Наша страна и наш регион обладают развитой металлургией. Однако без грамотного научно обоснованного подхода невозможна эффективная работа предприятий. В числе известных учёных-металловедов – доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник кафедры компьютерного моделирования и нанотехнологий ЮУрГУ Джалал Аминулович Мирзаев, чьи труды чрезвычайно востребованы как в науке, в том числе за рубежом, так и в различных отраслях индустрии.

Например, одна из тем, которой профессор Мирзаев занимался ещё в советское время, – проблемы сверхбыстрого охлаждения в твёрдом состоянии железа и других полиморфных металлов, а также их сплавов. Цель этой большой работы, выполненной Д.А. Мирзаевым, О.П. Морозовым и Т.Н. Пономарёвой, – установить, как изменяются структура, точки фазовых переходов и свойства сплавов при увеличении скорости охлаждения до миллиона градусов в секунду. Другой обширный цикл работ, выполненный совместно с С.В. Рущицем, относится к теории дифракции рентгеновских лучей на плоскостных дефектах кристаллов. Таких дефектов очень много в мартенситных и деформированных кристаллах, а изучить их можно только по пикам дифрактограмм. Развитая теория опередила труды японских и американских учёных на три-пять лет. Результаты этих работ до сих пор интересуют иностранных специалистов и широко цитируются в литературе. По их итогам С.В. Рущиц защитил сначала кандидатскую (в МГУ), а потом и докторскую диссертацию. Затем были разработки высокоазотистых сталей, хромистых высокостойких чугунов, технических сплавов из драгметаллов, создание кинетической теории мартенситного и бейнитного превращения… По результатам опубликованы четыре монографии.

Д.А. Мирзаев читает курсы: «Физика твёрдого тела», «Основы физической прочности», «Физика реальных кристаллов».

Из истории металлургии

– Металлургия зародилась в глубокой древности. Кузнецы издавна старались подходить к делу творчески, так, чтобы качество изготовляемого оружия было выше, чем у противника: от этого зависела возможность одолеть врага, а значит, и само выживание поселения, народа, страны. Конкуренция среди первых металловедов – кузнецов существовала всегда, – рассказывает Джалал Аминулович. – Веками накапливая опыт, металлурги прошлого достигли вершин мастерства – вспомните хотя бы дамасский и русский булат. Давно открыто такое явление, как закалка: если раскалённую сталь опустить в воду или масло, она станет очень прочной и твёрдой, но при этом хрупкой. Если же охлаждать металл недостаточно быстро, высокую прочность обеспечить не получится, но металл будет мягче. Там, где прочность и твёрдость не очень важны – например, при изготовлении столовых приборов, используется именно такой процесс. Повторно нагревая закалённую сталь, можно менять её пластичность. Закалка – один из важнейших технологических процессов, освоенных человеком, позволивший создавать прочное оружие, орудия труда и так далее, без чего развитие цивилизации немыслимо.

Однако научно объяснить, почему, например, при добавлении такого-то вещества свойства стали меняются именно так, а не иначе, долгое время не могли, а значит, не могли и предсказать результаты экспериментов. Продвигались вперёд на ощупь – пробуя различные добавки, температурные режимы. Опытные кузнецы по цвету раскалённого металла могли определить температуру нагрева.

Развитие металлургии как науки началось только с появлением соответствующих приборов. Таких, например, как оптический микроскоп и термопара – термоэлектрический преобразователь, с помощью которого измеряют температуру. Стало возможным точно определить, при какой именно температуре нужно закаливать сталь, чтобы получить требуемый результат. Если образец стали до блеска отполировать и протравить кислотой, на поверхности с помощью микроскопа можно увидеть очень красивые узоры, отражающие тип структуры, образованной при выплавке и охлаждении металла. Более мощные электронные микроскопы позволяют выявить дефекты на атомном уровне. Металлургическая наука идёт вперёд пусть небольшими шагами, однако неустанно. Подчеркну: человечество ещё не придумало ничего способного полностью заменить металл. Если, например, корпуса лодок и планеров, кузовные панели автомашин изготовляют из стеклопластика, то корпуса ракет до сих пор делают и в обозримом будущем продолжат делать из металлических сплавов.

Наука учит экономить

Джалал Аминулович Мирзаев – один из опытных экспертов в своей области, к которому нередко обращаются за помощью представители промышленных предприятий.

– Мне нередко случалось консультировать специалистов различных отраслей индустрии, – рассказывает учёный. – Иногда приходилось ломать голову над проблемами, которые возникали будто сами собой – однако в конце концов выяснялось, что дело в несоблюдении технологий производства.

Научные исследования приносят немалую пользу, в том числе дают существенный экономический эффект. Одна из работ была проведена совместно с Олегом Кирилловичем Токовым по заказу «Мечела». Проблема заключалась во флокенах – водородных трещинах в поковках. Суть в том, что все открытые плавки делаются в атмосфере, где присутствуют в том числе и пары воды – которые при высокой температуре распадаются на кислород и водород, причём последний поглощается жидкой сталью. Концентрация водорода может оказаться достаточно большой, а его растворимость в стали резко падает при охлаждении поковки. Избыток водорода не успевает продиффундировать в атмосферу и заполняет любую, самую крошечную пустоту внутри металла. А попав туда, создаёт огромное давление, что очень часто приводит к появлению трещин. Это и есть флокены. Избавиться от них невозможно, единственный выход – переплавлять весь металл заново. Соответственно, труд, время, топливо – всё оказывается выброшено на ветер. Как с этим бороться? Чтобы предотвратить появление флокенов, отливку перед охлаждением выдерживают в печи примерно сто часов при температуре около семисот градусов. А это дорого: и печь занята, а значит, образуется очередь – следующие партии металла ждут, когда она освободится, и энергии расходуется очень много – поковки ведь бывают длиной и в несколько метров, притом почти полметра в диаметре.

Мы с Олегом Кирилловичем выполнили три проекта. Во-первых, используя уравнение диффузии для водорода, рассчитали точное время его выделения при разных температурах и точно указали время выдержки поковок разного сечения. Во втором проекте мы приняли участие в разработке технологии удаления водорода в ковшах путём их вакуумирования. Это резко снизило концентрацию водорода, но не позволило удалить его полностью. В третьем было предложено окончательное удаление водорода проводить в специальных термосах, где нужная температура сохраняется необходимое время. По нашему проекту «Мечел» их построил и, насколько мне известно, использует до сих пор. Оказалось, что все три проекта дали огромный экономический эффект – около 220 миллионов рублей в год! Конечно, премию мы получили небольшую, но всё равно приятно, что сделали хорошее, важное, полезное дело для предприятия.

Хорошо – не всегда дорого

– Не секрет, что в 1990-е годы в стране была тяжёлая экономическая ситуация, многие заводы прекращали работу из-за отсутствия средств, – продолжает Джалал Аминулович. – Недофинансировалась и наука. Учёные зарабатывали, как могли – выручали хоздоговорные работы с предприятиями. Помню такой случай: остановилось производство на Челябинском заводе дорожных машин имени Колющенко, который выпускает бульдозеры, скреперы, автогрейдеры. Причина проста: литейный цех не работал из-за отсутствия никеля и молибдена. А без этих, довольно дорогих, элементов не изготовить принятую на заводе сталь для рыхлителей и бульдозерных ножей. Денег у предприятия нет, закупить не на что – и производство стоит. Начальником литейного цеха там был Валерий Александрович Папшев, кстати, выпускник ЧПИ. Он спросил меня, нельзя ли заменить эту сталь другой, более дешёвой. Я попросил неделю на размышление, стал внимательно изучать прокаливаемость и структурную наследственность старой стали. И понял, что при разработке этой марки металловеды перестраховались и использовали чрезмерное легирование, как для брони танка. Поразмыслив, решил, что при производстве тонкостенных ножей и рыхлителей от дорогостоящих элементов можно отказаться. Так появилась на свет марка литейной стали 23Г2СРФЛ: 0,23% углерода, 2% марганца, 1,5% кремния, 0,005% бора, 0,15% ванадия. Принёс «рецепт» Валерию Александровичу. Он обрадовался: нужные для этой стали элементы были в наличии. Тут же договорились с главным инженером завода организовать пробную плавку. А я всю ночь глаз не мог сомкнуть. Утром прихожу на завод. Валерий Александрович сидит злой и хмурый. Ясно: плавка не удалась. Но всё же мы внимательно изучили только что отлитый бульдозерный нож. Стало ясно, что формы, в которые отливали сталь, были сырыми. А перед плавкой их не просушили. В результате образовался водородный слой, по тому же механизму, что и флокены, о которых я уже рассказывал. А при отливке этого быть не должно. Разумеется, виноватые получили нагоняй. Формы прогрели, как положено, сделали новую отливку. Оказалось, что эта сталь по всем свойствам соответствует требованиям. Так что предложенная мною марка 23Г2СРФЛ на заводе прижилась и использовалась до нынешнего года. Сейчас, возможно, этот случай может показаться забавным, но тогда было не до смеха. Вот наглядный пример того, как важно в машиностроении и металлургии соблюдать технологии производства, использовать соответствующие назначению марки стали. И, разумеется, для учёного не бывает мелочей – порой приходится быть очень дотошным, чтобы разобраться, в чём дело.

Наука – обороне

– В 1990-е произошёл ещё один интересный случай, тогда вопрос касался сохранения обороноспособности страны, – вспоминает исследователь. – Как известно, ракеты, стоящие на вооружении, находятся в шахтах, без движения много лет. Их обшивка, изготовленная из алюминиевого сплава, упрочнена холодным деформированием. Разумеется, на заводе сразу после изготовления ракеты проверяют на прочность. Но с течением времени материалы постепенно теряют прочность, пока она не станет ниже допустимого уровня – и тогда ракеты списывают, утилизируют. Но взамен нужны новые. И вот меня и Юрия Дмитриевича Корягина – в то время доцента, а ныне профессора кафедры материаловедения и физикохимии материалов ЮУрГУ – Государственный ракетный центр имени академика В.П. Макеева попросил произвести расчёты: сколько ещё может прослужить обшивка таких ракет. Мы разработали теорию, получили необходимую формулу для ресурса, которая позволила спрогнозировать, какова будет прочность обшивки через несколько лет. Провели необходимые теоретические расчёты и выяснили, что обшивка ракет может сохранять свои прочностные характеристики ещё не менее десяти лет. Проверили правильность расчётов на образцах обшивки ракет – они оказались верны. Так что необходимость утилизации стратегических ракет отпала, а армия ещё некоторое время смогла сохранять боеспособность, имея пусть не новое, но по-прежнему грозное оружие. За это нас наградили почётными грамотами.

Об учителях и учениках

– Я не считаю себя создателем научной школы, – отмечает профессор. – Существует Уральская школа металловедов, основателем которой являлся гениальный металловед академик Виссарион Дмитриевич Садовский. Он совместно с Константином Александровичем Малышевым и Сергеем Самуиловичем Штейнбергом, работая в Златоусте, заложил основы теории термической обработки стали. В какой-то мере я стараюсь продолжать их дело. Уральскую школу металловедов составляют учёные Института Физики металлов УрО РАН, УрФУ, нашего ЮУрГУ, Пермского политехнического университета (НИУ) и Магнитогорского государственного технического университета (МГТУ) имени Г.И. Носова. У меня было и есть много студентов, аспирантов. Около десятка моих учеников стали кандидатами и докторами наук. Особо среди них выделяются доктора физико-математических наук Сергей Вадимович Рущиц и Константин Юрьевич Окишев – оба трудятся на кафедре материаловедения и физикохимии материалов. Так что, надеюсь, и впредь будет кому ковать науку.