Лаборатория рентгеноструктурного анализа

(Руководитель проф. С. Т. Конобеевский)

1919—20 годы отмечены серьезным успехом советской рентгенологии. Н. Е. Успенскому совместно с С. Т. Конобеевским удалось установить с помощью лучей Рентгена, что в металлах под воздействием механической обработки возникает своеобразное изменение в расположении кристаллов, так называемая текстура. Рентгенограммы текстурованных металлов имеют особенности, по которым можно точно рассчитывать ориентировку кристаллических зерен, что и было сделано.

Это наблюдение имело существенные последствия и развернуло широкие перспективы для применения рентгеновских лучей в технике обработки металла. Необходимо отметить эту особенность советской рентгенологии — она тесно связана с производством.

Начиная с 1920—25 годов по инициативе Ю. В. Вульфа, проф. Н. Е. Успенского и друг. возникают рентгеновские лаборатории на заводах (на Электрозаводе и на некоторых авиационных заводах) в Москве. В связи с расширением применения рентгеновских лучей в промышленности растет и укрепляется лаборатория рентгеноструктурного анализа при Физическом институте Университета.

По указанным причинам профиль этой лаборатории определяется связью с проблемами металла.

Пластическая деформация металла и в первую очередь деформация основы технического металла — металлического монокристалла — это та область, в которой лаборатория рентгеноструктурного анализа заняла определенное место.

Много внимания этой проблеме уделял покойный Ю. В. Вульф. Можно также упомянуть, что в период 1922—25 годов работами по этой проблеме занимался Физико-технический институт, возглавляемый академиком А. Ф. Иоффе.

Большинство исследователей склонялось к мысли, правда, очень заманчивой, что при внешней остаточной деформации кристалла, элементы этого кристалла, небольшие элементарные блоки, остаются неизменными, и лишь скользят друг по другу. Ряд молодых рентгенологов, объединенных рентгеновской лабораторией Университета (Мирер, Ельников и др.) работали над этим вопросом (1932—34 гг.). Господствующее представление оказалось несколько «механистическим». Реальный кристалл испытывает сложную судьбу при пластической деформации. Скольжение есть только часть общего механизма пластичности. Сдвиги сопровождаются накоплением упругой деформации в разбитых на пачки слоях скольжения. Можно было, изучая рентгенограммы, указать, как упруго деформируется, изги-

209 1929 — 1940

Изучение поликристалла, каким является обычный технический металл, шло по двум линиям: одна традиционно продолжала первые работы по изучению текстуры в холодно деформированных металлах. В работах Жданова, Ивероновой и др. была подвинута как методика, так и получены новые ценные данные по текстурам деформации и рекристаллизации чистых металлов и сплавов. Вторая линия преследовала цель понять те сложные процессы, которые протекают в металлах при нагреве их после пластической деформации. Не перечисляя всех этих работ, можно указать, что в совокупности они выяснили своеобразие протекания этих процессов в твердых растворах. В тех случаях, когда твердые растворы являются пересыщенными, следствием отжига является распад твердого раствора с выделением интерметаллической фазы. Было установлено: 1) пластическая деформация в ряде случаев производит уже сама по себе значительный распад (нержавеющая сталь, дюралюминий), 2) последующий отжиг деформированного сплава ускоряет процессы в тысячи и десятки тысяч раз по сравнению с недеформированным сплавом, поэтому в ряде случаев только сочетание деформации с последующим отжигом способно выявить превращение (бронза, латунь и мн. др.), 3) комбинированная механотермическая обработка приводит к процессам облагораживания или углублению этих процессов в ряде случаев (бериллиевая бронза с присадками).

Бесспорно огромное практическое значение этих работ (в которых принимали участие Селисский, Тарасова, Чикин, Захарова, Горьянов, Сергеев, Черток и др.), так как они, в сущности, создают базу для целой области термообработки цветных и легких сплавов.

Не менее интересными являются также работы по изучению явлений отпуска в нестареющих (однофазных) системах. В настоящее время мы имеем значительное количество фактов, чтобы утверждать, что и в этом случае возможны процессы, весьма напоминающие то, что происходит в явлениях старения, а именно, концентрация атомов в отдельных участках решетки, как следствие самодиффузии в условиях существования неоднородного напряженного состояния. Практически это важно потому, что, как показали недавние, еще неопубликованные работы Ровенского (центральная научно-исследовательская лаборатория треста Госцветметобработка), подобные сплавы (низколегированная алюминиевая бронза) при соответствующих условиях способны к явлениям облагораживания.

К этому же кругу работ примыкают систематические исследования Ивероновой по рекристаллизации сплавов на основе меди и серебра, а также работы проф. А. Б. Млодзеевского, Титова и Чилингарьяна по термоанализу деформированных сплавов (1934—36).

Теоретические работы, легшие в основу экспериментов по превращениям в сплавах, касались двух фундаментальных вопросов кристаллохимии: вопроса о физико-химическом равновесии и вопроса о кинетике кристаллохимической реакции. Последний вопрос, хотя и далек от полного разрешения, но уже в значительной мере подвинут и опирается на большой экспериментальный материал. Разумеется, он не нов для физики, и ряд современных советских и заграничных ученых успешно работает в этой области. Однако можно все же утверждать, что некоторые идеи, выдвинутые рентгеноструктурной лабораторией

210 Член-корр. АН СССР проф. А. С. Предводителев
Московского университета, являлись, а в иных случаях и теперь еще являются оригинальными, служа плодотворным стимулом для постановки экспериментов. Таково представление об условно устойчивом равновесии между пересыщенным твердым раствором и дисперсно распределенной фазой, равновесии, определяемом температурой и другими параметрами, подобно обычному равновесию. Сюда же относится идея об автокаталитическом ускорении процесса превращения, создаваемом напряжениями, являющимися следствием самого превращения (пример: оловянная чума).

Другой теоретический вопрос — о физико-химическом равновесии, более труден. С точки зрения физика, изучающего структуру, этот вопрос формулируется так: какова связь между составом и структурой для отдельной, самой по себе взятой фазы (гомогенное равновесие), или в системе, состоящей из многих фаз (гетерогенное равновесие). Полное решение этой задачи для кристаллов невозможно без знания сил взаимодействия атомов в кристаллической решетке, для металлов это означает применение квантовой теории. По изучению этой области в мировой литературе сделано еще очень мало. Рентгеновская лаборатория попыталась найти частное решение задачи применительно к сплавам на медной основе.

Из работ практического значения, в которых лаборатория использовала выводы из теоретических работ, заслуживают упоминания следующие.

В 1934—35 году в лаборатории был проведен ряд работ по изучению напряжений в чугунных отливках и борьбе с ними. Вопрос этот возник в связи с деформацией чугунных станин станков в процессе их службы. Напряжения изучались как рентгеновским методом, так и методом струны. Работа проводилась на специальных отливках и в цеху на готовых станинах. В развитие сделанной на станинах работы производилось также изучение напряжений и коробления тюбингов для второй очереди Метро (в 1936 г.) и в рельсах при поверхностной закалке по заданию НКПС. Здесь мы не перечисляем других работ, часть которых имела хороший практический эффект, выполненных в порядке технической помощи различными организациями.

Указанные выше исследования по пластической деформации, структуре кристаллов и сплавов представляют основную линию работ, развивавшихся с момента организации лаборатории рентгеноструктурного анализа по настоящее время.

За то же время в лаборатории выросли и некоторые другие направления. Из них упомянем рентгеновскую спектроскопию.

Постановка опытов по рентгеноспектроскопии стала необходимой в связи с работами лаборатории по природе металлической связи. За три последние года, благодаря И. В. Боровскому с сотрудниками, оборудована вполне современная по технике рентгеноскопическая лаборатория. Исследование ведется в направлении изучения связи рентгеновских спектров со структурой и составом интерметаллических фаз. Получен ряд важных закономерностей в абсорбционных спектрах элементов семейств железа, открывающих строение внешних электронных уровней.

Магнитная лаборатория

(Руководитель проф. Н. С. Акулов)

Магнитную лабораторию надо считать самой молодой, потому что руководитель ее принадлежит к наиболее молодому поколению ученых Физического) института и факультета. Несмотря на сравнительно короткий период своей научной деятельности, Н. С. Акулов создал целую школу магнитологов.

211 1929 — 1940

Экспериментальные исследования самой лаборатории и лабораторий зарубежных подвели твердую экспериментальную базу под «Закон анизотропии».

Смысл закона Н. С. Акулова заключается в следующем. Существуют области спонтанного намагничивания. Если нагреть железо или другой ферромагнитный металл до определенной температурной точки, то эти области постоянно рассасываются и, например, железо при температуре свыше 760° делается немагнитным. Когда наступает охлаждение, эти области снова возникают и вместе с тем изменяются все другие физические свойства вещества.

«Закон анизотропии» Н. С. Акулова позволяет рассчитать энергию кристалла при появлении областей спонтанного намагничивания и тем самым решить вопросы, относящиеся к изменению магнитных и других свойств ферромагнитного тела. Многочисленные ученики Н. С. Акулова энергично вели работу в направлении развития теории ферромагнетизма, основанной на законе анизотропии Н. С. Акулова. В 1934 году и позднее Титов и Киренский под непосредственным руководством Н. С. Акулова вели экспериментальные исследования, связанные с решением вопроса о ходе кривых намагничивания как параллельной, так и нормальной составляющих в зависимости от температуры.

Параллельно с этими работами Н. С. Акулов ведет теоретический расчет и дает метод, позволяющий вывести закономерности для температурной зависимости всех важнейших ферромагнитных свойств металла, именно: ход кривых намагничения кристаллов, магнитострикции, механострикции, Δ Ε — эффекта, влияние натяжений на ход кривых намагничения, эффекты Томсон-Нернста, гальваномагнитного эффекта и друг.

После этих работ полное исследование температурной зависимости магнитной анизотропии монокристаллов было произведено Н. Л. Брюхатовым и Л. В. Киренским. Эти авторы установили экспериментальный закон, качественно совпадающий с расчетом Н. С. Акулова. Экспериментальная зависимость, ими найденная, в последнее время (1939 г.) была полностью подтверждена американскими исследователями Вильямсом и Бозартом. Оказывается, величина константы магнитной анизотропии с понижением температуры растет по экспоненциальному закону, причем рост ее для монокристаллов никеля во много раз превосходит рост для монокристаллов железа. Работы в этом направлении Н. Л. Брюхатов продолжает и в настоящее время. Эти работы оказалось возможным осуществить только благодаря тому, что магнитная лаборатория сумела преодолеть трудности, воз-

212 Член-корр. АН СССР проф. А. С. Предводителев
никающие при получении монокристаллов ферромагнетиков никеля и кобальта. Обширные исследования были произведены магнитной лабораторией в связи с тем же законом магнитной анизотропии свойств ферромагнетиков и при постоянной температуре.

Были поставлены работы по исследованию влияния упругих напряжений на ход кривых намагничивания на петлю гистерезиса, на электропроводность, термоэлектродвижущую силу и т. д.

Исследования П. П. Храмова и М. М. Львовой, Д. Ф. Феденева, Д. И. Волкова и К. П. Белова показали, что при слабых упругих натяжениях (приблизительно до 2—3 кг/мм²) зависимость как электропроводности, так термоэлектродвижущей силы от упругих растяжений носит линейный характер. Этими работами было подтверждено правило четных эффектов, установленное Н. С. Акуловым. Сущность этого правила заключается в том, что все упругие эффекты для поликристаллов в области инверсии пропорциональны первой степени растяжения и квадрату относительной интенсивности намагничивания. При этом отношение соответствующих коэффициентов для всех четных эффектов есть величина постоянная, равная произведению начальной восприимчивости на величину магнитострикции кристалла в направлении его легкого намагничивания. Четным эффектом называются эффекты, которые не изменяются при изменении намагничивания на прямо противоположное.

Упомянутые работы ценны в том отношении, что позволяют подойти к решению вопроса, важного для техники, касающегося определения величины внутренних напряжений в ферромагнитном материале магнитным методом.

Кроме того, влияние механических напряжений на изменение магнитной восприимчивости было предметом изучения Н. С. Акулова, Н. В. Бычкова, а также М. В. Дехтяря, который обнаружил новый эффект. Оказалось, согласно наблюдениям М. В. Дехтяря, наложение сначала магнитного поля, а затем внешней механической силы приводят к большей восприимчивости, чем наложение сперва деформирующей силы, а затем магнитного поля.

Н. С. Акулов, основываясь на своем законе магнитной анизотропии, развил теорию потерь на гистерезис в полях переменной интенсивности и затем во вращающемся магнитном поле. В последней работе Н. С. Акулов показал, что в (слабых полях связь спинов с кристаллической решеткой преобладает над связью спинов с внешним магнитным полем; в сильных полях имеет место обратное явление; переход спина от связи с решеткой к связи с внешним магнитным полем аналогичен переходу от аномального эффекта Зеемана, имеющего место в слабых полях, к нормальному эффекту Зеемана в сильных полях. Эта теория показала, что потери на гистерезис должны совершенно отсутствовать как в слабых, так и в сильных полях, доводящих ферромагнетик до насыщения. Полученный вывод находится в хорошем согласии с результатами ряда зарубежных экспериментальных работ, в которых исследовались поликристаллические материалы.

В последнее время Н. Л. Брюхатов, совместно с А. А. Баскаковым, провел работу для проверки заключений Н. С. Акулова на монокристаллах никеля. Ими установлен последовательный переход кривых механических моментов от синусоиды с периодом 2π к синусоиде

с периодом π/2, связанный с переходом от связи вектора намагничивания с кристаллической решеткой к связи его с внешним магнитным полем при усилении последнего.

Исследования по анизотропии монокристаллов позволили магнитной лаборатории создать новую методику магнитного анализа тексту

213 1929 — 7940

ры вальцованных ферромагнитных материалов. Н. С. Акулов совместно с Н. Л. Брюхатовым создал теорию этого анализа и дал способы его применения в технике.

Большая заслуга принадлежит магнитной лаборатории в использовании статистических методов при расчете четных эффектов.

Н. С. Акулов и Е. И. Кондорский дали выражение, позволяющее рассчитать любой упругий эффект.

Следует упомянуть о серии работ Е. И. Кондорского, в которых автор с большой настойчивостью проводил идею о смещении границ между магнитными фазами, и о задержке этого смещения напряжениями в решетках кристалла. Исходя из этих представлений он дал теорию обратной восприимчивости и коэрцитивной силы. Наиболее крупным результатом указанной теории является установление количественных зависимостей с обратной восприимчивостью коэрцитивной силы и остаточного намагничивания от упругих напряжений. Работы Е. И. Кондорского получили известность и развитие у американских ученых.

Магнитная лаборатория, одновременно с американскими исследованиями, подошла к вопросу использования магнитных суспензий для анализа магнитной структуры магнитных монокристаллов, а также к применению этих суспензий в технике для так называемой магнитной дефектоскопии.

В этом отношении необходимо указать на работу Н. С. Акулова совместно с М. В. Дехтярем. Эта работа явилась основой для дальнейших работ в этом направлении. В работе была установлена зависимость Биттеровских линий осаждения от механических напряжений в ферромагнитном кристалле и эффект их переброса под явлением внешних давлений производимых на кристалл.

Развитие анализа магнитной структуры монокристалла продолжалось в работах Н. С. Акулова совместно с И. А. Базуриным. Этот метод, в частности, был применен и в исследовании структуры чрезвычайно редкого метеорита «Бугуславк», который представляет из себя огромных размеров монокристалл железо-никелевого сплава. Исследование велось по просьбе акад. В. И. Вернадского в магнитной лаборатории.

Метод магнитных суспензий получил широкое применение в технике. При помощи этого метода оказалось возможным обнаружить мелкие трещины, невидимые глазом, на поверхности металлических деталей.

Магнитная лаборатория по заданиям промышленности выполнила ряд конструкций соответствующих приборов для контроля механической прочности изделий. За последнее время лаборатория разработала прибор для контроля распада аустенита.

Лаборатория электромагнетизма им. Максвелла

(Руководитель проф. В. К. Аркадьев) Научная работа лаборатории электромагнетизма им. Максвелла в 1930 году и в следующие годы протекала по двум руслам: по изучению электромагнитных колебаний и волн в эфире, и по изучению распространения волн в металлах.

В области электрических колебаний была проведена большая работа по классификации колебаний разных частот и волн разной длины. Вполне естественно, что именно лаборатория им. Максвелла взяла на себя эту задачу: в этой лаборатории за несколько лет перед тем были получены электрические колебания большого интервала, заполнившие долго пустовавший промежуток между волнами инфракрасными или «тепловыми» и герцевыми волнами. В ряде статей и работ лабора-

214 Член-корр. АН СССР проф. А. С. Предводителев

Научными сотрудниками А. А. Глаголевой-Аркадьевой получен ряд результатов большого значения: была выяснена зависимость излучения от состава массы, пределы излучаемого спектра, обнаружено, что при целесообразно выбранном питании массовый излучатель может давать энергию большой мощности. Все эти работы имеют значительный научный и технический интерес, так как массовый излучатель является источником устойчивых наиболее коротких волн, возбуждаемых электрическим способом, отношение которых к веществу нам еще почти неизвестно.

Для исследования сантиметровых волн и еще более длинных, лабораторией был введен в ультрарадиотехнику новый метод, подобный фотографии. Лабораторией предложена чувствительная к высокопеременным электрическим полям электрохимическая пластинка в виде особым способом пропитанной бумаги, лежащей на изоляторе. Этот метод, названный стиктографией, позволяет получать на бумаге при помощи электрических волн тени и изображения. Таким путем впервые было получено изображение герцевского вибратора при помощи им самим испускаемых лучей. Изображение представляет собой картину, подобную изображению звезды в астрономической трубе.

Задачи изучения поведения металлов на протяжении всей скалы электромагнитных волн сделали необходимым получение не только быстро меняющихся полей ультрагерцевых волн, но и наиболее медленных из колебаний, указанных выше. Для их генерации был выработан специальный аппарат, названный реостатным альтернатором.

При намагничивании сердечников трансформаторов, дросселей, электромагнитов и их якорей возникновение магнитного потока тормозится образующимися в ферромагнитном металле электрическими вихревыми токами (токами Фуко). Вследствие их образования, как появление, так и исчезновение намагниченности в теле происходит, прежде всего, в поверхностных слоях тела. Это явление, носящее название скин-эффекта, имеет большое значение в названных выше приборах. Теория скин-эффекта имеет пятидесятилетнюю давность, ей посвящено очень много исследований. Математическая задача скин-эффекта в ферромагнитных металлах (железо, сталь, никель, их сплавы и

215 1929 — 1940

т. п.) весьма сложна. Лабораторией в ряде работ даны общие методы исключения скин-эффекта и точного и быстрого определения магнитных характеристик вещества. Одновременно выяснено, что при вычислениях могут получаться различные значения магнитных характеристик (проницаемости). Это могут быть значения в отдельной точке или средние значения по длине, по сечению, по объему. Одни из них характеризуют магнитную энергию, которая накопляется и затем возвращается обратно, в других случаях получают проницаемость, характеризующую энергию электромагнитного процесса, обращающуюся в тепло. Таким образом возникает консервативная проницаемость и консумптивная проницаемость. Эти величины могут относиться как к самому веществу, так и к исследуемому телу в среднем. При анализе встречающихся на практике случаев было выяснено, что существует более 66 основных видов проницаемости. Они систематизированы в особых таблицах (1933 г.).

Теоретическое изучение процессов в среде с магнитной вязкостью, поставило вопрос о решении уравнений Максвелла с некоторыми дополнительными условиями. Эта работа для случая апериодического поля и полупространства выполнена А. Н. Тихоновым. Ее результаты могут быть применены также к некоторым задачам теплопроводности и диффузии.

Некоторые случаи намагничивания вязкого материала в соленоиде рассмотрены В. К. Аркадьевым. Он пришел к уравнениям ультрапериодического изменения тока в цепи с индуктивностью и емкостью. Им дано физическое истолкование математических результатов

A. Н. Тихонова, относящихся к пластинке, в виде простой линейной диаграммы, показывающей переход апериодического процесса из начальной стадии через стадию вязкости, в стадию, где вязкость уже не сказывается.

Исходя из данных лабораторией новых методов расчета процессов, протекающих в жести и в проволоках (пластинка и цилиндр), О. И. Белецкая обработала имевшийся обширный материал по намагничиванию трансформаторной жести в переменных полях. Полученные выводы приводят к весьма важным заключениям о поведении указанного электротехнического материала в периодических полях разных периодов (1935 г.)

О. И. Велецкая и В. М. Гойтанников в советском пермаллое обнаружили полосы магнитной вязкости в звуковых частотах (1938 г.). Магнитная вязкость должна проявляться и в апериодических процессах намагничивания.

Математический анализ динамических кривых размагничивания привел К. А. Волкову к установлению побочного фактора в этом процессе, который был подтвержден работой Р. В. Телеснина. Исключив его из своих опытов, Р. В. Телеснин получил ряд весьма интересных кривых намагничивания, размагничивания и перемагничивания железных проволок и лент толщиной до нескольких микронов (1937 г.). Эти работы подтверждают старые наблюдения Б. А. Введенского (1921 г.), обнаружившего участие магнитной вязкости в процессе размагничивания.

Результаты работ лаборатории им. Максвелла отражены в книге

B. К. Аркадьева «Электромагнитные процессы в металлах», которое является основным руководством преподавания на кафедре теоретических основ электротехники, основанной в 1939 году на базе лаборатории электромагнетизма.

Всего лабораторией за второе десятилетие ее работы (1930— 1939 г.) было опубликовано около 100 статей и подготовлен ряд молодых научных работников.

216 Член-корр. АН СССР проф. А. С. Предводителев