В сочетании эти характеристики – пластичность, упругость и связи в кристаллической решетке – делают металлы устойчивыми к трещинам. У них появляется особое свойство, благодаря которому они идеальны для строительства: они хорошо выдерживают растяжение. Именно это свойство металлов привело к революции в строительстве. Раньше здания конструировали таким образом, что на материалы воздействовала только сила сжатия, но с началом применения металлов мы стали создавать проекты, в которых действуют большие силы и сжатия, и растяжения.
Чистое железо хорошо выдерживает растяжение, но плохо справляется с большими нагрузками в крупных постройках, потому что связи в его кристаллической решетке довольно текучи и гибки. Поэтому инженеры прошлого изготавливали из него декоративные колонны, но для несущей функции в сложных проектах железу не хватало сил. Его нужно было каким-то образом укрепить. Кристаллы, из которых состоит железо, представляют собой решетку, поэтому ученые и инженеры стали искать способы ее упрочнить.
Один из способов это сделать – добавить в решетку дополнительные атомы. Простой (и вкусной) иллюстрацией этому послужит эксперимент, который можно провести у себя дома: если взять много шариков «Мальтизерс» и покатать их ладонью по столу, то можно заметить, что они катаются очень легко. Но если добавить к ним немного изюма в шоколаде, то они уже не будут так легко кататься. Ладно, теперь эксперимент можно съесть, а смысл в том, что «примеси» – изюм – словно путаются под ногами и не дают шарикам «Мальтизерс» перемещаться. Аналогичное явление происходит при добавлении атомов углерода в кристаллическую решетку железа.
Здесь важен баланс. Если добавить слишком мало атомов углерода, то железо будет по-прежнему мягким. Если слишком много, то решетка станет слишком жесткой, потеряет текучесть, и материал будет хрупким, он легко растрескается. Как будто еще недостаточно сложно – в железе и так от природы содержится примесь углерода (и других элементов, например кремния), и иногда его даже слишком много, но его содержание бывает разным, а потому и качество железа тоже разное. Ученым было очень непросто определить точное количество углерода, которое нужно убрать, чтобы железо получилось не слишком мягким, но и не слишком хрупким. В результате их экспериментов получился чугун (который, будучи устойчивым к износу, хорош для изготовления кастрюль, но не используется в строительстве, потому что слишком хрупок, как итальянское бисквитное печенье), кованое железо (которого уже почти нет в продаже и напоминающее текстурой роскошные шоколадные чипсы, которые я ела в детстве в Америке), а также сталь. Хотя кованое железо оказалось приличным строительным материалом – из него построена Эйфелева башня, – идеальным компромиссом между прочностью и пластичностью стала сталь. Конструкционная сталь – это железо с 0,2 % примеси углерода. Процесс снижения содержания углерода в железе до 0,2 % сначала был очень дорогим, так что, пока кто-то не додумался до способа дешевого производства стали в промышленных масштабах, ей не удавалось произвести фурор в строительстве. Инженер Генри Бессемер наконец решил эту давнюю проблему и произвел революцию в изготовлении стали, что способствовало развитию железных дорог во всем мире и позволило нам начать строить дома до неба.
Энтони, отец Генри Бессемера, управлял фабрикой по производству гарнитур для печатного станка, которые держал за семью замками. Такие меры были необходимы для того, чтобы конкуренты не узнали его секретов, но юный Генри часто проникал туда и пытался их разгадать. Понимая, что непослушный сын непреклонен в своем намерении изучать его дело, Энтони уступил и стал обучать его работе на фабрике. В 1828 году Генри исполнилось пятнадцать, он окончил школу и стал работать с отцом. Он обожал свою работу: преуспел в металлообработке, обладал природным талантом к рисованию и вскоре стал делать свои собственные изобретения.
Во время Крымской войны (1853–1856 гг.) Генри Бессемер занялся оружием, которое французы и британцы использовали в сражениях с русскими. Главным недостатком ружей было то, что из них можно было сделать всего один выстрел, после чего их нужно было перезаряжать. Удлиненный патрон, в котором помещалось больше взрывчатого вещества, казалось, улучшит положение, поэтому Генри стал тестировать это новшество в саду у своего дома в Хайгейте, на Севере Лондона (к большому неудовольствию своих соседей). Однако британских военных руководителей его проект не заинтересовал, и тогда он показал его французскому императору Наполеону Бонапарту III и его офицерам.
Новые патроны произвели большое впечатление, но офицеры заметили, что из-за дополнительного взрывчатого вещества хрупкие чугунные ружья могут взрываться. Для таких ружей патроны слишком велики. Бессемер не согласился: проблема ведь была в ружьях, а не в патронах, поэтому поставил себе задачу придумать лучший способ изготовления ружей.
Он решил улучшить качество железа, отливая его другим способом. Он официально приступил к экспериментам с железом, которое отливал прямо в печи у себя дома, но изобретение, по-настоящему сделавшее ему имя, произошло почти по ошибке.
Однажды в своей мастерской Бессемер нагревал в печи куски железа. Несмотря на максимальный нагрев, несколько кусочков на верхней полке отказывались плавиться. Бессемера это расстроило, и он стал нагнетать горячий воздух в верхнюю часть печи, а затем пошевелил кочергой куски железа, чтобы узнать, расплавились ли они наконец. К его величайшему удивлению, они оказались не такими хрупкими, как чугун, а пластичными и гибкими. Заметив, что это как раз те куски, что находились ближе всего к потоку горячего воздуха, Бессемер понял, что кислород воздуха, должно быть, среагировал с углеродом и другими примесями железа и удалил их из металла.
До того момента все пытались очистить железо от примесей, нагревая его на углях и другом топливе в открытой печи. Бессемер решил использовать закрытую печь с проходящим через нее потоком теплого воздуха, без какого-либо топлива. По сути, нагревание происходит за счет горячего воздуха, который нагнетается в емкость с крышкой, в отличие от нагревания в открытой кастрюле на газовой конфорке. Кажется, что горящий газ создает больше тепла, чем горячий воздух, но это не так.
Бессемер, должно быть, с опаской наблюдал, как из печи полетели искры, когда началась химическая реакция. Потом в печи начался настоящий ад: в ней тут и там происходили маленькие взрывы, от которых разлетались капли расплавленного металла. Он даже не мог подойти к этой машине, чтобы ее выключить. Спустя десять минут кошмара взрывы прекратились. Бессемер обнаружил, что в результате в печи осталось чистое железо.
Бессемеровский процесс: метод производства стали, который использовался в промышленных масштабах и привел к радикальным изменениям в строительной отрасли
Адские взрывы в печи были результатом экзотермической реакции – химической реакции, в ходе которой выделяется энергия (обычно в виде тепла) при окислении примесей. Когда кислород тихонько поглотил примесь кремния, он среагировал с углеродом, в результате чего выделилось огромное количество тепла. От этого тепла железо нагрелось куда больше, чем это могла позволить сама печь, так что Бессемеру не нужны были дополнительные источники тепла.
