Внимательно исследует Д. К. Чернов места разрывов и убеждается в том, что сталь имеет крупнозернистое строение, в то время как орудия, показавшие продолжительный срок службы, отличаются мелкозернистой структурой металла при одинаковом химическом составе. Выходит, что из одного и того же металла можно получить разную по качеству продукцию. Все это заставляет молодого исследователя глубоко задуматься. «Если некоторые пушки получаются хорошими по качеству, — решает он, — значит, можно и нужно подобрать такие условия, при которых все пушки будут хорошими».
Шаг за шагом наблюдает Д. К. Чернов многочисленные звенья сложного процесса производства стального орудия. Сталелитейный цех выпускает тяжелые слитки. Химический анализ показывает, что полученная сталь полностью соответствует своему назначению. Затем слитки поступают в кузницу, нагреваются в печи до ярко — желтого цвета и, обжимаясь под мощными молотами, принимают вытянутую форму заготовок артиллерийского ствола. После остывания заготовки передаются в механический цех, где на металлорежущих станках производится их окончательная обработка.
Особое внимание уделяет Д. К. Чернов ковке металла, тогда наименее исследованной области металлообработки. Он наблюдает за цветом нагреваемых в печи слитков. В то время еще не было приборов, позволяющих измерять высокие температуры. Старые, опытные кузнецы научили Д. К. Чернова определять температуру металла «на глаз». Каждой температуре свойственен определенный цвет стали. При нагревании она последовательно принимает все цвета каления — от темно — красного до ослепительно белого, при котором металл начинает плавиться. Д. К. Чернов кует сталь, нагретую до различных температур, т. е. до различного цвета каления. Откованные образцы он испытывает на разрывной машине. Таким образом, ему удается установить, при каком температурном режиме ковки стальное изделие отличается наилучшими механическими качествами.
Проходит два года напряженной работы. В апреле 1868 года Д. К. Чернов докладывает Русскому техническому обществу о своих наблюдениях и выводах. Его сообщение сводится к следующему: при нагревании сталь не остается неизменной; в определенные, критические моменты она претерпевает особые превращения, изменяющие ее строение и свойства. Д. К. Чернов практически устанавливает критические точки, характеризующиеся внутренними превращениями в стали при нагревании. Эти точки известны теперь в науке под названием «точек Чернова».
Если нагреть стальное изделие до высокой температуры и затем быстро охладить его, опустив в воду или в масло, то изделие закалится, т. е. твердость его значительно возрастет. Калить сталь умели и раньше, однако Д. К. Чернов впервые подошел к этому процессу научно.
Если внимательно рассмотреть излом стального изделия, нетрудно убедиться в том, что сталь имеет кристаллическое (зернистое) строение. При нагревании стали величина зерен не остается постоянной. При повышении температуры наступает момент, когда изменяются и строение стали, и ее свойства. Д. К. Чернов проделывает многочисленные опыты. Он берет стальные образцы заведомо крупнозернистого строения, постепенно нагревает их до различных температур и затем быстро охлаждает. После этого ударом молота он ломает образцы и на изломе определяет величину зерна. Он наблюдает замечательное явление: оказывается, любая сталь, какую бы начальную величину зерна она ни имела, приобретает при нагревании до определенной температуры мелкозернистое строение.
«Нужно стремиться, — говорит Д. К. Чернов, — достигнуть того, чтобы наши орудия были по возможности мелкозернистого сложения; для этого следует, как мы видели, после нагрева болванки до высокой температуры, ковать ее до тех пор, пока она не остынет до нужной температуры…»
В замечательной работе Д. К. Чернова была разгадана давняя тайна кузнечного дела. Практические результаты не замедлили сказаться. «Детские болезни» артиллерийского производства были излечены. Редкостью стали разрывы орудий.
Выводы, сделанные Д. К. Черновым, явились для тогдашнего времени смелыми и даже дерзкими. Идеи 28–летнего исследователя были встречены недоверчиво, порой враждебно. Однако это его не смутило. Свой исторический доклад Техническому обществу он заканчивает словами: «Что касается вообще до проводимых мною идей, то я уже получил упреки в том, что слишком смело высказываю свои выводы; но пусть же я покажусь еще смелее и выскажу окончательное заключение из своих наблюдений в следующих словах: вопрос о ковке стали при движении его вперед не сойдет с того пути, на который мы его сегодня поставили». Молодой ученый был прав. Это лучше всего показало дальнейшее развитие металлургии и металлообработки. Общие принципы, установленные Д. К. Черновым, остались незыблемыми и до настоящего времени.
Прошло десять лет со времени знаменитого доклада о критических точках, и Д. К. Чернов сообщает о новой выдающейся своей работе. Она посвящена процессу затвердевания жидкой стали и изучению строения стального слитка.
В конце 70–х годов уже широко применялись новые способы производства стали — в мартеновских печах и ретортах Бессемера. Эти способы позволяли относительно легко получать большие стальные слитки. Однако процессы разливки жидкой стали и ее остывания еще не были изучены. Сейчас мы знаем, что разливка — это не просто механическая операция, а сложный и ответственный процесс, который нужно сознательно направлять и регулировать. Переход металла из жидкого состояния в твердое определяет качество будущего изделия, изготовленного из этого металла.
Д. К. Чернов установил, что расплавленная сталь образует при затвердевании не однородную массу, а сложную систему кристаллов. Это открытие легло в основу современного представления о строении литой стали и металлов вообще.
Д. К. Чернов долго и тщательно исследовал кристаллизацию самых разнообразных веществ. Он выращивал большие кристаллы поваренной соли. С интересом наблюдал он явления замерзания воды. Сохранились фотоснимки оконных узоров льда, один из которых, как указывает надпись, был сделан Д. К. Черновым зимой 1915 года, когда ему уже исполнилось 75 лет. Д. К. Чернов создает схему затвердевания жидкой стали, а затем подтверждает ее практически. В процессе затвердевания расплавленного металла прежде всего появляются так называемые центры кристаллизации, дающие основу для осей будущих кристаллов. Оси отбрасывают от себя многочисленные ветви, образующие скелет кристалла. Затвердевание начинается в зоне соприкосновения жидкой стали с холодными стенками массивного чугунного сосуда — изложницы, куда сталь налита. Расплавленный металл покрывается твердой коркой. Эта корка защищает жидкую сталь от быстрого охлаждения, процесс затвердевания замедляется, и кристаллы получают возможность вырасти до большой величины.
При остывании сталь уменьшается в объеме, однако внешние размеры слитка уже определены коркой затвердевшего металла. Жидкого вещества не хватает для заполнения внутренней полости слитка, часть его остается пустой, образуя так называемую усадочную раковину. В слитке, где находится большое количество кристаллов, их растущие ветви переплетаются друг с другом и взаимно друг друга искривляют. Однако бывают случаи, когда отдельный кристалл начинает расти в усадочной раковине. Такому кристаллу нет препятствий для роста со стороны других кристаллов.
Д. К. Чернов собирал и тщательно изучал эти обособленно выросшие стальные кристаллы. В его коллекции хранился громадный кристалл, найденный в усадочной раковине 100–тоНного стального слитка. Кристалл — уникум весил 3,45 килограмма, а длина его составляла 39 сантиметров. Фотография этого знаменитого кристалла, названного «кристаллом Чернова», и его классические схемы, объясняющие процессы кристаллизации, вошли во все руководства по металлографии и пользуются всемирной известностью.
В 1880 году Д. К. Чернов вынужден был покинуть Обуховский завод, которому он отдал 14 лучших лет своей жизни. Восьмидесятые годы прошлого столетия характеризовались развитием промышленности на юге России. Знаменитый русский химик Д. И. Менделеев указывает на «будущую силу, покоящуюся на берегах Донца». Эта сила заключается в богатейших запасах каменного угля, железных руд и других полезных ископаемых. Д. К. Чернов отправляется на юг, где в течение трех лет занимается разведками каменной соли в Бахмутском уезде Екатеринославской губернии. Разведки эти увенчались успехом: найденные Д. К. Черновым залежи соли начинают разрабатываться в промышленных целях.
В 1884 году Д. К. Чернов снова возвращается в Петербург. Работает главным инженером отдела по испытанию заказов Министерства путей сообщения. В 1889 году он приглашается руководителем кафедры металлургии находившейся тогда в Петербурге старейшей высшей военной школы в России — Артиллерийской академии. Эту кафедру он сохранял за собой до самой смерти.
