А́лан Ко́ттрелл (; 17 июля 1919 — 15 февраля 2012) — британский физик и металлург, член Лондонского королевского общества.
Семья и ранние годы Алан Коттрелл родился в Бирмингеме 17 июля 1919 года, старший сын Альберта и Элизабет Коттреллов. Его брат, Стенли, также металлург, родился в 1925 году. Его дедушка создал успешный бизнес в сфере розничной торговли обувью в городе и продал его в конце Первой мировой войны, инвестируя средства в блок недвижимости на Moseley and Balsall Heath, состоящий из магазинов, домов и земли. Отец Алана занялся разработкой и управлением имуществом, и они жили в одном из домов до 1932 года.
Его начальное образование проходило в начальной школе в трёх минутах ходьбы от дома. Воодушевлённый замечательной учительницей, в ранних классах он выиграл конкурс эссе, а затем успешно сдал вступительный экзамен в гимназию Мозли. В возрасте 15 лет ему предложили перевод в главную школу в городе, но он предпочел остаться в Мозли. В школе у него было развито логическое мышление, его интересы были обращены к науке, а не к искусству, особенно к астрономии, электричеству и технике. Интерес к радиотехнике и механике был привит его отцом. От своей матери он развил музыкальный вкус и научился играть на пианино, в чём он преуспел в дальнейшей жизни. Также он любил рыбачить.
В середине 1930-х годов прошлого века после окончания школы традиционным путём к определённой степени в области науки была работа в промышленности или прохождение специальных курсов. Соответственно, в 1936 году Алан получил работу в ICI Metals, Witton, в качестве лаборанта и пошёл на курс в местном техническом колледже. Затем после предложения работать в университете Бирмингема он посетил факультеты физики, машиностроения, но остановил свой выбор на факультете металлургии.
Карьера и научная деятельность
Университет Бирмингема и военные годы, 1936-1945 К тому времени как Алан Котрелл начал работать в университете Бирмингема, на факультете металлургии помимо простейших методов анализа и обработки образцов были введены некоторые научные аспекты предмета, включая металлографию, рентгеновскую дифракцию, химию сплава Юм-Ротера и концепцию дислокаций, разработанную Джефри Тейлором, это стало определенным шагом к пониманию фундаментальной науки о металлах и сплавах.
В июне 1939 года Алан окончил с отличием первый курс и получил стипендию для исследования восстановления металлов от эффектов деформации. Тем не менее, война не позволила провести эти исследования, и после того, как он был определен для обучения в Королевском бронетанковом корпусе, его перевели в запас, чтобы провести военное исследование на факультете металлургии. Многие из выпускников высших учебных заведений были направлены туда же и проводили важные исследования.
Задача Алана заключалась в изучении проблемы трещин, связанных с дуговой сваркой легированных сталей для резервуаров. Сталь, особенно в толстых срезах, вызывала обширное растрескивание вдоль зон с термическим воздействием, которые окаймляли сварные швы.Появилось подозрение, что это было связано с образованием твёрдой, хрупкой мартенситной фазы в этих зонах, но было мало доказательств. Необходимо было решить эту важную практическую проблему, чтобы избежать этого эффекта и создать прочные сварные соединения без трещин. Первоначально Алан находился под руководством профессора Е.C. Роллансона, но позже он возглавил команду, в которую вошли К. Винтертон, П.Д. Кроутер и Дж.А. Уилер. Они установили рабочее понимание вовлечённых научных процессов и разработали методы для предотвращения растрескивания путем предварительного нагрева. Полученные результаты были приняты министерством, но их применение оставалось тайным. Тем не менее, в работе были сделаны некоторые интересные научные открытия, в частности, обнаружили, что метастабильный аустенит может быть разложен на мартенсит и бейнит за счет пластической деформации. Они смогли опубликовать некоторые результаты, и Алан получил степень доктора наук в 1942 году.
В 1944 году на факультете Алана попросили подготовить новый курс по физике металлов. Его он и начал преподавать в 1945 году. Несколько лет спустя этот курс стал основой его книги «Теоретическая структурная металлургия». Его главная цель заключалась в том, чтобы научить учащихся думать о металлах и сплавах в терминах «того, что делают атомы», а не в полуэмпирических методах традиционных подходов.
Послевоенные годы, 1945-1955 В конце войны факультетом был получен грант, часть которого была выделена Алану на изучение прочности и пластичности металлов. После консультации с Эгоном Орованом в Кембридже небольшая группа Алана начала выращивать и деформировать монокристаллы из чистых металлов, первоначально цинка и кадмия. Первое достижение состояло в том, чтобы с достоверной точностью проверить закон ползучести Андраде.
Зимой 1946-1947 годов произошел национальный топливный кризис, что повернуло работу Алана в теоретическое направление. Факультет был вынужден приостановить все эксперименты в течение нескольких недель. Однако активная научная работа продолжалась. Факультет вскоре стал известен как ведущий центр науки о металлах и привлек многих выдающихся исследователей. Каждую неделю проводились семинары для студентов для вовлечения их в текущую деятельность факультета. Читались лекции известных ученых и научных представителей ведущих технических компаний. В 1949 году как Коттрелл был назначен профессором физической металлургии.
Следуя статье, в которой Френк Набарро обсудил возможность «застревания» дислокационных линий на чужих атомах, распределённых случайным образом через кристалл сплава, Коттрелл рассмотрел ситуацию, в которой атомы были подвижными и могли диффундировать. Он предложил гипотезу о возможности перехода атомов в ядро дислокации и «закрепления» его. Он понял, что такая сегрегация может быть обнаружена химическим травлением, но только спустя некоторое время один из его учеников, Нил Маккиннон из Австралии, решил эту проблему. К тому времени техника «декорирования» дислокаций была разработана П. Лакомбом, Дж.У. Митчеллом и другими.
В 1955 году Алан был избран в Королевское общество за работу над дислокациями. Затем был приглашён в Исследовательское учреждение по атомной энергии в Харвелле, чтобы стать заместителем начальника отдела металлургической промышленности. После 19 лет в Бирмингеме Алан ушел со своего поста, чтобы занять новую должность. Работа в Харвелле показалась идеальной для Алана, он применял свой предыдущий научный опыт, чтобы понять «радиационный ущерб» металлов и помочь разработать радиационно-стойкие материалы для строительства ядерных энергетических реакторов. Так начался следующий этап его карьеры.
Исследовательское учреждение атомной энергии в Харвелле, 1955-1958 Коттрелл перебрался в Харвелл весной 1955 года. После дружеской атмосферы в Бирмингеме он был шокирован, когда обнаружил, что учреждение было заполнено отдельными группами, соперничеством и «классовой» структурой. «Высший» класс был определён физиками, особенно физиками-ядерщиками, которые обычно проводили политические и плановые эксперименты, а затем были «остальные», среди которых были металлурги, которые в основном изготавливали оборудование и материалы для экспериментов. Котрелл присоединился к только что формированному подразделению физики твердого тела, которое образовалось из подразделения металлургии, которая занималась вопросами радиационного поражения, из группы нейтронной дифракции и другой небольшой группы физиков. Алан вскоре собрал вокруг себя нескольких научных сотрудников со всего подразделения, а также нескольких исследователей из Центрального совета по производству электроэнергии (CEGB), прикомандированных в то время, когда были построены ядерные лаборатории Беркли и других генерирующих компаний.
Целью исследования Алана в Харвелле было сосредоточиться на научном понимании радиационного ущерба в тех областях, которые наиболее полезны для развития ядерных энергетических реакторов. Большая часть исследований во всём мире заключалась в определении энергий образования и миграции вакансий и междоузлий и идентификации различных стадий отжига. Несмотря на то, что это было важно, Алан вместо этого сосредоточился на двух проблемах: поведение урана при облучении, а также упрочнение и повышение хрупкости (охрупчивание) конструкционной стали, используемой для сосудов высокого давления в реакторе. Проблема с ураном в качестве материала для топлива заключается в «набухании» из-за образования газовых пузырьков или карманов из вакансий и продуктов деления криптона и ксенона. Эти две важные проблемы были решены Котреллом за эти 3 года работы.
Несомненно Коттрелл сделал важный вклад для британской ядерной энергетической программы. Без него программа реактора Magnox столкнулась бы с серьёзными эксплуатационными проблемами в течение нескольких недель после запуска. Помимо проблемы удаления изогнутых стержней из каналов, возможно, произошёл бы перегрев и разрыв топливных баков.
Кембридж, 1958-1964 18 января 1958 года вице-канцлер Кембриджского университета, Лорд Адриан, написал Коттреллу, предложив ему место Голдсмита и руководство факультетом металлургии. Заняв должность в октябре 1958 года, Коттрелл понял, сколько ему нужно сделать, чтобы создать статус и репутацию факультета.Уже были исследованы механические свойства, коррозия, и начали применять метод просвечивающей электронной микроскопии для изучения сплавов, но первоначальное представление Коттрелла заключалось в том, что общий уровень исследований требовал значительного улучшения.
Центральный совет по производству электроэнергии (CEGB) и Управление по атомной энергии (AEA) обеспечили значительное финансирование исследований, а Совет по научным исследованиям предоставил гранты на приобретение нового оборудования, в частности, современного электронного микроскопа.
Коттрелл создал исследовательские группы в двух новых областях исследований: полевой ионной микроскопии (FIM) и сверхпроводимости. Метод полевой ионной микроскопии (FIM) был признан Коттреллом как техника, способная исследовать радиационное повреждение и дефекты, такие как дислокации, на атомарном уровне. Кроме того, Коттрелл считал, что сверхпроводимость выходит из сфер чистой физики в междисциплинарный предмет, требующий материаловедения. Исследования сверхпроводимости в Кембридже должны были постоянно нарастать: от разработки понятий «зацепления» вихревых потоков по дефектам (почти аналогичные зацеплению дислокаций) до обширных исследований по высокотемпературным сверхпроводникам и тонкоплёночной технологии, которая выпускает широкий спектр устройств и наноматериалов.
Собственные исследования Коттрелла сосредоточились на трех темах: (I) упруго-пластическая деформация и разрушение на вершинах острых трещин; (II) экспериментальные наблюдения деформации и разрушения в зубчатых стержнях из стали; и (III) армированные волокном композиты. Первая тема включала теорию непрерывных распределений дислокаций: «реальные» дислокации вне трещины и «виртуальные» дислокации внутри трещины. Первые результаты были получены в начале 1960 года, а концепция инициирования трещин, которая определялась достижением критического смещения трещин, была использована Коттрелом на встрече Института железа и стали в декабре 1960 года для объяснения размера воздействия на разрушение.
Вне университета Алан выступал в качестве консультанта как для Управления по атомной энергии (AEA), так и для Центрального совета по производству электроэнергии (CEGB), и стал членом Совета Управления по атомной энергии (AEA) на неполную ставку. Он стал вице-президентом Королевского общества и, как отмечалось выше, дал в числе многих других лекций Бейкеровскую лекцию в 1963 году. Он также стал членом Консультативного комитета по научной политике, где он впервые встретился с сэром Солли Цукерманом.
Работа в правительстве, 1964-1974