Наука и жизнь // Иллюстрации

2. Охарактеризуйте сегодняшнее состояние той области науки и техники, в которой вы трудитесь. Какие работы последних лет вы считаете самыми главными, имеющими принципиальное значение?

3. На какие рубежи выйдет ваша область науки через 20 лет? Какие кардинальные проблемы, по-вашему, могут быть решены, какие задачи будут волновать исследователей в конце первой четверти XXI века?

Редакция обратилась к ученым и специалистам - авторам журнала - с просьбой ответить на короткую анкету "Вчера, сегодня, завтра", имея в виду проблемы науки, ее достижения и перспективы на будущее. (см. "Наука и жизнь" №№ 9, 12, 2004 г.; и №№ 1, 2, 3, 4, 5, 9, 2005 г.) Продолжаем публикацию ответов.

Моя специальность - металловедение и термическая обработка металлов и сплавов. Я и мои коллеги изучаем, как влияет химический состав и структура металлов и сплавов на их свойства, а также как меняются структура и свойства при термической обработке или при других внешних воздействиях.

В настоящее время металловедение очень близко примыкает к физике металлов и физике твердого тела. В то же время металловедение можно рассматривать как составную часть более общей отрасли науки и промышленности - металлургии.

Для России, особенно для Урала, металлургия представляет собой одну из базовых отраслей индустрии. Многие металлургические заводы региона оказались градообразующими предприятиями, и от их работы зависит благополучие населения.

Конечно, операции термической обработки внешне выглядят не столь эффектно, как разливка чугуна или стали, когда огненные потоки расплавленного металла льются из домны, мартена или конвертера. Они не так завораживают, как вид бесконечных раскаленных лент или прутков, несущихся в клетях прокатных станов со скоростью курьерского поезда. Тем не менее термическая обработка давно стала неотъемлемой составляющей металлургии, поскольку позволяет существенно улучшить свойства сталей и других сплавов.

Сейчас в навязчивой телевизионной рекламе сплошь и рядом слышишь, что "создано совершенно новое средство, которое эффективнее прежнего на целых 37,5%". Нас убеждают, что это якобы очень большая величина. Так вот, для сравнения: в результате закалки и низкого отпуска некоторых среднеуглеродистых низколегированных сталей можно повысить значение важной технической характеристики - предела текучести, с 280 до 1670 МПа. Иначе говоря, только с помощью термической обработки, не меняя химического состава стали, удается повысить прочность на 600%, или в семь раз. По существу, мы получаем новый материал.

Наибольший эффект дает термическая обработка высоколегированных сталей, которые используются для наиболее ответственных конструкций, требующих уникального сочетания различных свойств, недостижимого для других материалов.

1. Двадцать-тридцать лет назад мы жили в условиях жесткого противостояния США и СССР. Каждая сторона старалась превзойти другую в силе своих "мускулов". Усиленно развивалась оборонная промышленность, которая должна была снабжать страну различной военной техникой, в том числе авиакосмической. Все это требовало создания новых материалов с особыми, в том числе и трудно достижимыми характеристиками. Над задачей трудились тысячи научных работников и инженеров в десятках институтов, в лабораториях и конструкторских бюро. Благодаря их усилиям были получены сплавы с особо высокими прочностью и жаростойкостью, высокой ударной вязкостью при криогенных температурах, появились износостойкие материалы с низким коэффициентом трения. Активно развивалась теория, и разрабатывались новые экспериментальные методики изучения строения сплавов, дефектов кристаллической структуры, например влияния точечных и линейных дефектов на свойства материалов, особенностей структурных и фазовых превращений, происходящих в сплавах при различных внешних воздействиях. Создавались уникальные установки и приборы, позволявшие исследовать и многотонные изделия, и микроскопические образцы. Так, электронные просвечивающие и сканирующие микроскопы оснащали дополнительными приставками: они позволяли получить данные о фазовом и химическом составе образцов и их отдельных составляющих, в которых насчитывается всего несколько десятков атомов.

Диапазон размеров исследуемых образцов, измерявшихся и метрами (слитки, балки, детали конструкции) и микронами (образцы для электронного микроскопа), настолько широк, что для их изучения потребовались совершенно разные методы. Металловедение фактически разделилось на два направления: теоретическое (лабораторное), которое рассматривало общие закономерности строения материалов и процессы, происходящие в них, и техническое (промышленное), которое занималось отработкой технологий, внедрением полученных результатов в промышленность. Исследователи, относящиеся к первому направлению, были преимущественно сосредоточены в академических институтах и вузах. Представители технического металловедения работали, как правило, в отраслевых научно-исследовательских институтах и заводских лабораториях. Между обеими группами исследователей была налажена тесная связь, так как все занимались, по сути, одним общим делом. Итогом такого симбиоза стали многие замечательные образцы техники, которые и в настоящее время не утратили своего значения.

2. Распад Советского Союза и последовавший экономический кризис, охвативший всю промышленность, сильно ударили по техническому металловедению. Большинство НИИ закрылось, в оставшихся существенно сократился объем исследований. Отсутствие заказов и соответственно нищенская зарплата привели к массовому уходу исследователей в другие сферы деятельности. Многие заводы практически перестали производить специальную технику, были закрыты или существенно сокращены заводские лаборатории. Спрос на специальные сплавы упал до минимума. Огромное количество высококвалифицированных специалистов покинули свои рабочие места. В этой области стране был нанесен огромный ущерб.

Несколько лучшим оказалось положение теоретического металловедения. Многие академические лаборатории и некоторые вузовские коллективы сохранили достаточное количество квалифицированных кадров для продолжения исследований, хотя и здесь значительная часть ученых, особенно среднего возраста, вынуждена была уйти из науки. Существенно постарела и экспериментальная база, которая не обновлялась пятнадцать лет. Между тем современные исследовательские установки и приборы стоят по миллиону долларов. Необходимо было приобрести хотя бы несколько десятков экземпляров, чтобы оснастить ими центры коллективного пользования. Но в стране должных денег не находилось. Скудных средств научных грантов хватало лишь на приобретение персональных компьютеров. И это было благом, поскольку исследователи получили возможность по-иному построить свою работу. Доля эксперимента в исследованиях уменьшилась, но больше внимания стали уделять обработке полученных результатов, различным расчетам. Многие исследователи занялись математическим моделированием процессов и фазовых превращений. Однако этот, бесспорно положительный, метод исследования не может целиком закрыть проблему: если не сопоставлять результаты моделирования с экспериментом, то можно уйти в виртуальную область, в своеобразное "зазеркалье".

В самое последнее время наметилось некоторое улучшение ситуации. У Академии наук начали появляться небольшие средства на покупку оборудования для центров коллективного пользования, и к нему теперь есть доступ у многих научных коллективов. Это помогает отчасти возродить нашу науку, если ее вновь не разрушат непродуманными законами. Многие из этих законов принимают без всякого обсуждения с научной общественностью, без детального анализа существующего положения и без понимания коренных различий между наукой и бизнесом.

Улучшение наблюдается и в техническом металловедении. На заводах поняли, что нельзя выпускать конкурентоспособную продукцию, осваивать новые материалы без квалифицированных специалистов. Нельзя все время жить на старом научном багаже, тем более, что ситуация с рудной базой, с легирующими элементами, с заводскими агрегатами, печами и станами коренным образом изменилась. Многие металлургические предприятия: Магнитогорский и Нижнетагильский металлургические комбинаты, завод "Мечел" и ряд других - в последнее время больше внимания стали уделять исследовательским работам. Но говорить об окончательном решении столь насущной проблемы еще рано. Достаточно небольших рыночных потрясений, и поддержка науки, скорее всего, будет прекращена.

3. Ныне мы можем смотреть в будущее со сдержанным оптимизмом. В металловедении произойдет некоторая смена приоритетов. Прежде всего, усиленно будут разрабатываться оптимальные химические составы и способы термической и термомеханической обработки низколегированных сталей, чему прежде уделяли мало внимания. Эти сорта сталей жизненно необходимы народному хозяйству, так как они широко применяются в производстве труб для нефте- и газопроводов, в строительстве и на транспорте. Их нельзя повсеместно заменить высоколегированными сталями, хотя те имеют более высокую прочность, - в природе просто не хватит легирующих элементов. Неизбежно будут появляться стали нового состава, и это произойдет не только из-за истощения или резкого удорожания некоторых используемых в настоящее время легирующих элементов. При выплавке стали вместе с легирующими добавками в нее попадают и вредные примеси. Чтобы этого не происходило, потребуется микролегирование сталей. Для новых сталей придется разработать и новые способы термической обработки, которые будут нацелены на получение оптимальной структуры и оптимального комплекса механических свойств металла, причем в зависимости от требований, предъявляемых к конкретному изделию.

Несомненно, будут разрабатываться новые составы износостойких сталей и методы их химико-термической обработки - ведь значительная часть машин и оборудования досрочно выходит из строя из-за разрушения трущихся поверхностей деталей. Широкое распространение найдут методы получения функциональных материалов, которые характеризуются необычными механическими или физическими свойствами. Объем их производства, возможно, не будет большим, так как они используются в основном в миниатюрных приборах или устройствах. В качестве примеров можно назвать сплавы с памятью формы, уже нашедшие применение в медицине; сплавы с идеальной текстурой, используемые для получения сверхпроводящих изделий; материалы со сверхмелким зерном и нанокристаллические материалы, обладающие уникальными прочностными и физическими свойствами. Будут развиваться методы получения монокристаллов и изделий из них. Например, монокристаллические лопатки турбин по прочности и долговечности намного превосходят детали из поликристаллических материалов.

Все эти задачи будут успешно решены, если металловедение как наука сохранит свои позиции, если оно будет обеспечено кадрами и необходимым оборудованием.

Август 2005 года, г. Екатеринбург.

№10, 2005