз». Каждой температуре свойственен определенный цвет стали. При нагревании она последовательно принимает все цвета каления — от темно — красного до ослепительно белого, при котором металл начинает плавиться. Д. К. Чернов кует сталь, нагретую до различных температур, т. е. до различного цвета каления. Откованные образцы он испытывает на разрывной машине. Таким образом, ему удается установить, при каком температурном режиме ковки стальное изделие отличается наилучшими механическими качествами.
Проходит два года напряженной работы. В апреле 1868 года Д. К. Чернов докладывает Русскому техническому обществу о своих наблюдениях и выводах. Его сообщение сводится к следующему: при нагревании сталь не остается неизменной; в определенные, критические моменты она претерпевает особые превращения, изменяющие ее строение и свойства. Д. К. Чернов практически устанавливает критические точки, характеризующиеся внутренними превращениями в стали при нагревании. Эти точки известны теперь в науке под названием «точек Чернова».
Если нагреть стальное изделие до высокой температуры и затем быстро охладить его, опустив в воду или в масло, то изделие закалится, т. е. твердость его значительно возрастет. Калить сталь умели и раньше, однако Д. К. Чернов впервые подошел к этому процессу научно.
Если внимательно рассмотреть излом стального изделия, нетрудно убедиться в том, что сталь имеет кристаллическое (зернистое) строение. При нагревании стали величина зерен не остается постоянной. При повышении температуры наступает момент, когда изменяются и строение стали, и ее свойства. Д. К. Чернов проделывает многочисленные опыты. Он берет стальные образцы заведомо крупнозернистого строения, постепенно нагревает их до различных температур и затем быстро охлаждает. После этого ударом молота он ломает образцы и на изломе определяет величину зерна. Он наблюдает замечательное явление: оказывается, любая сталь, какую бы начальную величину зерна она ни имела, приобретает при нагревании до определенной температуры мелкозернистое строение.
«Нужно стремиться, — говорит Д. К. Чернов, — достигнуть того, чтобы наши орудия были по возможности мелкозернистого сложения; для этого следует, как мы видели, после нагрева болванки до высокой температуры, ковать ее до тех пор, пока она не остынет до нужной температуры…»
Выводы, сделанные Д. К. Черновым, явились для тогдашнего времени смелыми и даже дерзкими. Идеи 28–летнего исследователя были встречены недоверчиво, порой враждебно. Однако это его не смутило. Свой исторический доклад Техническому обществу он заканчивает словами: «Что касается вообще до проводимых мною идей, то я уже получил упреки в том, что слишком смело высказываю свои выводы; но пусть же я покажусь еще смелее и выскажу окончательное заключение из своих наблюдений в следующих словах: вопрос о ковке стали при движении его вперед не сойдет с того пути, на который мы его сегодня поставили». Молодой ученый был прав. Это лучше всего показало дальнейшее развитие металлургии и металлообработки. Общие принципы, установленные Д. К. Черновым, остались незыблемыми и до настоящего времени.
Прошло десять лет со времени знаменитого доклада о критических точках, и Д. К. Чернов сообщает о новой выдающейся своей работе. Она посвящена процессу затвердевания жидкой стали и изучению строения стального слитка.
В конце 70–х годов уже широко применялись новые способы производства стали — в мартеновских печах и ретортах Бессемера. Эти способы позволяли относительно легко получать большие стальные слитки. Однако процессы разливки жидкой стали и ее остывания еще не были изучены. Сейчас мы знаем, что разливка — это не просто механическая операция, а сложный и ответственный процесс, который нужно сознательно направлять и регулировать. Переход металла из жидкого состояния в твердое определяет качество будущего изделия, изготовленного из этого металла.
Д. К. Чернов установил, что расплавленная сталь образует при затвердевании не однородную массу, а сложную систему кристаллов. Это открытие легло в основу современного представления о строении литой стали и металлов вообще.
Д. К. Чернов долго и тщательно исследовал кристаллизацию самых разнообразных веществ. Он выращивал большие кристаллы поваренной соли. С интересом наблюдал он явления замерзания воды. Сохранились фотоснимки оконных узоров льда, один из которых, как указывает надпись, был сделан Д. К. Черновым зимой 1915 года, когда ему уже исполнилось 75 лет. Д. К. Чернов создает схему затвердевания жидкой стали, а затем подтверждает ее практически. В процессе затвердевания расплавленного металла прежде всего появляются так называемые центры кристаллизации, дающие основу для осей будущих кристаллов. Оси отбрасывают от себя многочисленные ветви, образующие скелет кристалла. Затвердевание начинается в зоне соприкосновения жидкой стали с холодными стенками массивного чугунного сосуда — изложницы, куда сталь налита. Расплавленный металл покрывается твердой коркой. Эта корка защищает жидкую сталь от быстрого охлаждения, процесс затвердевания замедляется, и кристаллы получают возможность вырасти до большой величины.
При остывании сталь уменьшается в объеме, однако внешние размеры слитка уже определены коркой затвердевшего металла. Жидкого вещества не хватает для заполнения внутренней полости слитка, часть его остается пустой, образуя так называемую усадочную раковину. В слитке, где находится большое количество кристаллов, их растущие ветви переплетаются друг с другом и взаимно друг друга искривляют. Однако бывают случаи, когда отдельный кристалл начинает расти в усадочной раковине. Такому кристаллу нет препятствий для роста со стороны других кристаллов.
Д. К. Чернов собирал и тщательно изучал эти обособленно выросшие стальные кристаллы. В его коллекции хранился громадный кристалл, найденный в усадочной раковине 100–тоНного стального слитка. Кристалл — уникум весил 3,45 килограмма, а длина его составляла 39 сантиметров. Фотография этого знаменитого кристалла, названного «кристаллом Чернова», и его классические схемы, объясняющие процессы кристаллизации, вошли во все руководства по металлографии и пользуются всемирной известностью.
В 1880 году Д. К. Чернов вынужден был покинуть Обуховский завод, которому он отдал 14 лучших лет своей жизни. Восьмидесятые годы прошлого столетия характеризовались развитием промышленности на юге России. Знаменитый русский химик Д. И. Менделеев указывает на «будущую силу, покоящуюся на берегах Донца». Эта сила заключается в богатейших запасах каменного угля, железных руд и других полезных ископаемых. Д. К. Чернов отправляется на юг, где в течение трех лет занимается разведками каменной соли в Бахмутском уезде Екатеринославской губернии. Разведки эти увенчались успехом: найденные Д. К. Черновым залежи соли начинают разрабатываться в промышленных целях.
В 1884 году Д. К. Чернов снова возвращается в Петербург. Работает главным инженером отдела по испытанию заказов Министерства путей сообщения. В 1889 году он приглашается руководителем кафедры металлургии находившейся тогда в Петербурге старейшей высшей военной школы в России — Артиллерийской академии. Эту кафедру он сохранял за собой до самой смерти.
Д. К. Чернов является автором ряда важнейших работ в области металлургии и металлообработки вообще и артиллерийского производства в особенности. При его непосредственном участии происходило перевооружение русской армии трехлинейными винтовками. Он разработал оригинальный метод термической обработки стальных бронебойных снарядов. Д. К. Чернов исследовал важный вопрос выгорания каналов стальных орудий при стрельбе, т. е., другими словами, стойкость стали против разрушительного действия газов высокой температуры.
Д. К. Чернов изучает полет птиц, присматривается к устройству и работе их крыльев и приходит к выводу, что человек может летать, опираясь на крылья. Он разрабатывает проект летательного аппарата, основной частью которого является воздушный винт — пропеллер, приводимый в действие специ — ально установленным двигателем. Задолго до появления первого аэроплана, на заседаниях Русского технического общества 17 и 23 декабря 1893 года, Д. К. Чернов подробно докладывает о возможности полетов без помощи баллона. Развитие авиации показало, что и в этом вопросе он стоял на верном пути.
Терпеливо и настойчиво изучал Д. К. Чернов характерные особенности старинных скрипок работы знаменитых итальянских мастеров. Он исследовал различные способы сушки и склейки дерева, форму изгиба скрипичных дек, различный состав лаков для покрытия скрипки. Собственноручно он изготовлял скрипки, и настолько хорошо, что даже специалисты зачастую затруднялись отличить старинные итальянские скрипки от скрипок, изготовленных ученым — металлургом.
Д. К. Чернов почти 30 лет преподавал в Артиллерийской академии. Он был замечательным педагогом. Его лекции захватывали слушателей. Несколько поколений русских артиллеристов прошло серьезную школу под руководством Д. К. Чернова. Уезжая на заводы, они не теряли связи со своим учителем, который всегда быстро и аккуратно отвечал на многочисленные письма, давал производственные советы и справки бывшим ученикам. Научный авторитет Д. К. Чернова был признан не только в России, но и далеко за ее пределами. Он состоял почетным членом Артиллерийской академии, Петербургских технологического и политехнического институтов, почетным председателем Русского металлургического общества и ряда других организаций. Он был избран почетным вице — председателем Английского института железа и стали, почетным членом Американского института горных инженеров и т. д.
Осенью 1916 года Д. К. Чернов опасно заболел и вынужден был выехать для длительного лечения в Крым. В первые годы после революции он не мог возвратиться в Петроград к своей большой преподавательской и научной работе. Эти годы больной 80–летний ученый жил впроголодь. В это время Д. К. Чернов получил приглашение переехать для работы в Англию. Однако он категорически отказался покинуть свою родину, которой отдал все свои силы.
2 января 1921 года Д. К. Чернов умер в Ялте.
Основные события жизни
1858 г. — Д. К. Чернов с отличием окончил Петербургский технологический институт.
1858–1861 гг. — В течение трех лет Д. К. Чернов проходит курс физико — математического факультета Петербургского университета.
1866 г. — Д. К. Чернов поступил на Обуховский завод.
1868 г. — Д. К. Чернов докладывает Русскому техническому обществу о своих наблюдениях и выводах по выплавке и закаливанию стали.
1880 г. — Д. К. Чернов покинул Обуховский завод и отправился на юг, где в течение трех лет занимался разведкой каменной соли.
1884 г. — Д. К. Чернов снова возвращается в Петербург, где работает главным инженером отдела по испытанию заказов Министерства путей сообщения.
1889 г. — Д. К. Чернов приглашается руководителем кафедры металлургии Артиллерийской академии.
1893 г. — На заседаниях Русского технического общества Д. К. Чернов докладывает о возможности механического летания без помощи баллона.
1916 г. — Д. К. Чернов вынужден выехать для длительного лечения в Крым.
