Следующим экспериментом стала ковка при разных температурах. При этом обнаружились изменения в структуре. Мало того — каждому сорту стали соответствовала определенная температура.
Изучая эти температуры, Чернов определил две самые критические. Первая температура, которую он назвал "точка а", отличалась удивительным свойством: понемногу темнеющая при остывании масса вдруг снова раскалялась, как бы вспыхивала и потом снова начинала темнеть, но уже до конца. Такое явление наблюдалось не всегда; при быстром охлаждении его не было.
Непонятная вспышка требовала объяснения. Чернов предположил, что при этой температуре сталь претерпевает какое-то внутреннее преобразование.
Чернов провел еще один эксперимент — он приказал закалить две болванки: прошедшую критическую точку и не прошедшую. Болванка, не прошедшая критическую точку, закалки не приняла, оказалась мягкой. Это было первое из многих открытий Чернова.
Чернов повторил эксперимент десятки раз и убедился, что ошибки не было.
Но это не решило главный вопрос — почему сталь получается то крупнозернистой, то мелкозернистой. Многие полагали, что для получения мелкой зернистости нужно усилить давление на сталь при ковке. Эксперименты мало соответствовали этой теории, но Чернов внимательно стал ее проверять. И нашел ключ к решению — "точку b", которая стала вторым его открытием. Эта точка тоже соответствовала определенной температуре. Металл при ковке остывал, и в какое-то время наступал малозаметный момент, когда поверхность начинала словно морщиться и лущиться. Отмечали это, конечно, и до Чернова, но только он зафиксировал для себя эту точку и начал проводить с ней эксперименты.
Выяснилось следующее. Сталь, которую нагревали не доходя до "точки а", не закаливалась совсем. Сталь, прошедшая "точку а", но не достигшая "точки b", начинала принимать закалку, "но по виду излома можно заключить, что в ней не совершается еще заметной перегруппировки частиц", отчего и после быстрого, и после медленного нагрева структура стали оставалась такой же, что и до нагрева. После же нагрева выше "точки b" происходила быстрая перегруппировка частиц; сталь образовывала аморфную воскообразную массу, которая при быстром охлаждении ниже "точки b" оставалась без перемены аморфной. При медленном же охлаждении масса начинала кристаллизоваться, то есть снова распадалась на отдельные зерна.
Из новой стали начали делать не только стволы крупнокалиберных орудий, но и стволы винтовок Мосина, пулеметов "максим", вагонные оси, колеса, корпуса судов и броневые плиты…
Вскоре перед Д.К. Черновым встала новая задача. Генри Бессемер открыл новый способ получения стали. Изобретатель гидравлического пресса и нового метода золочения бронзовой пылью различных изделий, Бессемер пришел в металлургию из другой области и, не обремененный традиционными представлениями, как бы между делом революционизировал металлургию. Для изобретенного им орудия требовалось отлить сталь более дешевым и быстрым способом, чем тот, что применялся, и он стал продувать чугун в тигле воздухом, чтобы усилить реакцию окисления углерода.
В первых же своих опытах Бессемер обнаружил, что при продувании сгорающие примеси — углерод, марганец и кремний — быстро выгорают, значительно повышая температуру. Это повышение резко снижало потребности в горючих материалах. Но… при воспроизводстве в России конвертера Бессемера обнаружилось, что сталь получается разного качества. Почему?
Этим вопросом занялся Чернов. Первым делом он решил определить наилучший способ наблюдения процесса и выбрал спектроскоп. Изменения в спектре позволили ему четко фиксировать превращения в ходе плавки стали. Этих превращений оказалось четыре. Примеси сгорали в разное время, что меняло характер и режимы плавки.
И вскоре установил, что: в плохом качестве стали, полученной бессемеровским методом, виноваты большое количество кремния и "слишком горячий ход процесса при перегретом чугуне". Чернов определил и те режимы, которые требовались для русского малокремнистого чугуна.
Однажды ученик Чернова подполковник Берсенев привез из Англии большой стальной кристалл, из усадочной пустоты стотонного слитка. Такой кристалл, не встречая препятствий для своего роста со стороны других кристаллов, достигает больших размеров, причем его форма не искажается. На заводе этим кристаллом никто не заинтересовался, и англичане охотно подарили его Берсеневу.
Сейчас изображение этого кристалла можно видеть, наверное, во всех учебниках по сталелитейному делу. Этот кристалл помог Чернову понять образование внутренней структуры стали:
"Одно вещество, более мягкое, более углеродистое, бросает оси, а другое, менее углеродистое, оставаясь в то время еще жидким, тотчас же вслед за тем облепляет ростки".
Из чисто теоретического вывода Чернов сразу сделал практический вывод: для лучшего уплотнения стали наряду с применявшимся способом прессования жидкой стали он разработал метод разливки во вращающиеся изложницы "В самом деле, если при отливке стали в изложницу эту последнюю приводить в быстрое вращательное движение, то растущие нормально к поверхности изложницы разрывные кристаллы не в состоянии будут так сильно развиваться, как это имеет место при спокойном росте, и сталь будет нарастать гладкими, аморфного сложения слоями".
Но и найдя этот метод, Чернов не прекратил научных исследований. Немецкий промышленник Крупп, воспользовавшись "точками Чернова", стал выплавлять сталь, не худшую, чем в России, а затем — и лучшую. А Крупп выпускал и снаряды.
Русский ученый решил выяснить, почему немецкие снаряды оказались лучше русских. Он надрезал снаряд Круппа вдоль так, чтобы потом при помощи клиньев получить правильный его излом. Для анализа требовался не срез, а именно излом. При этом обнаружилась удивительная вещь — внешняя оболочка снаряда резко отделялась от внутренней, причем местами могла совершенно отделяться. Отсюда был сделан вывод, что закалке подверглась лишь внешняя часть снаряда и этой закаленной оболочке придавали не очень прочную связь с внутренней массой. Благодаря этому при ударе о препятствие трещины не распространялись внутрь снаряда и он не разлетался на куски.
Такая идея была совершенно неожиданной — чтобы снаряд меньше разрушался, создать в снаряде сравнительно непрочный слой.
Разгадав главный принцип крупповских снарядов, Чернов предложил свой метод — путем подбора скорости охлаждения и повторных охлаждений получить не одну простую корку твердой стали, а двойную.
Это был совершенно иной принцип, чем у Круша, но в какой-то мере навеянный крупповским снарядом.
Чернов провел опыт с однннадцатидюймовым снарядом.
После нагрева снаряд был погружен в холодную воду на две минуты, затем вынут из воды на полминуты, вторично погружен в воду на три четверти минуты и опять вынуть на полминуты, в третий раз погружен в воду на одну минуту и опять вынут на двадцать секунд, затем его перенесли в горячую ванну с температурой сто восемьдесят пять градусов, где он оставался двадцать минут.
Температура ванны поднялась за это время до двухсот тридцати градусов, и снаряд уже имел по всей массе одинаковую температуру. Зарытый потом в сухую теплую золу, он остывал в течение двадцати четырех часов.
Все эти тщательно рассчитанные температуры и скорости охлаждения и отпуска сделали свое дело: положенный боком на наковальню пятитонного молота, снаряд этот выдержал пятнадцать полных ударов совершенно без всяких повреждений, даже без вмятин в точках удара. Между тем снаряд Круппа разбился при повторном ударе этого пятитонного молота.
Русские снаряды превзошли снаряды Круппа.
Удивительнейшие когда-то были времена — один русский ученый вел поединок со всем миром. И ни разу не проиграл.
Потом возникла новая проблема, которую Чернов снова удачно решил. Каналы стальных орудий рано или поздно выгорали; это считали неизбежным — но когда профессору Михайловской артиллерийской академии А.В. Гальдони один из слушателей задал вопрос "Почему выгорают каналы в стальных орудиях?", он вдруг понял, что с научной точки зрения этим вопросом никто серьезно не занимался. Этот вопрос мало освещался и в зарубежной литературе. А.В. Гальдони обратился к преподававшему в той же академии Д.К. Чернову.
Судя по тому, что в том же году Чернов начал читать курс о выгорании каналов в стальных орудиях, ответ был найден очень скоро. По докладу, сделанному ученым много позже, можно восстановить методику его поиска. От частной задачи он перешел к общей — исследовать разрушение поверхности металлических предметов, когда поверхность оказывается в условиях резких и быстрых изменений температуры поверхности.
После этого он прибег к аналогу, найдя схожий технологический процесс — горячую штамповку. Раскаленная заготовка вкладывается в нижнюю половину штампа, потом накладывается верхняя половина штампа и делается сильный удар молотом. После этого снимают верхний штамп, выбрасывают отштампованную вещь, обливают штамп водой для охлаждения и без промедления штампуют следующую заготовку. После более-менее продолжительной работы на внутренней поверхности штампа появляется сеть трещин.
