Как в те далекие времена, когда оружейное ремесло приравнивалось к искусству, так и в нашу эру науки и высоких технологий именно ножи служат самым трудным "тестовым заданием" для сталеваров. Лезвие ножа должно быть прочным и гибким, а его режущий край - твердым, но не хрупким. Поэтому нужно тщательно контролировать состав сплава и процесс производства стали. Чтобы правильно выбрать нож, надо знать свойства стали.
Напряжение и деформация, изгиб и излом
Нож - это простейший инструмент, с помощью которого мы режем предметы на части. Он представляет собой клин и благодаря выигрышу в силе превращает малые направленные вперед силы в большие разделяющие силы. Когда вы надавливаете ножом на морковку, чтобы разрезать ее, его режущий край входит в морковь, в то время как обе скошенные грани лезвия действуют на половинки овоща с огромными горизонтальными силами. Одна половинка перемещается влево, а другая — вправо, и морковка аккуратно разделяется надвое.
Твердость - это мера сопротивления материала проникновению в него инструмента, деформации, истиранию и износу. Хрупкость говорит о склонности материала к растрескиванию при деформации. Лезвие хорошего ножа должно быть твердым, но не хрупким; оно может слегка изогнуться, когда вы шинкуете морковь, но не должно сломаться, даже если открыть им консервную банку.
Контроль твердости, хрупкости и других свойств стали — сложная задача, которую приходится решать на всех стадиях производства. Иногда один и тот же предмет может обладать разными свойствами - так, режущий край качественного ножа тверже остальной части лезвия. Чтобы понять, как этого добиваются, давайте сначала посмотрим, как сталь реагирует на приложенные извне усилия и как зависят ее свойства от микроскопической структуры. Все это касается не только стали, но и многих других материалов.
Если вы мягко надавите на твердое тело, оно деформируется пропорционально приложенному усилию. Эта зависимость описывается законом Гука. Допустим, тело — это лежащий стальной брусок; если вы на него наступите, он деформируется в очень незначительной степени пропорционально вашему весу. Выяснив, насколько ваш вес деформирует брусок, вы сможете судить о свойствах стали, из которой он отлит.
Но деформация зависит и от размеров бруска. Чем шире его поверхность, тем больше распределен ваш вес и тем меньше искажается форма бруска. Поскольку нас интересует сталь, а не брусок, мы разделим ваш вес на площадь его поверхности и получим напряжение, возникающее в материале.
Напряжение - это величина силы, которая действует на единицу площади поверхности, мера сжатия стали. Однако на изменении формы бруска сказывается и его высота. Каждый сантиметр металла слегка сжимается, поэтому высокий брусок сжимается сильнее, чем низкий. Опять-таки нам интереснее, как ведет себя сталь, а не брусок, и, разделив изменение высоты бруска на его первоначальную высоту, мы получим относительное удлинение (деформацию) стали.
Зависимость между возникающим в образце стали напряжением и вызванной этим напряжением деформацией описывается законом Гука: где модуль Юнга показывает, насколько трудно сжать сталь. Деформация (относительное удлинение) — просто число, безразмерная величина, а физический смысл напряжения и модуля Юнга — это давление, и они измеряются в паскалях (Па).
Модуль Юнга характеризует межатомные взаимодействия, которые обеспечивают целостность материала. В твердом веществе между атомами действуют силы притяжения и отталкивания, и при нормальном расположении атомов эти силы уравновешены. Если попытаться сблизить или раздвинуть атомы, равновесие нарушится, внутренние силы будут противодействовать внешнему усилию.
Чем прочнее связаны меж собой атомы, тем выше модуль Юнга и тем меньше деформируется материал при сжатии. В стали межатомные силы - это преимущественно силы взаимодействия атомов железа друг с другом, поэтому можно считать, что модуль Юнга стали примерно равен модулю Юнга железа - 195 ГПа (195 гигапаскалей, или 195000000000 Па). При такой огромной его величине сжать сталь чрезвычайно трудно.
Если на кубик стали со стороной 1 см наедет городской автобус, он станет ниже менее чем на микрон. Такой же свинцовый кубик сожмется в 14 раз сильнее, а кубик вольфрама — вдвое меньше.
В данном случае напряжение - растягивающее, а не сжимающее - отрицательно, и вызванная им деформация (растяжение, а не сжатие) также отрицательна. Сжимая или растягивая образец стали, вы испытываете на прочность межатомные взаимодействия, а величина модуля Юнга не меняется. Как правило, модуль Юнга измеряют для растягивающего напряжения, а не для сжатия, потому что тонкий образец материала при сжатии погнется, а при растяжении может остаться ровным и гладким.
Но стальной брусок может подвергаться не только напряжению сжатия и растяжения. Если толкать его нижний край влево, а верхний — вправо, возникает напряжение сдвига. Такое напряжение заставляет брусок изогнуться и является причиной деформации сдвига в металле.
Деформация сдвига определяется по углу изгиба, вызванного напряжением сдвига. При относительно небольших силах деформация сдвига пропорциональна напряжению сдвига: где модуль упругости при сдвиге (жесткость на сдвиг) показывает, насколько трудно изогнуть металл.
Напряжение и деформация служат критериями при определении сорта стали. Важнейший показатель качества ножа - его реакция на напряжение. Модуль Юнга и жесткость на сдвиг одинаковы для всех сортов стали, поэтому при слабых напряжениях их различить трудно. Существенная разница становится заметна только при больших напряжениях. Сталь начинает гнуться и ломаться, и мы понимаем, чем хороший нож отличается от плохого.
