К 150-летию выдающегося открытия великого русского ученого и инженера Дмитрия Константиновича Чернова

Данное сообщение-размышление – это ответ на вечный вопрос юных: можно ли до 30-летнего возраста реализовать себя в науке, в инженерном деле и т.д.?

Наш соотечественник, великий ученый и великий инженер Дмитрий Константинович Чернов (1839–1921) сделал 150 лет назад величайшее, мирового уровня, открытие. Говоря современным научным языком, Дмитрий Константинович, когда ему было всего 28-29 лет, впервые установил, что сталь – это полиморфный металл и, соответственно, сталь «принимает» закалку только в том случае, если она предварительно нагрета до(или несколько выше) точки ‘а’ Чернова, а затем быстро охлаждена. Это открытие Д.К. Чернова и ныне является технической основой современной человеческой цивилизации.

Открытие Д.К. Чернова было широко признано во всем мире, как вклад России и российского народа в развитие мировой науки и техники. Виднейшие учёные-металлурги Э. Гейн (Германия) и А. Портвéн (Франция) высоко оценили вклад Д.К. Чернова в науку о металлах. Вот мнение известного французского ученого А. Портвéна о Чернове: «Столь прекрасная жизнь, получившая мировую оценку, делает великую честь России!».

Американский металлург, президент Института горных инженеров и председатель Американского общества тестирования материалов Г.M. Хоу посвятил свою книгу «Железо, сталь и другие сплавы» Д.К. Чернову со словами: «Моему другу профессору Дмитрию Константиновичу Чернову – отцу металлургии железа в знак искреннего уважения посвящается этот труд».

На Всемирной выставке в Париже в 1889 г. одной из доминирующих проблем для обсуждения были именно металлы, для подтверждения их значимости был построен целый павильон из сварного железа и впервые установлена в качестве входной арки Эйфелева башня. Именно тогда известный французский металлург Г. Монгольфьé, выступая перед сообществом металлургов  произнес: «Считаю своим долгом открыто и публично заявить в присутствии стольких знатоков и специалистов, что наши заводы и всё сталелитейное дело обязаны настоящим своим развитием и успехами в значительной мере трудам и исследованиям русского инженера Чернова, и приглашаю вас выразить ему нашу искреннюю признательность и благодарность от имени всей металлургической промышленности». Д.К. Чернов принимал участие в этой Всемирной выставке в Париже и имел счастье лично услышать эти слова признательности от знаменитого французского металлурга.

По мнению некоторых ученых, в настоящее время общественное внимание к открытию Д.К. Чернова, как величайшему достижению русской науки, постепенно ослабевает. Для примера: в 1968 году государственная общественность СССР торжественно и широко отметила столетие этого великого научного открытия. На базе Института металлургии им. А.А. Байкова АН СССР была проведена большая всесоюзная конференция, и каждому участнику конференции была вручена специально изготовленная почетная медаль Д.К. Чернова. А в 2018 году, в год 150-летия великого открытия Д.К. Чернова, никакого общедоступного государственного мероприятия проведено не было. Только торжественное заседание в стенах НИЦ «Курчатовский институт». Достаточно ли такого типа мероприятий для памяти народа о Д.К. Чернове, Д.И. Менделееве и других русских ученых? Поистине, наше современное научное общество живет согласно крылатому выражению: «ИВАНЫ, не помнящие родства».

Мы до сих пор не осознаём полностью, что открытие Д.К. Чернова разделило историю человечества последней эпохи на две составляющие ступени: «ДО ЧЕРНОВА» и «ПОСЛЕ ЧЕРНОВА». Действительно, уберите мысленно из современной цивилизации и современные стали, и их современную обработку. И не останется в человеческой цивилизации ничего – ни железных дорог, ни самолетов, ни компьютеров, ни Интернета, ни идей цифровой экономики и т.д. Человечество вернется в каменный век, а в лучшем случае – в век меди и бронзы. Поэтому значимость для человечества великого открытия Дмитрия Константиновича Чернова является совершенно фундаментальной.

Столь неординарный научный взгляд на значение технических наук для развития человеческой цивилизации разработан в ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» учеными кафедры физики физико-металлургического факультета. Почти столетие на этом факультете готовят высокопрофессиональных инженеров в области металлургии и теплоэнергетики, способных эффективно работать практически во всех областях современной науки и промышленности. За прошедшие годы факультет дал путёвки в жизнь почти 11 тысячам инженеров-металлургов. Наиболее талантливые из них в дальнейшем возглавляли крупные предприятия и даже отрасли промышленности. Да и сейчас, в наши не простые времена, металлургия (да и в целом тяжелая техника) по-прежнему нуждается в инициативных молодых специалистах, не забывающих о достижениях великих учёных прошлых лет. Не нужно забывать, что Донбасс всегда был, есть и будет индустриальным мегаполисом мирового уровня. Напомним сейчас только о самом простом: сталь и металлы являются материалами для орудий труда – без них жизнь людей невозможна. На этом основано ВСЁ существование человека.

В течение многих тысячелетий отдельные народы и человечество в целом осваивали производство и использование железа и железных изделий. Начало всему положило метеоритное железо. Именно метеоритное железо показало человеку все будущие преимущества железных изделий: инструментов, оружия и т.д. В последующем в течение многих столетий человек шаг за шагом осваивал производство железа из железной руды путем нагрева смеси железной руды и древесного угля до все более высоких температур.

Первоначально народные умельцы многих стран изобрели и освоили производство железа в ‘кóпанках’. В земле, чаще всего на склоне горы, выкапывали небольшую пещерку (‘кóпанку’), в которую закладывали смесь железной руды и древесного угля. Далее эту смесь поджигали, её температура поднималась. В результате образовывался слиток из железа с примесями остатков руды и продуктов горения. В последующем слиток многократно ковали, при этом из него «выжимались» примеси.

Полученный железный материал, благодаря искусной работе умельца-кузнеца, очень часто обладал удивительно высокими потребительскими свойствами. Кузнец, который передавал свои умения по наследству, был главным действующим лицом в производстве стали и стальных изделий.

Постепенно ‘кóпанки’ (горны) подвергались все более важным усовершенствованиям. Их оснащали высокими трубами с целью увеличения тяги и, соответственно, увеличения температуры смеси железной руды и древесного угля, снабжали поддувом воздуха для достижения все более высокой температуры и более полного восстановления железа. Древние умельцы научились производить дамасскую сталь и булат. А сегодня, владея металлофизикой, мы этого сделать не можем.

В XIX веке в Европе на первое место по производству стали вышла Швеция с её богатыми запасами леса и железных руд. В Великобритании интенсивно велись работы по замене древесного угля при производстве стали. Уже были разработаны такие методы производства стали, как доменное производство чугуна на основе использования кокса – продукта переработки каменного угля необходимых сортов; мартеновское и бессемеровское производство стали. Эти принципиально новые технологии быстро распространились по Европе и по всему миру. Появились первые домны в Англии и Бельгии.

Металлы, металлическое оружие и металлические изделия всегда лежали в основе технической жизни России ещё со времён Древней Руси. Неудивительно, что именно здесь жили и работали выдающиеся учёные-металлурги: Павел Петрович Аносов (1796–1851) и Дмитрий Константинович Чернов (1839–1921).

П.П. Аносов, выпускник Петербургского горного кадетского корпуса, был распределен практикантом на Златоустовские казенные заводы. Через 30 лет работы стал директором оружейной фабрики, а затем и начальником Алтайских горных заводов. П.П. Аносов – великий русский металлург, основатель металловедческих методов исследования и обработки сталей. Он первым в мире применил микроскоп для исследования структуры стали и разработал первые принципы металловедения как технической науки. Он впервые установил связь между микроструктурой стали и её свойствами. Аносов П.П. разработал производство литой булатной стали, из которой были изготовлены клинки, равные классическому оружию Древней Индии. Живя и работая на Южном Урале, он знал, что величайший физик Фарадей (Великобритания) интересуется булатами. Он послал Фарадею свой булатный клинок, который теперь хранится в музее Фарадея. Сам этот факт не может не поражать наше воображение.

Другой выдающийся учёный-металлург Чернов Дмитрий Константинович родился в Петербурге в семье заводского фельдшера. В девятнадцать лет с отличием окончил Петербургский практический технологический институт, работал на старейшем столичном предприятии – Монетном дворе. Молодой инженер изучал труды П.П. Аносова и других прославленных металлургов первой половины XIX века, знакомился с новыми методами производства стали в бессемеровских конвертерах и мартеновских печах. В 27 лет Д.К. Чернов перешел на Обуховский сталелитейный завод, решив целиком посвятить себя научной и практической деятельности в области металлургии. Только что построенный завод специализировался на производстве стальных артиллерийских орудий. Некоторые пушки разрывались уже в процессе испытаний, а другие отличались высокой прочностью и надежностью. Чернов установил, что металл хороших пушек был мелкозернистым, а металл плохих пушек – крупнозернистым.

В то время еще не было приборов для измерения высоких температур. Старые опытные кузнецы научили Чернова определять температуру металла «на глаз», по цвету нагреваемых в печи слитков. Чернов подвергал ковке сталь, нагретую до различных температур, т.е. до разного «цвета каления» – от темно-красного до ослепительно белого. Откованные и охлажденные образцы он испытывал в механической лаборатории на разрывной машине. Таким образом ему удалось установить, при каком температурном режиме ковки изделие получает наиболее высокие механические свойства.

Спустя два года напряженной работы Д.К. Чернов докладывает о своих наблюдениях и выводах на заседаниях Русского технического общества. Исследования Д.К. Чернова вошли в золотой фонд научно-технической литературы по металлургии и металловедению. Он четко определил связь между тепловыми превращениями в стали, её свойствами и структурой. Он установил зависимость строения стали от тепловой и механической обработки и подвел научную базу под изучение свойств и структуры стали. Именно Д.К. Чернов первым показал, что железо и стали (повторимся) являются полиморфными твердыми телами и при их термической обработке претерпевают фазовые превращения. Чернов графически представил закономерность в изменении структуры стали при нагревании, отметив особые критические точки (температуры), в которых происходят структурные изменения. С тех пор эти точки так и называются – «точки Чернова ‘а’ и ‘b’».

Вот объяснение Дмитрия Константиновича: «Сталь, как бы тверда она ни была, будучи нагрета ниже точки ‘а’, не принимает закалки, как бы быстро ее ни охлаждали; напротив того, она становится значительно мягче и легче обрабатывается пилою». Таким образом, критическая точка ‘а’ практически характеризует температуру, при которой сталь начинает принимать закалку. Перед закалкой стальное изделие требуется нагреть несколько выше этой точки и быстро охладить. Такое стремительное охлаждение задерживает высокотемпературные изменение структуры стали и наделяет ее новыми механическими свойствами.

В распоряжении Чернова не было специальных приборов для измерения температуры. Он оценивал температуру нагретого металла по цвету его свечения. В этом – его гениальность. Французский инженер-металлург Флоренс Осмóн через 20 лет повторил работу Чернова, используя для измерения температуры пирометр, и полностью подтвердил данные Чернова.

Д.К. Чернов был избран почетным членом Санкт-Петербургского технологического и Санкт-Петербургского политехнического институтов; почетным членом и лауреатом Русского технического общества и Общества технологов, почетным председателем Русского металлургического общества; почетным членом Американского института горных инженеров, почетным вице-председателем английского Института железа и стали, почетным членом-корреспондентом Королевского общества в Лондоне, членом Совета Института международных экспертов.

В 1889 г. Д.К. Чернов был приглашен в Михайловскую артиллерийскую академию на должность профессора металлургии. Обязанности профессора Академии он исполнял до самой смерти. Скончался Д.К. Чернов 2 января 1921 года в Ялте после тяжелого воспаления легких.

Д.К. Чернов – великий металлург, основоположник металлографии, металловедения, металлофизики. Он был по своей сути разносторонне талантливым человеком. Это проявлялось везде и всегда во всех его увлечениях. Это – геология, ботаника, математика, это – музыка (Чернов лично изготовил 12 скрипок, 4 альта и 4 виолончели, которые по качеству звука не уступали инструментам знаменитых итальянских мастеров), это – авиация (Чернов разработал проект геликоптера, который высоко оценил «отец русской авиации» Н.Е. Жуковский).

Влияние исследований Д.К. Чернова настолько велико для понимания развития человеческой цивилизации, что учёные ДонНТУ смело разделили нашу эпоху на две ступени: «ДО ЧЕРНОВА» и «ПОСЛЕ ЧЕРНОВА». Вспомним главные достижения 2-ой ступени:

— сформирована новая техническая наука: металловедение и термическая обработка металлов (МИТОМ), разработаны сотни новых полиморфных сталей и сплавов – они служат основой новых (неизвестных до Чернова) областей современной техники;

— разработаны новые области МИТОМ на базе известных и вновь открытых полиморфных металлов и сплавов, например, титан и его сплавы – без них были бы невозможны целые области современной техники: авиация, ракетостроение и т.д.;

— сформирована новая область физики – металлофизика, раскрывающая строение металлов на атомном, квантовом уровне;

— достижения металловедения и советской металлургической технологии внесли существенный вклад в победу нашей страны в Великой отечественной войне. Достаточно только вспомнить танковые сражения 75 лет назад во время Курской битвы, когда под Прохоровкой сошлись 1200 русских и немецких танков и советская броня оказались на высоте, что привело в итоге к Великой Победе;

— на базе открытия Д.К. Чернова в СССР сформировались ведущие научные школы металловедения и металлофизики: Московская школа, Уральская школа, научная школа академика А.Ф. Иоффе, научная школа академика Г.В. Курдюмова. В эту область человеческой деятельности пришли лучшие умы человечества, в том числе и в СССР.

Традиции этих школ свято чтут и продолжают развивать учёные Донецкого национального технического университета, в частности на физико-металлургическом факультете. Например, на кафедре физики в рамках «Проблемной научно-исследовательской лаборатории взаимодействия водорода с металлами и водородных технологий» (ПЛВМ-ВТ) несколько десятилетий исследуют не только традиционные полиморфные стали и сплавы, но и такие неполиморфные металлы, как палладий, ниобий, ванадий и др. Применяя новую методику обработки металлов и сплавов в среде очищенного водорода, физики научились вызывать развитие в них гидридных превращений. Так было открыто явление водородофазового наклепа (ВФН), в результате которого, например, на палладии наблюдалось очень сильное и управляемое упрочнение. Но главное: водород наделяет неполиморфные металлы новым фундаментальным свойством – быть полиморфными.

Открытие ВФН привело к развитию (1978–2018) новой области МИТОМ под названием «водородная обработка материалов» (ВОМ). Это – новая область науки о металлах и материалах, которая изучает водородное воздействие на металлы и сплавы, разрабатывая на этой основе практические приемы их технологической обработки для того, чтобы улучшать структуры и важные свойства материалов (без изменения их химического состава); чтобы получать новые материалы с особыми свойствами.

Открытие физиков ДонНТУ высоко оценили величайшие ученые – академики АН СССР Г.В. Курдюмов и В.Д. Садовский. По их рекомендации сущность этого открытия была опубликована в главном научном журнале СССР «Доклады АН СССР». Последующие многочисленные публикации в отечественных и зарубежных изданиях, выход в свет монографий способствовали формированию мнения мирового научного сообщества о появлении в мировой науке «Донецкой научной школы профессора В.А. Гольцова».

Вклад донецких ученых в развитие технических основ человеческой цивилизации на стадии «ПОСЛЕ ЧЕРНОВА» это достойная память о 150-летии выдающегося открытия великого металлурга – Дмитрия Константиновича Чернова.

Заключение. Авторы считают, что наша научная общественность, государственные структуры школьного, среднего, высшего образования и науки и, что особенно важно, общественные молодежные организации не могут оставлять без постоянного внимания жизнь и научные деяния великих отечественных учёных: Д.К. Чернова, Д.И. Менделеева, И.В. Курчатова и многих, многих других, обеспечивших научно-культурное, научно-техническое величие и безопасность России. Особенно важно, чтобы этот процесс общественной памяти и почитания наших великих предков – великих учёных – находил свое перманентное отражение в прессе, в нашем календаре (день, или неделя, или месяц соответствующего великого учёного), а также в наших ежегодных общественных мероприятиях, направленных, прежде всего, на наше молодое поколение (школьники, студенты, молодежные организации и т.д.).

В.А. Гольцов, Л.Ф. Гольцова, Р.В. Котельва