Периодическая таблица Менделеева подробно повествует о свойствах химических элементов, их взаимосвязи— в этом ее назначение. Но может она рассказать и кое-что «сверх программы». Например, о последовательных этапах научно-технического прогресса. Ведь еще с начала нашего века лишь небольшая часть элементов, объединенных периодической системой, находила себе полезное применение. А сейчас «работают» почти все. И на каждом новом этапе развития техники, военного дела, когда предъявлялись новые требования к материалам, химики, физики, опираясь на данные о строении вещества, должны были исследовать все новые элементы периодической таблицы и их соединения, чтобы выполнить очередной «заказ».
От железа к алюминию и дальше
В начале нашего века запросы техники удовлетворялись железом, сплавами на его основе, а также медью и некоторыми другими металлами. «Железные» сплавы и сейчас не утратили своей ведущей роли. Их потребление из года в год увеличивается, и до последнего времени мировое производство стали в пять раз превосходит производство всех остальных металлов, вместе взятых. Однако развитие науки и техники требовало материалов с новыми, иными, чем у стали, качествами. Так, авиации нужен был столь же прочный, но куда более легкий металл, чем сталь. Этим качествам отвечал алюминий (порядковый номер в таблице Менделеева — 13) и его сплавы.
Плотность алюминия 2,7 г/см>3, он примерно в три раза легче железа и меди. Алюминий обладает также высокой коррозионной стойкостью к воде. Правда, чистый алюминий имеет небольшую прочность — 6–8 кг/мм>2, поэтому в авиации применяются сплавы алюминия с другими металлами: медью, магнием, кремнием, цинком, марганцем, железом. Термически обработанные соответствующим образом, эти сплавы имеют прочность, сравнимую с прочностью среднелегированной стали, и применяются в качестве конструкционных материалов в авиа- и ракетостроении. Сплав алюминия с цинком, магнием и медью, например, имеет высокую прочность—70–80 кг/мм>2. Он широко применяется во всем мире на военных и пассажирских самолетах — в основном для той зоны конструкции, где повторные нагрузки практически не опасны. Для обшивки самолетов, которая работает в условиях вибраций и многократных переменных нагрузок, применяется другой алюминиевый сплав: алюминий — медь — магний — кремний.
Часто лопасти винтов вертолетов изготовляют из сплава алюминия с магнием и кремнием. Он может работать в условиях вибрационных нагрузок и обладает очень высокой коррозионной стойкостью.
Легкие конструкционные алюминиевые сплавы широко применяются в ракетной и космической технике. Так, самая мощная в США ракета «Сатурн-5», с помощью которой были запущены космические корабли «Аполлон», сделана из алюминиевого сплава (алюминий — медь — марганец). Огромные баки для горючего и окислителя на ракете также выполнены из этого легкого, прочного, хорошо сваривающегося, коррозионно стойкого сплава. Из алюминиевого сплава изготовляют корпуса боевых межконтинентальных баллистических ракет «Титан-2».
Совсем недавно, отмечала печать, появились сплавы алюминия с медью и литием. Этот высокопрочный, коррозионно стойкий материал сохраняет прочность при нагреве до температуры 150 градусов. Замечательные физико-химические и механические свойства алюминиевых сплавов открыли им широкую дорогу и в других областях военной техники — бронетанковой, инженерной, радиоэлектронной.
Огромные потребности в серебристом металле содействовали тому, что его мировое производство росло бурными темпами: за первые 43 года нашего столетия оно увеличилось примерно в 175 раз, тогда как выпуск меди лишь в пять раз, а чугуна в три раза. Мировое производство алюминиевых сплавов с середины XX века заняло второе место после стали.
И все же… алюминию пришлось в какой-то мере повторить судьбу железа. Пришло время, и элемент номер 13 из таблицы Менделеева уже не смог удовлетворять требования дальнейшего развития авиации. На место «самого лучшего» (до поры до времени, конечно!) материала встает элемент номер 22 — титан.
В чем же тут дело? А вот в чем.
Большие сверхзвуковые скорости полета поставили на пути авиации «тепловой барьер», то есть значительный нагрев обшивки самолета, в условиях которого прежние авиационные материалы успешно работать уже не могут. Полет со скоростью, в три раза большей скорости звука, приводит к нагреву обшивки до температуры свыше 300 градусов, а при скорости, в пять раз превышающей скорость звука, она достигает уже 1000 градусов!
Без значительного увеличения веса конструкции самолета алюминиевые сплавы могут использоваться только до скорости, соответствующей примерно 2,5 скорости звука. Это можно видеть на примере нового американского тактического истребителя F-111, у которого в качестве конструкционного материала еще широко применяются алюминиевые сплавы и лишь на участках, где развивается высокая температура, используются сталь и другие жаростойкие материалы. А вот большая часть конструкции создаваемого в США сверхзвукового истребителя-перехватчика YF-12 уже выполнена из титановых сплавов. Титан — металл серо-стального цвета; сплавляясь с алюминием, оловом, молибденом, ванадием, хромом, железом, вольфрамом и другими металлами, он образует сплавы, отличающиеся большой прочностью при высокой температуре, относительно малым удельным весом, стойкие к коррозии.
