Метод Векшинского

A. МЕШКОВСКИЙ

Воображение каждого человека, не искушенного в науке о металлах, наверняка будет поражено тем необъятным количеством рецептов, какое обычно приводится в металлургических справочниках для металлов сложного состава. В чистом виде, порознь, металлы редко используются людьми. Почти все металлические вещи, окружающие нас,— от иголки, до фрезерного станка, от детской игрушки до самолета, от перочинного ножика до паровоза — сделаны из сплавов, то есть соединений нескольких металлов друг с другом и с неметаллами. В современной технике сплавов употребляется так много, что металловедам доставляет, пожалуй, немало заботы придумывание для них подходящих имен. Вот почему самые причудливые названия сплавов, вроде какого-нибудь аларгана или сидерафита, украшают обычно книги металловедов.

Для чего же нужно такое разнообразие комбинаций? Откуда взялась эта сложность, почему нельзя делать вещи из простых металлов?

Рассчитывая конструкцию самолета, инженер ищет металл, соединяющий в себе возможную легкость с достаточной прочностью. Электротехник заинтересован в наибольшей электропроводимости проводов, передающих ток. Специалист по холодной обработке металлов хочет иметь для резцов материал возможно более твердый. Для электромагнитов требуются металлы с хорошими магнитными свойствами, для точных приборов и механизмов —- металлы, не изменяющие объема при нагревании. Нужны металлы, не ржавеющие в воде и на воздухе, или легко трущиеся друг о друга, или плохо проводящие тепло, или не плавящиеся даже при нескольких тысячах градусах, или, наоборот, готовые расплавиться уже при самом небольшом нагревании. Нужны металлы, не становящиеся хрупкими даже при температурах вблизи абсолютного нуля, или металлы, не тускнеющие от жара, или не меняющие электросопротивления при повышении температуры, или не боящиеся пагубного действия химических кислот.

Сотни самых разнообразных требований предъявляет к металлам современная техника. А между тем чистых металлов в природе насчитывается лишь около семидесяти. Да и то многие из них только редкие гости лабораторий и не имеют пока практического значения. Лишь сорок металлов используется сейчас людьми. И от них-то техника требует сотен и даже тысяч отличий в их свойствах.

Как же выполнить подобное требование?

Многотысячелетний человеческий опыт показывает, как это сделать. Давно, уже с бронзового века, люди научились для своих практических целей соединять, сплавлять различные металлы друг с другом, комбинируя их по два, по три и больше и меняя вдобавок в каждой такой комбинации пропорцию входящих в нее элементов. Оказывается, что подобные сложные металлы, или, иначе, сплавы, часто обладают совсем иными свойствами, чем составляющие их вещества. Так, например, маленькие добавки к алюминию меди, марганца и магния повышают его прочность в три раза, оставляя при этом почти неизменным его самое драгоценное качество — легкость. Это дюраль — металл, без которого было бы невозможно самолетостроение. Добавки к стали хрома делают ее нержавеющей, а вольфрама и молибдена — жароустойчивой. Сплав железа с никелем - инвар - обладает замечательным свойством: не расширяться при повышении температуры; сплав висмута, свинца, олова и кадмия, изобретенный американским физиком Вудом, имеет необычайно низкую температуру .плавления; сплав меди, марганца и алюминия обладает такими магнитными свойствами, каких совершенно нет у входящих в него элементов. Другими словами, свойства сплава определяются его составом, и иной раз малейшее изменение пропорции или ничтожная примесь приводят к рождению нового сложного металла, с новыми, подчас даже непредвиденными свойствами.

На рисунке показано явление
«молекулярных теней».
Между медным шариком,
распылявшимся в пустоте,
и стеклянным диском была
помещена вырезная трафаретка
изображенная на верхней
картинке. Трафаретка дала
«молекулярную тень» —
среди медного слоя появился
рисунок серпа, молота и
колосьев, — эти места
медью не покрылись.

Вот почему металловеды всех стран и времен напряженно искали и ищут дальнейших рецептов сплавов, И они находят их, но, увы, часто совершенно случайно. И если, желая избавиться от этого приятного, но слишком ненадежного товарища — счастливого случая металловеды начинают планомерно перебирать всевозможные комбинации интересующих. их металлов, то они сразу наталкиваются на непреодолимые трудности.

Судите сами. Пусть исследователь хочет всесторонне изучить, например, свойства двойных сплавов, то есть сплавов, состоящих только из двух металлов. Из сорока металлов, имеющих для нас сейчас практическое значение, можно составить, как это показывает математика, 780 сочетаний по два различных металла. Если ограничиться скромным требованием, чтобы для каждого такого сочетания образцы отличались друг от друга по своему составу на один процент, то и в этом случае исследователю придется изготовить в общей сложности не менее 7 800 образцов. Над этим количеством образцов он должен будет проделать самые разнообразные опыты, чтобы получить нужные технике сведения, узнать их механические, электрические, тепловые, магнитные, химические и иные свойства. Это — громадный труд. Но он становится вовсе -непосильным, если попытаться перейти к подобному планомерному обозрению тройных, четверных и т. д. сплавов. Например, для изучения всех возможных тройных сплавов с той же невысокой точностью до одного процента потребуется изготовить и исследовать уже около ста миллионов образцов, для четверных сплавов — около ста миллиардов. Вот почему даже многие поколения металловедов всего мира никогда не смогут свершить подобного трудового подвига. Да и запасов всех металлов Земли не хватит на то, чтобы изготовить такое количество образцов.

Что же остается делать? Предоставить случаю открытие новых сплавов? Примириться с тем, что каждое такое открытие — лишь внезапная счастливая находка?

— Да! — отвечает на это современное металловедение. — Полное исследование всех возможных сплавов, хотя бы только тройного состава, неосуществимо. Лишь международным трудом многих поколений, трудом медленным и упорным, будет накапливаться тот далеко не полный опыт, благодаря которому можно ожидать случайного открытия в будущем новых ценных сплавов.

Так было до сих пор. И вот совсем недавно в СССР, в памятные дни Отечественной войны, прозвучало в науке о сплавах новое слово, был дан иной ответ, полный веры в неисчерпаемые возможности научного творчества. Это иное слово сказал русский инженер Сергей Аркадьевич Векшинский, ныне доктор физико-математических наук, руководитель исследовательской лаборатории Московского электролампового завода.

В современной экспериментальной физике есть трудная область, которая занимается получением тонких слоев различных элементов с помощью атомных лучей. Прежде чем рассказывать об открытий С. А. Векшинского, нам надо узнать, что это за отрасль физики. Как известно, твердые тела могут испаряться так же, как и жидкости. Почему, например, сохнет заледеневшее белье, вынесенное на мороз? Потому что лед испаряется, молекулы льда отрываются от его поверхности, улетучиваются в воздух. По этой же причине так сильно пахнет кусочек нафталина: молекулы нафталина легко испаряются и действуют на наше обоняние.

Источник атомных лучей конструкции Векшинского
очень прост — это маленький металлический шарик,
испаряемый на петельке из вольфрамовой проволоки,
нагреваемой током.

Значительно ускорить испарение твердых тел можно нагреванием. Чем горячее вещество, тем легче отрываются его атомы от поверхности, улетают прочь. А это и есть испарение — превращение твердого тела в газ. Нагреванием можно добиться, например, заметного испарения маленького кусочка меди, цинка или другого металла. Это удобно сделать, поместив предварительно кусочек на петельку вольфрамовой проволочки. Если пропустить через проволочку электрический ток, то он нагреет проволочку, она, в свою очередь, передаст тепло кусочку металла, и тот начнет испаряться. При достаточной температуре кусочек расплавится, и капля жидкого металла повиснет в петельке. В жидком виде металл будет испаряться еще быстрее.

Таким устройством, в числе многих других, физики пользуются, чтобы получать нужные им в различных случаях атомные лучи, или, иначе, потоки атомов вещества, летящих по прямым линиям. Для этого они помещают испаряемый кусочек металла в какой-нибудь закрытый стеклянный- баллон и откачивают из него воздух специальным насосом. Испарение металла в пустоте происходит иначе, чем в воздухе. Атомы металла, отлетевшие от его поверхности, не встречают на своем пути молекул воздуха, не сталкиваются с ними и без всяких помех летят по прямой линки. Так образуются в пустоте потоки летящих атомов. Испаряющийся кусочек металла похож при этом на источник света, от которого по прямым линиям расходятся во все стороны световые лучи. Разница лишь та, что в данном случае это не лучи света, но лучи из атомов вещества.

Для чего же нужны физикам атомные лучи?

Поставим на пути летящих атомов какого-нибудь вещества стеклянную или металлическую пластинку и посмотрим, что произойдет с атомами, долетевшими до пластинки. Опыт показывает, что если ее температура не слишком высока, то попавшие на нее атомы «прилипнут» к ней и образуют на поверхности твердый слой вещества. Этим самым вещество из газообразного состояния снова превратится в твердое, или, как говорят физики, сконденсируется. Атомные лучи нужны, стало быть, для конденсация вещества на какой-либо поверхности в виде тонкого слоя.

Много десятков и даже сотен работ сделали физики по получению таких слоев и изучению их свойств. Это не легкие опыты, они требуют большой выдумки, большой аккуратности и терпения. Сколько предосторожностей приходится принимать, чтобы испаряемый кусочек не загрязнить чем-нибудь посторонним! Малейшая примесь — и на пластинке получится не чистый слой вещества, а неопределенная смесь. Немало приходится потрудиться, чтобы как следует откачать баллон, в котором ведется испарение: в таком баллоне давление оставшихся в нем газов должно быть примерно в миллиард раз меньше атмосферного.

И не только в исследовательских лабораториях занимаются нанесением на поверхность тонких слоев вещества. В некоторых областях техники такие слои с успехом используются в разнообразных приборах. Они находят себе широкое применение в радиолампах, в оптических приборах, в фотоэлементах.

Но не правда ли, как все это далеко от металловедения, от поисков новых сплавов, от изобретения новых рецептов сложных металлов? Что общего между радиолампой и тигелем металлурга, между атомными лучами и свойствами стали?

В 1926 году физикам Н. Н. Семенову и А. И. Шальникову, работавшим в то время над получением тонких слоев с помощью атомных лучей, пришла в голову совершенно новая и блестящая идея. До сих пор все многочисленные исследователи получали на пластинках слои какого-нибудь одного вещества. А что, если на пластинку направить два или несколько разнородных атомных пучка, исходящих из различных веществ? Что получится в этом случае на пластинке?

Очевидно, получится сложное вещество, атомная смесь первоначальных. Первые опыты Семенов и Шальников проделали с получением атомной смеси кадмия и серы. Таким способом можно было в разных опытах получать атомную смесь с любой пропорцией входящих в нее веществ. Надо было только различным образом подбирать скорости их испарения, нагревая их более или менее.

После этих первых опытов был проделан ряд работ по получению атомных смесей и других веществ. Были изучены любопытные свойства этих смесей, открыты некоторые новые физические явления. Все это не только представляло большой теоретический интерес, но могло иметь в будущем и практическое значение. Именно об этом писал с проницательностью ученого А. И. Шальников в своей книге «Механизм конденсации и образование коллоидов», написанной в 1934 году совместно с Ю. Б. Харитоном.

И это предсказание полностью оправдалось десять лет спустя благодаря замечательным работам С. А. Векшинского, развившего дальше идею получения атомных смесей и практически применившего ее к решению важной технической задачи.

В работах Семенова и Шальникова по получению двойных атомных смесей оба источника атомов находились рядом друг с другом. Векшинский в своих опытах раздвинул их друг от друга на расстояние нескольких сантиметров. Кроме того, он придал им форму маленьких шариков (помещенных на вольфрамовой петельке) и поместил рядом с ними стеклянную пластинку. Все это устройство находилось, разумеется, в хорошо откаченном баллоне.

Что же получилось у Векшинского на пластинке при таком расположении?

Представим себе сначала, что произойдет, если поместить возле пластинки только один шарик, испускающий атомы. Если через некоторое время прекратить испарение вещества шарика, то на пластинке возле него получится слой неодинаковой толщины. Действительно, за время испарения больше всего атомов успеет упасть на место непосредственно напротив шарика, потому что это самый короткий путь до пластинки. Чем дальше от этого места, тем слой будет становиться все тоньше и тоньше. В целом такой слой металла на поверхности стеклянной пластинки напоминает собою пологий холмик.

При испарении из одного шарика на пластинке
получается пологий холмик распыленного металла.
Если взять два шарика различных металлов,
то два холмика совмещаются друг с другом
и на пластинке получается слой сплава с
переменной вдоль пластинки пропорцией
составных частей.

Если теперь до пластинку направить одновременно атомные лучи от двух разных шариков, то на ней получится, очевидно, слой атомной смеси двух веществ. Если эти вещества — металлы, то это слой двойного металлического сплава. И легко сообразить, что, расположив шарики на некотором расстоянии друг от друга, как это сделал Векшинский, мы получим сплав, обладающий одной замечательной особенностью. Это будет сплав не с каким-нибудь одним определенным- составом, то есть не с какой-нибудь данной пропорцией входящих в него металлов, а сплав, особый, доселе невиданный в металлурги, сплав, состав которого в разных местах различен, сплав переменного состава.

В самом деле, мы видели, что при испарении в пустоте атомов одного какого-нибудь шарика на пластинке возле него получается слой вещества с переменной толщиной в виде пологого холмика. При одновременном испарении атомов двух шариков оба «холма» накладываются друг на друга, так что в результате на стеклянной пластинке получается слой сплава с переменной вдоль пластинки пропорцией составных частей. Посередине между обоими шариками на пластинке будет проходить линия, где обоих веществ будет поровну, половина наполовину (если, конечно, скорости испарения обоих шариков подобраны одинаковыми). Влево от этой средней линии сплав будет «богатеть» веществом левого шарика и «беднеть» веществом правого, а вправо от средней линии — наоборот.

Мы увидим сейчас, какую огромную выгоду может получить металловед, имея в своих руках подобный сплав переменного состава. Пусть он хочет, например, исследовать различные физические и химические свойства всевозможных сортов латуни. Латунь — это сплав меди с цинком. Существует много сортов, латуни с разными, пропорциями меди и цинка и поэтому с весьма отличными друг от друга свойствами. Если бы исследователь захотел пересмотреть всевозможные сорта латуни, отличные друг от друга на один процент по своему составу, то ему пришлось бы изготовить сотню образцов, сплавляя медь с цинком в различных пропорциях. Ну, а если металловед вдобавок захочет еще на каждом таком образце исследовать влияние примесей какого-нибудь третьего металла, например марганца? Известно, что марганец придает латуни крепость и твердость. Сделать это можно, лишь изготовив и испытав еще добрую сотню образцов на каждый изготовленный ранее сорт латуни. Сто, помноженное на сто, дает десять тысяч. Итак, металловед должен приготовить и всесторонне исследовать не менее десяти тысяч образцов, чтобы узнать достоинства и недостатки различных сортов марганцевой латуни.

Безусловно, да! Но лишь при одном непременном условии. Переходя от одной точки пластинки к другой, перебирая все эти тысячи вариантов сплавов на пространстве в несколько квадратных сантиметров, мы должны уметь определять их свойства, все те свойства, которые нужны инженеру, когда он выбирает себе металл для тех или иных целей. Другими словами, мы должны иметь какие-то особые приборы, приспособленные определять свойства сплавов в микроскопических масштабах тонкого слоя, нанесенного на маленькую пластинку.

Ничего похожего на подобные приборы нет, разумеется, ни в одной металлографической или физической лаборатории. Обычные приборы металловеда или физика предназначены для испытания совсем иных образцов. Главной заслугой Сергея Аркадьевича Векшинокого является то, что он не ограничился одним лишь открытием новой возможности фундаментального улучшения методов исследования сплавов. За удивительно короткий срок он сумел сконструировать и построить целый ряд специальных приборов, предназначенных для определения свойств сплавов на образцах переменного состава. И этим самым было положено блестящее начало, быть может, целой новой эпохе в металловедении или уж, во всяком случае, новому методу металлографического исследования сплавов.

Именно такое заглавие имеет книга С. А. Векшинского, вышедшая в 1944 соду.

Это отчет о первых шагах в открытой им новой области техники, подробный рассказ о первых успехах. И также несколько слов о будущем — надежды ученого, уверенного в своей правоте.

Всего лишь за полгода до начала нашей войны с Германией зародилась у Векшинского идея создания образцов переменного состава. В это время он работал на ленинградском электроламповом заводе «Светлана». На этом-то заводе и начала создаваться исследовательская лаборатория по воплощению в жизнь смелых новаторских идей Сергея Аркадьевича.

Но война была уже близко, при дверях... И вот в ясное июньское утро сорок первого года наступил для нас всех час великого испытания. Пресеклось мирное течение начатых дел, и миллионы людей увидели вдруг: планы, задуманные ими ранее, не могут теперь исполниться, и намерения их не могут осуществиться.

Смертельная опасность пришла в дом каждого и остановила, привычный ход налаженной жизни.

Остался неосуществленным и замысел талантливого ленинградского инженера. Завод «Светлана» эвакуировался в глубокий тыл, в Новосибирск.

Казалось, что теперь нечего было и думать о возобновлений в труднейших условиях эвакуации исследовательской работы с образцами переменного состава.

Разве отныне не должно это было явиться делом далекого будущего?

Вот как выглядит установка Векшинского для исследования
сплавов.

Но Векшинский нашел в себе энергию трудиться и над тем, что было необходимо стране сию же минуту, и над тем, что казалось еще так далеко от своего завершения. Видимо, было у него то чудесное упрямство, которое присуще подлинно цельным людям, особенно в тяжелые времена испытаний. Именно там, в Сибири, в эвакуации, было осуществлено им все то, о чем рассказывает он в своей книге. Неоценимую помощь при этом оказали ему его товарищи и сотрудники по работе, а также мастера, инженеры и рабочие завода «Светлана». С их помощью Векшинский проделал огромную работу. Надо было прежде всего спроектировать и построить максимально удобные в обращении приборы различных типов для получения образцов переменного состава. Надо было произвести теоретические расчеты, подсчитать, как меняется состав вдоль пластинки, на которую он нанесен. Затем проверить эти расчеты на опыте, проверить тщательно, разными способами. Надо было доказать, что тонкие слои сплава, эти металлические пленки, осажденные на стеклянной пластинке, ничем не отличаются по своему строению и свойствам от обыкновенных кусков металла, с которыми имеет дело всякий инженер. Надо было, наконец, изобрести и построить специальные приборы, с помощью которых можно было бы определять различные физические и химические свойства тонких слоев сплава переменного состава. Мы не можем рассказывать здесь об этом этапе в работе Векшинского. Скажем только, что всю эту огромную программу Векшинский осуществил за несколько лет войны с таким творческим размахом, с такою щедростью изобретательской мысли, что чудесные его результаты вызывают сейчас восхищение самых известных ученых, крупных деятелей науки и техники. А между тем это еще только начало!

Велики те выгоды и преимущества, которые может дать новый метод в разнообразных областях его применения. Прежде всего это грандиозная экономия труда, экономия времени. В сто раз облегчается отныне труд металловедов при изучении двойных сплавов и в десять тысяч раз — при исследовании сплавов из большего числа элементов. Удручающие цифры, приведенные в начале статьи, теряют перед методом Векшинского все свое злобное могущество. И лабораторная практика уже подтверждает это. Вот хотя бы один пример: чтобы изучить термоэлектрические свойства всех возможных сплавов медь-алюминий обычным способом, нужно затратить не меньше трех месяцев. Пользуясь сплавом медь-алюминий переменного состава и специальными приборами Векшинского, эту работу можно сделать за один день.

Метод Векшинского свободен от ряда недостатков прежних способов металлографических исследований сплавов.

Приготовляя сотни и тысячи образцов, металловед никогда не может быть уверен в одинаковой степени их загрязненности посторонними примесями. И нередко вследствие этого получает он противоречивые результаты для свойств сплава одного и того же состава. Метод Векшинского свободен от этих погрешностей. Вот почему, пользуясь им, нет надобности проводить контрольный химический анализ множества образцов.

И не только к изучению сплавов может быть применен метод Векшинского. Атомные и молекулярные смеси переменного состава можно изготовлять почти из всех элементов периодической системы. Новый метод можно с таким же успехом применить в химической промышленности, как и в металлургической, а в химии так же, как и в физике.

У метода Векшинского огромное будущее. Недалеко время, когда он станет неотъемлемой частью производства. Но чтобы внедрить в производство новый метод, мало, конечно, усилий одного Векшинского. Нужен коллективный труд многих инженеров, физиков, техников, химиков. Нужно совместное творчество, братская взаимопомощь. И то, что было начато в годину тяжелых бедствий, что с твердой верой в успех совершил скромный русский инженер, разрастается в крупное событие техники завтрашних дней — спокойных дней труда.