Дмитрия Чернова называли «отцом русской металлографии» и считали одним из самых талантливых инженеров своего времени. Это он стоял за феноменальным успехом металлопромышленника Обухова и помог ему обогнать немецкого «пушечного короля» Альфреда Круппа. Его называли вторым Менделеевым, потому что он перевернул представления о металлургии. Память о нем и о времени, когда пушки взрывались через одну, первые стальные корабли примерзали к стапелям, а металлургам приходилось работать без термометров, сохранилась в Музее Военной академии Ракетных войск стратегического назначения (ВА РВСН) имени Петра Великого в виде двух артефактов: поразительного стального кристалла и лаконичного булатного клинка. Но история открытий Чернова гораздо шире.
Обуховский сталелитейный завод в шестидесятые годы XIX века оказался фактически на грани закрытия, а его основатель промышленник Павел Обухов мог потерять дело всей жизни. Казалось, у него было все для того, чтобы преуспеть: прорывная технология, собственное производство на левом берегу Невы в селе Александровском и большие заказы от российской армии. Они возникли во многом благодаря поражению России в Крымской войне в 1856 году. Тогда выяснилось, что отечественная артиллерия заметно отстает от французской и английской. На фоне западных орудий российские пушки были как мушкеты против трехлинеек, тем более что отливали их по старинке — из бронзы и чугуна.
В мире тем временем наступала эпоха промышленной стали. Она прочнее, пластичнее, лучше поддается ковке, хотя оружейники поначалу не умели с ней обращаться. Металлургия в то время была скорее ремеслом, чем точной наукой, поэтому особенности стали выясняли на практике. Уже после Крымской войны в Лондоне построили цельнометаллическое судно «Воин», которое примерзло к стапелю во время спуска на воду. Это было шоком, ведь с деревянными кораблями такого не случалось.
Как бы то ни было, западная сталепрокатная индустрия развивалась огромными темпами. Немецкий промышленник Альфред Крупп в 1861 году разработал многотонный паровой молот «Фриц», который обрабатывал сталь на совершенно новом технологическом уровне и позволял производить крупные стальные изделия очень высокого качества в огромных объемах. Очень скоро Крупп превратился не просто в крупнейшего металлопромышленника Германской империи, но и в главного производителя стальных пушек в мире.
Но в российской армии не очень хотели связываться с «пушечным королем» и ставить свои вооружения в зависимость от импорта, тем более что в стране стальные пушки уже были, правда пока в виде прототипов Павла Обухова. У него был большой опыт работы с металлом. Обухов окончил Петербургский институт Корпуса горных инженеров с золотой медалью, ездил в Пруссию, Бельгию и на завод Круппа в Германии, чтобы изучить новые тенденции в металлургии. До 1854 года Обухов был руководителем Кушвинского чугуноплавильного завода под Екатеринбургом и лично проводил эксперименты по усовершенствованию производства стали. Первым начал выплавлять сталь высокого качества, что позволило России значительно сократить импорт этого металла.
В 1860 году под руководством Павла Обухова был создан опытный образец четырехфунтовой стальной пушки. Она выдержала 4 017 выстрелов во время испытаний в 1860–1861 годах, тогда как иностранные пушки могли делать не более двух тысяч выстрелов. Тигельная сталь Обухова обладала еще одним преимуществом: цена на нее была ниже, чем на английскую или крупповскую. Крупповские пушки обходились казне в 45 рублей за пуд, а обуховские — в 16 рублей за пуд, при этом качество орудий Обухова признали в Англии. Его четырехфунтовая стальная пушка была отмечена золотой медалью Всемирной выставки в Лондоне.
В 1863 году Обухов совместно с двумя промышленниками основал в Санкт-Петербурге крупный сталелитейный завод. Предприятие получило много заказов от российской армии, однако уже во время работы выяснилось, что 50 процентов орудий получались бракованными. Во время выстрелов некоторые пушки взрывались, артиллеристы получали травмы и погибали. Но хуже всего было то, что никто не мог понять, почему происходили взрывы.
Для литья пушек использовалась одинаковая сталь, которую обрабатывали на одном и том же оборудовании, на одном и том же заводе. Очевидно, существовал какой-то неучтенный фактор, что-то в самой физике металла давало сбой, но о том, как устроена сталь на уровне кристаллической решетки, тогда никто не знал. Собственно, даже о кристаллических решетках еще никто не догадывался. В Морском министерстве стали сомневаться, надо ли вообще производить стальные пушки в России или, возможно, лучше все-таки доверить это Круппу.
Решение проблем Павла Обухова и его завода пришло вместе с молодым и никому в то время неизвестным инженером Дмитрием Черновым.
Слепота, эксперименты и революция в понимании стали
Дмитрий Чернов родился в 1839 году в Санкт-Петербурге в небогатой семье. Его отец был фельдшером, а мать — бывшей крепостной. В 1858 году Чернов закончил Санкт-Петербургский технологический практический институт со званием горного кондуктора первого класса и серебряной медалью. Первым местом работы Чернова стал Монетный двор. Именно здесь он впервые обратил внимание на то, что одни стальные болванки изнашиваются быстро, а другие нет. Ему хотелось понять, в чем дело.
До работы на Обуховском заводе Дмитрий успел побыть преподавателем математики в Технологическом институте, служил помощником в одной из библиотек и посещал как вольнослушатель Московский университет. На завод он пришел в возрасте 27 лет. Молодому инженеру поручили разобраться, почему возникает брак в стальных пушках.
То, что завод, да и вся индустрия, переживает крупнейший технологический кризис и рискует лишиться заказчиков, Чернова не интересовало, отмечает Стелла Морозова, заведующая отделом научно-методической работы Политехнического музея. Ученому было важно получить возможность проводить свои исследования. На решение «стального вопроса» у Чернова ушло два года. Обуховский завод фактически стал для него экспериментальной лабораторией.
При этом молодому инженеру приходилось работать без каких-либо специальных приборов для измерения температуры металлов в состояниях, близких к точке плавления: их попросту не было. Поэтому Чернов стал ориентироваться на цвет металла при литье и ковке. Он брал кусочки стали, нагревал их до различных температур, затем рассматривал полученные образцы под микроскопом и взрывал на специальной машине. Чернов любил работать руками. Так, впоследствии изучая свойства булата, он собственными руками выковал булатный клинок, который теперь хранится в Музее ВА РВСН.
Из-за перегрузок Чернов частично потерял зрение: один глаз у него ослеп. Однако ученый понял, почему в пушках возникал брак, и быстро осознал, что это изменит индустрию навсегда. Чернов писал: «До сих пор наши взгляды и предубеждения относительно обработки стали чрезвычайно ложны в своих главных основаниях».
Критические точки металлурга Чернова
Ученый выяснил, что пушечные стволы, казавшиеся абсолютно одинаковыми, на самом деле категорически различались на микроскопическом уровне. Разница была в строении изломов стали. У рабочих стволов изломы были мелкозернистыми, а у бракованных — крупнозернистыми. Сегодня мы знаем, что разница в строении кристаллической решетки влияет на частоты собственных резонансов при ударной нагрузке и общую прочность, потому что у нас в руках есть огромная и невыносимая для студентов теория материаловедения. Но у Чернова ее не было. Он понял, что при нагреве и охлаждении сталь проходит через несколько точек, и от этого зависит структура материала. Ученый назвал эти точки критическими.
Самые важные из них — a и b. В наше время мы знаем, что точке а соответствует температура около 950 кельвинов. Если сталь не нагреть до этого состояния, ее невозможно будет закалить. Но у Чернова не было термометра, он пользовался исключительно визуальными наблюдениями. Поэтому точку а он назвал «точкой темно-вишневого каления». Точка b — вторая важная критическая температура, примерно 1 420 кельвинов. Ее Чернов видел как «красное, неблестящее каление». «Сталь, будучи нагретой ниже точки b, не изменяет своей структуры, медленно или быстро после того она охлаждается», — пояснял Чернов. Если сталь будет нагрета ниже точки b, то она не изменит своей структуры. Следовательно, металл должен перейти эту точку, тогда у него не будет крупнозернистой структуры.
От теории Чернов перешел сразу к практическому решению проблемы с пушками. Он писал: «Нужно стремиться достигнуть того, чтобы наши орудия были по возможности мелкозернистого сложения. Для этого следует, как мы видели после нагрева болванки до высокой температуры, ковать до тех пор, пока она не остынет до температуры, обозначенной мною точкой b. Тогда вместе с изменением куска в данную форму мы не дадим ему кристаллизоваться и по возможности приблизим структуру его к аморфной массе».
Критические точки Чернова используются в металлургии и сегодня, только называются иначе. Точка a стала A1, b — A3, а Чернов — первым, кто смог графически представить внутренние превращения в стали при достижении критических температур. Графический метод Чернова послужил основой для развития диаграмм плавкости и состояния равновесных систем. Кроме того, благодаря этому появился главный лабораторный метод исследования металлических сплавов и других веществ: термический анализ.
Открытие ученым критических точек перевернуло представление о металлургии. Оно стало импульсом и фундаментом для работы других исследователей, в том числе английского металлурга Уильяма Чандлера Робертса-Остена и немецкого металлографа Адольфа Мартенса. По словам химика и начальника отдела металловедения Института металлургии Академии наук СССР Александра Байкова, благодаря Чернову состоялся переход металлургии «из состояния ремесла и эмпирического искусства в стройную научную дисциплину, основанную на строгих и точных законах природы».
Возвращение короля
Обуховский завод между тем процветал и стал постоянным поставщиком Морского и Военного ведомств. «Обуховский завод стоит совершенно на одном уровне с самыми лучшими из иностранных пушечных заводов и может похвалиться перед ними тем, что ни одно из 1 260 уже сделанных им орудий не разорвалось на службе» — говорилось в заключении Морского министерства. Российская империя сэкономила миллионы золотых рублей, потому что благодаря Чернову необходимость заказывать стальные пушки у промышленника Круппа отпала. Если раньше брак составлял 50 процентов, то после внедрения разработок Чернова годных орудий стало производиться больше 95 процентов.
Одним из самых любопытных орудий, выпускаемых заводом, стала 11-дюймовая береговая пушка. Первые ее образцы были разработаны еще в 1867 году, но активно производилась она с 1872 по 1892 годы. Эти пушки были на вооружении российских крепостей, в частности в Кронштадте, и успешно прошли боевое крещение во время русско-турецкой войны в 1877–1878 годах. Они считались самым мощным оружием береговой российской артиллерии и гораздо чаще пробивали корабельную броню, чем, например, английские 12-дюймовые пушки. 29 апреля 1877 года с помощью 11-дюймовых пушек Обуховского завода было потоплено броненосное судно неприятеля «Лютфи-Джелиль». Впервые броненосец был уничтожен береговыми орудиями.
Обуховский завод с помощью Чернова успешно выполнял и другие государственные заказы. Так, нужно было начать выпускать 11- и 12-миллиметровые стальные пушечные снаряды. Завод занялся производством, но неожиданно обнаружилось, что снаряды, как когда-то пушки, получаются с браком и разрываются до того, как достигают цели. У Обуховского завода были не только неполадки с производством, но и серьезный конкурент — Альфред Крупп. Если в прошлый раз ему хотели доверить создание пушек для российской армии, то теперь могли заказать качественные снаряды.
Чернов снова начал экспериментировать. Он придумал сделать внешнюю часть ядра из твердой стали, а центр из мягкой. Это сработало. Во время эксперимента снаряд, усовершенствованный Черновым, решили сравнить с работой Круппа. Оба положили под пятитонный молот. Снаряд Чернова выдержал 15 ударов и только потом развалился, а снаряд Круппа — лишь два.
Однако ученому этого было мало. Он понимал, что не все свойства стали изучены, и стремился довести работу до конца. Чернов продолжал изучать критические точки. В 1878 году он сделал новое открытие: понял, что существует еще одна важнейшая температурная граница, так называемая точка d. Она соответствует температуре 470 кельвинов. Именно до этого значения нужно охлаждать сталь, чтобы произошла полная закалка.
Как Дмитрия Чернова выгнали со ставшего почти родным завода, какой ещё он внёс вклад в российскую науку и почему «второго Менделеева» сегодня почти не помнят — читайте на сайте проекта Политехнического музея «Памятники науки и техники», который вырос из нашей исследовательской программы.
За тридцать лет существования программы в коллекции скопилось более 1500 артефактов, которые рассказывают историю развития технической и научной мысли в самых разных уголках страны. На сайте появятся 150 предметов из музеев 20 российских городов — их выбрали, чтобы не просто описать, но и рассказать об исторических эпохах, которым они принадлежали, людях, которые ими пользовались, и отраслях знания, на которых стоит фундамент современной российской науки и техники.
Проект реализуется при поддержке Фонда президентских грантов.
#президентскиегранты #фондпрезидентскихгрантов
#наука
#политехническиймузей
#оружие
#история