Мудрость эксперимента - Борис Иванович Смагин

А для атомной физики и доли микросекунды — гигантская величина.

Но тут, в лаборатории, где изучают свойства сегнетоэлектриков, нас окружает старая классическая физика. И временные интервалы подчас совсем другие. Диэлектрическая вязкость накладывает на все процессы суровые ограничения. Долгими часами тянется переполяризация сегнетика. Медленно, не торопясь, подтягиваются отставшие от основных рядов домены, безо всякой спешки образуются новые. И хотя внешнее поле давно установилось, в сегнетике еще долго продолжается эта муравьиная работа. Слабые, но упорно не исчезающие скачки Баркгаузена и уменьшение петли гистерезиса — свидетели тому.

Но научные объяснения его пока еще в тумане. Почему все-таки процессы идут так нестерпимо медленно, даже с точки зрения классической физики? Что же происходит с доменами, как узнать досконально об их поведении за все это время?

Физики работают, ищут ответы на эти вопросы.

Так снова завязывается очередной виток спирали, ведущей к познанию. Новое понятие, новая физическая теория, новые эксперименты, новый вклад в бездонную кладовую технических новинок и исследовательских методик, снова очередная загадка природы, ответ на которую несомненно вызовет к жизни иные, еще более интересные загадки.

Ведь не зря говорят, что самое интересное в науке всегда впереди.

Эффект Баркгаузена не единственный пример, когда физики вспоминают о, казалось бы, давно изученном явлении, и обретает оно новую жизнь. Ничто не остается заброшенным. Современная техника многогранна, в ней находят себе место физические явления, сколь бы редкими они ни выглядели.

Эффект Баркгаузена забронировали исследователи структур и динамики поведения ферромагнетиков и сегнетоэлектриков. А не менее оригинальным и не более удачливым поначалу эффектом — сверхпластичностью занялись технологи. Но не сразу...

На первом этаже одного из корпусов Института металлургии АН СССР имени Байкова расположен своего рода опытный завод. Тут есть все для обработки металлов. Штамповка, тяжелые прессы и даже «миниатюрный» прокатный стан. Миниатюрный, конечно, с точки зрения больших заводов. Здесь он выглядит вполне солидно.

Заготовка — плотная полоса белесоватого силумина (так называют литейщики сплав алюминия с кремнием) — не торопясь начинает «путешествие» между валками пресса. Один раз, другой, третий... Металл худеет прямо на глазах, несмотря на всю свою табличную хрупкость. Вот он уже стал лентой, вот уже лента, окончательно похудев, превратилась в тонкую фольгу.

— Двадцать микрон! — торжествующе говорит Александр Сергеевич Тихонов — металловед, впервые осуществивший эту операцию. — Двадцать микрон, — повторяет он, выключая мотор.

Я рассматриваю пленку с гордостью человека, на глазах которого совершилось маленькое чудо.

Но окончательно поражает зрителя обыкновенный чугун. Восемьдесят процентов удлинения металла, хрупкого, что известно любому школьнику, — это уже действительно близко к чуду.

Ученые любят демонстрировать опыты, вступающие в конфликт со здравым смыслом, опрокидывающие привычные понятия. Зрелище всегда интересное и поучительное, так как показывает, как разнообразна и нешаблонна природа, сколько неожиданностей таит она в себе.

И чугунная фольга — сочетание слов, немыслимое по существу, — лишь наглядное проявление почти фантастического поведения твердых тел, имя которому сверхпластичность.

Да, сотни сплавов и чистых металлов могут быть при известных условиях сверхпластичными. При этих условиях, обычно при высоких температурах и особых методах обработки, сплав или металл вдруг забывает, что он — образец стойкости и хрупкости, и готов удлиняться, словно резина, в сотни и тысячи раз.

Открытие произошло чисто случайно. В 1934 году наткнулся на эффект сверхпластичности английский ученый Клод Пирсон. Он наблюдал странное удлинение образцов некоторых сплавов, но не придал этому значения.

Серьезные научные исследования начались лишь через одиннадцать лет, когда советские металловеды А. А. Бочвар (ныне академик) и 3. А. Свидерская обнаружили, что сверхпластичность — термин предложили они — не экзотическое явление, не удел редких, судьбою выбранных сплавов, как посчитал вначале Пирсон, а нечто большее, присущее и другим материалам металлургии. Они высказали и первые предположения о сущности и физических основах эффекта.

Но долгое время технологи начисто игнорировали сверхпластичность, считая ее лишь предметом теоретических «изысков» ученых-металловедов, не более того.

Между тем круг сверхпластичных материалов энергично расширялся. В список попали и чистые металлы, и сверхпрочные титановые сплавы, сплавы железохромистые, сплавы никеля с хромом, никеля с молибденом — практически все важнейшие материалы современной металлургии.

Наблюдения продолжались, а теория лишь кое-как объясняла результаты отдельных экспериментов. Но объясняла постфактум, после опыта, не пытаясь предсказать и рассчитать эффект заранее.

В Институте металлургии имени Байкова сверхпластичностью занялись доктор технических наук Минас Хачатурович Шоршоров, кандидат технических наук Александр Сергеевич Тихонов (сверхпластичность была для него логическим продолжением всего, чем он занимался раньше) и доктор физико-математических наук Кирилл Петрович Гуров. Они и создали флуктуационную модель, основу для прогнозов поведения различных сплавов и металлов.

Как единый монолит выглядит кусок металла, носящий в физике наименование поликристалла. И сколько огрехов можно найти в его строении!

В самом деле, где же порядок в этом скопище мелких кристаллических зерен, перемешанных друг с другом? В каждом из них что-нибудь сломано, чего-нибудь недостает. В каркасе кристаллов зияют дыры, куда-то исчезли большие куски отдельных ребер. Это дислокации — так называют кристаллографы подобные нарушения. Да и вся ажурная конструкция отступает от строжайшей симметрии. Отсутствуют отдельные звенья или прилепились новые, вроде как бы посторонние.

Если мы дойдем до элементарных кирпичиков, образующих кристаллические постройки, то и тут не найдем порядка: в миниатюрном кубике вместо обычных 9, 14 или 15 атомов — на один меньше, появились пустоты, на языке кристаллографов — вакансии.

В общем, беспорядок.

Но для сверхпластичности он и нужен. Она «стоит на беспорядке». И чем мельче зерна, чем больше в них различных дефектов, тем лучше.

Кусок резины, сжатый рукой, становится копилкой внутренней энергии. Так велит непреклонный закон сохранения энергии.

И поликристалл конденсирует всю работу, что пошла на всевозможные разрушения его кристаллической решетки и на измельчение зерен.

Кристалл буквально насыщен энергией: подвижнее стали его атомы, изменилась скорость, с которой он реагирует на внешние нагрузки.

Тем самым поликристалл как бы попал в область предплавильных температур, когда все готово для внутреннего переворота. Готовность номер один может разрешиться взрывом, если кристалл дополнительно подогреют, то есть передадут ему еще порцию энергии. Вот