Теоретически обосновав русский способ бессемерования, Чернов доказал на практике его преимущества.
Для русской металлургической промышленности способ Чернова имел не меньшее значение, чем само изобретение Бессемера. Без вмешательства Чернова русская металлургия не могла бы дать вооружение армии, броню кораблям и рельсы вновь строящимся железным дорогам.
Работы по бессемерованию слились у Чернова с разработкой вопроса о внутреннем строении стали.
Недостатком бессемеровской стали была пузырчатость металла, пустоты в нем — так называемые усадочные раковины, газовые пузыри, рыхлость, неоднородность. На процесс разливки жидкой стали в те времена смотрели, как на простую механическую операцию, не нуждающуюся ни в каком научном обосновании.
Чернов посмотрел на дело иначе. Он заподозрил, что процесс разливки стали и ее остывания нуждается в регулировании, в управлении. Переход металла из жидкого состояния в твердое в какой-то мере определяет качество будущего изделия, а плохо, с пороками застывший металл не всегда может быть исправлен последующей обработкой.
В этом вопросе Чернов не первым стал на правильный путь. Несколько ранее исследованием процесса разливки стали и ее остывания в изложнице занимался Павел Петрович Аносов, горный инженер, некоторое время бывший томским губернатором. П. П. Аносов, как и его сын, еще более известный в свое время горный инженер, открывший золотые прииски в Амурской области, принадлежал к тому обойденному нашей литературой типу предприимчивых русских людей, которые холодному бюрократизму России Николая I умели противопоставлять горячую жажду дела и волю к живой, творческой работе.
Воспитанник Горного корпуса, Павел Петрович Аносов в 1817 году был направлен в качестве шихтмейстера на новую оружейную фабрику в Златоустовском горном округе. Администрация фабрики и главные мастера-специалисты оказались немцами, выписанными из Золингена. Молодой инженер, рассчитывавший учиться у этих специалистов, должен был сам взяться за организацию плавки литой стали, так как золингенский мастер не справился с делом, что вынуждены были признать и его соотечественники, руководившие предприятием.
Аносов заложил основы нового, передового по тому времени процесса производства стали, дававшего возможность организовать плавку стали в больших количествах. Открытие Аносова, имевшее огромное значение, высоко оценивал Чернов, одну из своих лекций посвящавший своему предшественнику. Эту лекцию он начинал указанием на приоритет Аносова:
«Раньше, чем установился процесс получения стали в тиглях по способу Ухациуса или Круппа, русским горным инженером Аносовым, имя которого известно всякому знакомому с историей стального дела, в начале тридцатых годов настоящего столетия был введен на Златоустовском заводе комбинированный тигельный способ цементования и плавки стали, причем в тигель закладывается чистое кричное железо и ничего больше».
Пионер высококачественной металлургии, родоначальник учения о стали, применивший первым в мире микроскоп для изучения кристаллического строения стали, Павел Петрович поставил своей задачей раскрыть секрет приготовления булатной стали и добился того, о чем мечтали все металлурги и чего не достиг ни один: русский инженер отыскал способ получения настоящих булатов.
Невозможно перечислить все опыты, которые произвел этот неутомимый человек. Он испытывал сплавы железа с алюминием, марганцем, хромом, вольфрамом, серебром, золотом и даже с платиной. Булата не получалось. Он получил его наконец, сплавляя тагильское железо с высокосортным графитом и ведя плавку в тигле в продолжение пяти с половиной часов.
Сделанные Аносовым из этой стали клинки были настоящими булатами в отличие от немецких, которые оказались лишь «дамасцированной сталью». Немецкие мастера просто вытравливали на клинках узор, который и исчезал при перековке. По поводу этой удивительной работы Аносова, представленной на соискание Демидовской премии Академии наук, в отзыве говорилось:
«Г. Аносову удалось открыть способ приготовления стали, которая имеет все свойства столь высоко ценимого азиатского булата и превосходит своей добротой все изготовляемые, в Европе сорта стали».
Партии «недоброхотов» ко всему русскому, составлявшей академическое большинство, удалось отклонить присуждение Аносову премии, но русское крестьянство, прознав о новой стали, начало предпочитать импортным австрийским русские серпы и косы, сделанные из аносовской стали.
Дмитрий Константинович Чернов изучил опыт старейшего русского металлурга, изложенный в его работах «Новый способ закалки стали в сгущенном воздухе» и «Приготовление литой стали», и к опытам своего замечательного предшественника прибавил свои исследования.
Чтобы проникнуть в физическую сущность процесса, происходящего в остывающем и отвердевающем металле, Дмитрий Костантинович много лет подряд изучал кристаллизацию различных веществ. В архиве Дмитрия Константиновича нашлись фотографические снимки с самых причудливых и фантастических оконных узоров льда. На одном из снимков сохранилась дата — 1915 год. В возрасте семидесяти шести лет Чернов все еще пополнял свою коллекцию кристаллов фотографиями ледяных узоров на стекле.
Он выращивал большие кристаллы поваренной соли и квасцов. Рассматривая замерзание воды, как процесс кристаллизации, он заставлял воду замерзать при самых разнообразных условиях. Ему случалось в яркий зимний день, каких немного в Петербурге, встречать на Неве возчиков, грузивших на розвальни квадратные ледяные глыбы. Тогда он спускался к проруби и часами простаивал около льда, стараясь проникнуть в тайны строения твердого вещества у какой-нибудь глыбы, по зеленоватой поверхности которой быстро, почти на ходу, замерзала струя воды.
Схему затвердевания стали подсказала Чернову хорошо изученная им кристаллизация раствора квасцов при замерзании. Первое положение, которое высказал Чернов в результате своих наблюдений, сводится к тому, что сталь затвердевает не аморфно, не воскообразно, а кристаллически.
О том, какое значение может иметь понимание процесса кристаллизации стали в практических делах, Чернов указал уже в первом своем докладе.
«Если расплавленную в тигле сталь, — говорил он, — вы будете при охлаждении постоянно приводить в сильное сотрясение, достаточное для того, чтобы все частицы ее приходили в движение, тогда охлажденный слиток будет иметь чрезвычайно мелкие кристаллы; если же эту сталь оставить без всякого сотрясения и дать массе спокойно и медленно охлаждаться, тогда у вас эта же самая сталь получится в крупных, хорошо развитых кристаллах. Вид этих кристаллов и способность вообще кристаллизоваться при этих условиях зависят от чистоты стали»[28].
Основываясь на наблюдении, что сталь, застывая, образует сложную систему кристаллов, Чернов первым в мире начал изучать стальные слитки как результат кристаллизации расплавленного, жидкого металла.
В своем докладе «Исследования, относящиеся до структуры стальных литых болванок», сделанном 3 декабря 1878 года членам Технического общества, Чернов совершенно уверенно и определенно указал, что кристаллы стали — результат совместной кристаллизации железа и углерода. При таком процессе образуются кристаллы переменного состава. Они представляют, как теперь говорят, «твердые растворы углерода в железе». Он только не употребил выражения «твердые растворы». Этот термин появился в науке недавно.
Современное представление о природе и структуре стальных слитков было в главных чертах совершенно правильно установлено исследованиями Чернова.
Памятником этих исследований остается знаменитый «кристалл Чернова», найденный им в усадочной раковине стотонного стального слитка. Этот громадный кристалл весит три с половиной килограмма и описан во всех учебниках металловедения. Иногда случается, что в усадочной пустоте начинает расти отдельный кристалл. Такой кристалл, не встречая препятствий для своего роста со стороны других кристаллов, достигает больших размеров, причем форма его не искажается.
Указав на сложность процесса кристаллизации, Чернов разобрался в недостатках стальных отливок, систематизировал их, выяснил причины их возникновения, а затем указал и способы для их устранения.
Сопоставляя процессы охлаждения и затвердевания металлических сплавов с процессами затвердевания растворов поваренной соли и квасцов и обобщая наблюдения, Чернов предположил, что из жидкой смеси двух или нескольких веществ, входящих в сплав, выделяются сперва кристаллы одного из них:
Кристалл Чернова.
«Одно вещество, более мягкое, менее углеродистое, бросает оси, а другое, более углеродистое, оставаясь в то время еще жидким, тотчас же вслед за тем облепляет ростки».
