Многие полезные свойства железа и стали зависят от их кристаллической структуры. Нагревание и охлаждение могут существенно изменить свойства металла, поскольку при этом его кристаллическая структура меняется. Ч. Уолтон из г. Кливленда, инженер-механик и специалист в области металлургии, придумал, как экспериментально продемонстрировать те изменения, которые происходят при нагревании в обычной стали, представляющей собой сплав двух элементов — железа и углерода.
Хотя опыт и очень прост, он заключает в себе ряд загадочных физических явлений, которым еще не удалось дать подробное объяснение. Уолтон нагревал и охлаждал рояльную струну (сталь марки 29) длиной полтора метра. Он натянул ее горизонтально между двумя изоляторами, укрепленными на деревянных ящиках, и подсоединил к трансформатору, с помощью которого можно регулировать ток, пропускаемый по струне. Регулятор трансформатора он быстро устанавливал в положение, при котором на выходе создавалось напряжение 55 В; при этом напряжении ток в проволоке равен примерно 14 А. (Эта величина значительно выше допустимой для трансформатора, но, поскольку эксперимент длится очень короткое время, трансформатор не успевает выйти из строя.)
Струна нагревается током до такой степени, что удлиняется, провисает и вскоре раскаляется докрасна. После отключения тока накал исчезает и струна сжимается. Здесь-то и возникает первое загадочное явление: остывающая струна на какое-то мгновение вновь становится раскаленной и опять провисает. Только после этого она окончательно остывает. По какой-то причине остывающая струна излучает порцию энергии.
Что же является источником этого мгновенного излучения? Почему энергия не теряется постепенно, по мере остывания струны? Второе загадочное явление связано со скоростью остывания струны. Уолтон вторично нагревал струну, выключал ток и влажной губкой оборачивал на несколько секунд небольшой участок накаленной струны. Влага быстро охлаждала этот участок, а остальная часть струны остывала дольше. На том участке, где струна охлаждалась быстро, она становилась хрупкой и легко ломалась.
Сломанный конец был настолько твердым, что оставлял царапины на стекле. В тех местах, где струна остывала медленно, она не была такой хрупкой, и не ломалась так легко, а сломанный конец не царапал стекло. Почему же быстрое охлаждение участка струны изменяет его вязкость и твердость? Третья загадка Уолтона касается магнитных свойств струны. При комнатной температуре струна притягивается к небольшому магниту, удерживаемому вблизи нее. Когда же струна нагрета докрасна, она не проявляет никакой реакции на магнит.
Почему магнитные свойства материала зависят от его температуры? Иными словами, что заставляет холодную металлическую струну притягиваться к магниту? Тем, кто захочет повторить описанный опыт, Уолтон рекомендует взять проволоку диаметром 2 мм. Более тонкая проволока окисляется при накаливании настолько сильно, что ее хватает лишь на несколько циклов нагревания. А для накаливания провода большего диаметра потребуется слишком большой ток.
Во время опыта следует соблюдать осторожность и не дотрагиваться до проволоки, когда по ней пропускается ток. Это опасно для жизни! Не забывайте отключать трансформатор от сети, перед тем как вы будете подносить магнит к проволоке или обжимать ее влажной губкой. Чтобы ответить на вопросы, сформулированные Уолтоном, можно начать с исследования железа — основного компонента стали. Железо — аллотропное вещество, т. е. в твердом состоянии оно может иметь несколько различных кристаллических форм.
Обычно кристалл представляют в виде расположенных в определенном порядке мельчайших элементарных ячеек, состоящих из нескольких атомов. В целом кристалл — это серия повторяющихся элементарных ячеек. При комнатной температуре элементарная ячейка твердого железа имеет форму куба с одним атомом в центре и восемью другими атомами, расположенными в вершинах углов. Говорят, что этот кристалл имеет объемноцентрированную кубическую решетку. Железо с такой структурой называют а-железом, или ферритом.
Железо состоит из множества самостоятельных кристаллических областей, называемых зернами. Внутри каждого зерна элементарные ячейки ориентированы одинаково, но ориентация зерен произвольна. Зерна формируются в процессе остывания горячего железа, и кристаллы начинают расти в местах образования зародышей до тех пор, пока они не начнут соприкасаться друг с другом, образуя матрицу зерен.
При нагревании железа до 910°С объемноцентрированная кубическая решетка превращается в гранецентрированную кубическую решетку, характерную для у-железа, или аустенита. Кубическая ячейка у-железа имеет атомы в вершинах углов и в центрах граней. В этом случае тоже образуются зерна, каждое из которых представляет собой кристалл с определенной ориентацией.