Исследования Н.С.Курнакова в области свойств металлов и сплавов

М.А.Клочко

Исследованием металлов и металлургических систем Н. С. Курнаков стал заниматься с конца прошлого столетия.

Основы научной металлографии, т. е. науки о химической природе, свойствах и кристаллическом строении металлов и сплавов, были заложены в России ещё в прошлом столетии П. П. Аносовым, впервые применившим микроскоп для изучения структуры ' стали (1831 г.), и Д. К. Черновым, установившим существование протекающих при определённых температурах взаимных превращений различных кристаллических форм углеродистого железа (1868 г.). Однако систематические исследования свойств металлов были начаты Н. С. Курнаковым и его сотрудниками.

Одним из важнейших методов исследования металлов и сплавов является так называемый термический, при котором изучаются температуры плавления или застывания, а также температуры перехода чистых веществ и смесей из одного кристаллического состояния в другое. Все эти превращения характеризуются определёнными тепловыми эффектами, т. е. выделением или поглощением тепла.

Если бы мы стали, например, охлаждать какой-либо расплавленный металл, в который помещен термометр, и записывали температуру через каждую минуту, то заметили бы, что сперва температура падает более или менее равномерно, но затем падение как бы приостанавливается, и столбик термометра стоит на одном и том же месте, а металл в это время затвердевает. Когда вся масса взятого для опыта металла застынет, температура снова начинает падать.

Нанеся на диаграмму по оси абсцисс время, а по оси ординат температуру, мы получим кривую охлаждения, на которой имеется горизонтальный участок, отвечающий температуре перехода жидкого металла в твёрдый. При этом переходе выделяется скрытая теплота плавления, которая на некоторое время задерживает падение температуры металла при остывании. Если нанести на график температуры начала застывания ряда сплавов двух металлов (по оси абсцисс — состав, по оси ординат — температуры, при которых замечаются выделения первых кристаллов из жидкости), то мы получим очень важную в практическом отношении диаграмму плавкости, по которой можно судить о температуре плавления любого сплава данной системы.

Очень важны также превращения, происходящие в сплаве после его затвердевания, например переход так называемых твердых растворов, в которых сплав состоит из однородных кристаллов, в механические смеси, состоящие из двух и более сортов кристаллов. Твёрдые растворы резко отличаются по своим механическим, электрическим и другим практически важным свойствам от механических смесей.

Изучая под микроскопом структуру сплава, можно отличить смесь от твёрдого раствора, но температуры появления и исчезновения того или иного вида кристаллов в сплаве можно определить при помощи термического анализа. Обыкновенные ртутные термометры для этой цели мало пригодны, особенно для высоких температур, при которых стекло плавится, а ртуть кипит.

Было предложено употреблять для этой цели термопары-проволоки из двух разнородных металлов или сплавов, спаянных в одном месте. Свободные концы проволок поддерживаются при постоянной температуре (например, в воде со льдом), а спай, помещённый в фарфоровую трубочку, погружают в исследуемый металл. При этом создаётся электродвижущая сила, в общем тем большая, чем больше разность температуры спая и свободных концов проволок. Наблюдая величину этой электродвижущей силы посредством милливольтметра, можно проследить изменение температуры при охлаждении (или нагревании) сплава. Но эти наблюдения крайне утомительны, так как в течение нескольких часов нужно через каждыс полминуты отмечать показания милливольтметра; к тому же при малых тепловых эффектах, сопровождающих некоторые превращения, последние могут быть пропущены.

Н. С. Курнаков построил прибор, позволяющий автоматически записывать кривые охлаждения или нагревания металлов.

Идея прибора такова. Свободные концы термопары присоединены к зеркальному гальванометру, у которого угол отклонения зеркальца пропорционатен температуре спая термопары. Падающий на зеркальце световой луч отражается и в виде светлого пятна («зайчика») может быть принят стоящей на некотором расстоянии шкалой, по которой можно сделать отсчёт. В приборе Н. С. Курнакова зайчик падает на светочувствительную бумагу, наложенную на вращающийся вокруг горизонтальной оси барабан. При этом, если зеркальце неподвижно, то на бумаге вычерчивается вертикальная прямая линия; если же зеркальце отклоняется, то на бумаге образуется кривая, на которой фиксируются все тепловые эффекты превращения в виде площадок, зазубрин и других заметных участков. Этот прибор, «регистрирующий пирометр системы академика Н. С. Курнакова», является необходимой принадлежностью всякой физико-химической лаборатории.

Кроме температур превращения, Н. С. Курнаков исследовал и ряд других свойств металлических систем. Он обнаружил, что при образовании твёрдых растворов электропроводность металлических сплавов уменьшается, а твёрдость возрастает. На основании этих наблюдений Н. С. Курнаковым совместно с его учениками и сотрудниками были предложены составы для так называемых «реостатных сплавов», т. е. сплавов, обладающих высоким электрическим сопротивлением. Производство этих сплавов, применяющихся в электрических приборах и печах, налажено теперь в Советском Союзе. Н. С. открыто новое свойство сплавов-«давление истечения», определяемое тем минимальным давлением, при котором сплав продавливается через отверстие и начинает как бы «течь». Это свойство систем, для измерения которого Н. С. сконструировал специальный прибор, меняется при изменении их состава, и знание его очень важно не только для технологии металлов (процессы ковки и штамповки), но и для понимания многих процессов, протекающих в земной коре (например, образование соляных куполов, поведение некоторых глубоко лежащих горных пород и т. д.).

Многие сплавы железа, никеля, меди, магния, алюминия, платины и её спутников, золота, марганца и других металлов исследованы Н. С. Курнаковым и его сотрудниками. Помимо выводов большого практического значения, были сделаны и открытия огромной принципиальной важности. Важнейшее из них - открытие существования химических соединений, состав которых изменяется в некоторых пределах и не может быть выражен химической формулой с простыми целыми числами в качестве показателей.

«Наука и жизнь», 1941 г.

Главная   |  Биографии учёных  |  Курнаков Николай Семенович  |  Исследования Н.С.Курнакова в области свойств металлов и сплавов