Металловедение можно без преувеличения назвать не просто
составной частью, а основой металлургии. Металловедение изучает
связь между химическим составом, структурой и свойствами
металлических материалов. Именно металловеды разрабатывают новые
материалы, устанавливают закономерности формирования и изменения
структуры и свойств металлов и сплавов при их получении, обработке и
эксплуатации в изделиях.
Историческая
справка
Еще народам древнего мира была известна
возможность повышения твёрдости и прочности металлов посредством
закалки. Но по настоящему
становление металловедения как науки произошло в начале 19-го века.
Основные
исторические события, которые определили зарождение и развитие
металловедения как науки следующие:
1831 г.: П. П. Аносов (Россия),
один из
основоположников металловедения, впервые применил микроструктурные
исследования, разрабатывая способ получения булатной стали.
1864 г.: Г. Сорби (Англия) использовал микроскоп для
изучения строения железных метеоритов и применил микрофотографию.
П.П.
Аносов. Именно ему
принадлежит
приоритет в открытии утраченного некогда секрета производства
булатной стали
1868 г.: Д. К.
Чернов открыл полиморфизм
железа и указал на существование температур, при которых сталь
претерпевает превращения при нагреве и охлаждении (так называемые
критические точки).
Чернов
связал с этими точками выбор режима термообработки для получения
необходимой структуры и свойств. Это открытие оказало определяющее
влияние на последующее становление и развитие науки о металлах.
1888 г.: Ф. Осмонд (Франция) применил изобретенную
Ле-Шателье термопару для установления критических точек Чернова в
сталях методом термического анализа (по появлению тепловых эффектов
превращений) и использовал микроскоп для выявления в отраженном
свете структурных составляющих в сталях.
1892 г.: Ф. Осмонд предложил называть новую науку,
описывающую строение металлов и сплавов, металлографией.
1895: Применение металловедения в заводской практике.
А. А.
Ржешотарский, создал
лабораторию Металловедения на Обуховском заводе, позднее (1904) Н.
И.
Беляев –первый заведующий
кафедрой МиФП, основал такую же лабораторию на Путиловском заводе.
1897 г.: У. Робертс-Остен (Англия) исследовал методами
термического анализа и
микроструктуры нескольких двойных металлических систем, в том числе
железоуглеродистые сплавы.
1900 г.: Г. В. Розебом (Голландия) уточнил и обобщил
экспериментальные данные о железоуглеродистых сплавах, создав
диаграмму Fe—С.
1902 г.: А. А.
Байков (Россия) исследовал
явления закалки сплавов. В последующие годы основал в Петербургском
политехническом институте первую в России учебную лабораторию М., в
которой работали Н. Т.
Гудцов, Г. А. Кащенко, М. П.
Славинский, В. Н. Свечников и др.
1903 г.: Н. С.
Курнаков (Россия)
сконструировал самопишущий пирометр и на основе изучения ряда
металлических двойных систем совместно с С. Ф.
Жемчужным, Н. И.
Степановым, Г. Г.
Уразовым и другими установил
закономерности, явившиеся основой учения о сингулярных точках и
физико-химического анализа. Г.
Тамман с сотрудниками изучал
диаграммы состояния металлических сплавов.
1908 г.: А. М.
Бочвар (Россия) организовал в
Высшем техническом училище первую в Москве металлографическую
лабораторию, в которой работали И. И. Сидорин, А. А. Бочвар,
С. М. Воронов и другие специалисты в области цветных металлов.
1918 г.:
А. Портевен и М. Гарвен (Франция) установили зависимость критических
точек стали от скорости охлаждения.
А.М. Бочвар,
основатель московской школы металловедения, организовал в Москве
первую металлографическую лабораторию
1929 г.: Начались исследования превращений в стали в
изотермических условиях (Э. Давеппорт и Э. Бейн, Р. Мейл , С. С.
Штейнберг, Н. А.
Минкевич , Ф. Вефер и др.).
Одновременно развивалась физическая теория
кристаллизации металлов,
экспериментальные основы которой были заложены в начале 20 в.
Тамманом (Я. И.
Френкель, В. И. Данилов, М.
Фольмер, И. Странский).
В целом последние годы XIX в. и первые два
10-летия XX в. были периодом классической металлографии, главными
методами которой были микроструктурный и термический анализы.
20-е годы 20-го века в Германии было введено
понятие металловедения и предложено сохранить термин «металлография»
только для учения о структуре металлов и сплавов.
Огромную роль в развитии металловедения сыграл
начиная с 20-х гг. 20 в.
рентгеноструктурный анализ,
который позволил определить кристаллическую структуру различных фаз.
В этой области важнейшее значение имели работы Г. В.
Курдюмова, С. Т.
Конобеевского, Н. В.
Агеева, А. Вестгрена, У.
Юм-Розери, У. Делингера, В. Кёстера и других. Г. В. Курдюмов
параллельно с Г. Заксом открыл мартенситное превращение в стали и
разработал теорию закалки и отпуска стали и исследовал основные типы
фазовых превращений в твёрдом состоянии.
В 20-х гг. А. Ф.
Иоффе и Н. Н. Давиденков
(Россия) положили начало теории
прочности кристаллов.
В 30-х годах было выдвинуто предположение о
наличии в кристаллах особых дефектов (несовершенств) —
дислокаций, перемещение которых
под действием сравнительно малых сил осуществляет пластическую
деформацию.
В
1935 году
А. А. Бочваром был изучен механизм эвтектической
кристаллизации сплавов. В 40-е годы Н. Т. Гудцов основал в
Московском институте стали новую научную школу в области
металловедения и термической обработки стали.
Н.А.
Минкевич. Один из основателей московской школы металловедов.
Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, лауреат Сталинской
премии, Заведующий кафедрой МиФП (тогда – металловедения и
термической обработки стали) в 1920-1942 г.г., профессор.
Развитие металловедения во 2-ой половине 20 в.
связано с появлением новых методов исследования металлов. Для
изучения атомнокристаллического строения металлов применяют
электронную микроскопию,
существенное значение имеют методы электронной дифракции,
нейтронографии, радиоизотопных
индикаторов, внутреннего трения, микрорентгеноспектрального анализа,
калориметрии, магнитометрии и
другие.
Появление новых высокочувствительных и
высокоразрешающих методов открыло и новые возможности более
подробного изучения металлов и сплавов, исследование их структуры на
микро и наноразмерных уровнях. Это привело в частности и к появлению
так называемых нано технологий в различных областях, в том числе и в
металлургии и непосредственно в металловедении.
Металловедение сегодня
Сегодня в металловедении принято выделять
теоретическую часть, рассматривающую общие закономерности строения
материалов и процессов, происходящих в них при различных
воздействиях, и прикладную часть, изучающую основы технологических
процессов обработки (термическая обработка, литьё, обработка
давлением) и конкретные металлические материалы.
Все металлы принято разделять на черные и
цветные. Железо и сплавы на его основе (сталь, чугун) называют
черными металлами, а остальные металлы (Be, Mg, Al, Ti, V, Cr, Mn,
Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ag, Sn, W, Au, Hg, Pb и др.) и их сплавы
— цветными. Наибольшее применение нашли черные металлы. На основе
железа изготовляется не менее 90 % всех конструкционных и
инструментальных материалов. Широкое распространение железа и его
сплавов связано с большим содержанием его в земной коре, низкой
стоимостью, высокими технологическими и механическими свойствами.
Стоимость цветных металлов во много раз выше стоимости железа и его
сплавов. В МИСиС металловедение черных и цветных металлов также
разделено с точки зрения учебно-научной деятельности: кафедра МиФП
института физико-химии материалов больше сфокусирована на
металловедении сталей и высокопрочных сплавов, а кафедра МЦМ
института технологии материалов – на металловедении цветных
металлов. Хотя сегодня эти границы существенно размыты, на кафедре
МиФП есть проекты посвященные цветным металлам, а на кафедре МЦМ в
том числе занимаются и черными металлами.
Оптическая и
электронная микроскопия всегда были одними из главных инструментов
металловедов. Сегодня вся аппаратура компьютеризирована и имеет
очень большие возможности. На фото: компьютеризированный оптический
микроскоп
Zeiss (межкафедральная
лаборатория Наноматериалы» МИСиС, расположенная на кафедре МиФП).
К современным тенденциям в области металловедения можно
отнести постоянное совершенствование методов исследования
материалов, проведение более глубоких исследований, позволяющих
выделить пока еще неизвестные или малопонятные явления, а также
развитие моделирования и информационных технологий в этой области.
Сегодня постоянно происходит разработка новых перспективных и
совершенствование существующих материалов: композиционных материалов
на основе металлов, полимеров и керамики, высокопрочных сталей и
цветных сплавов, ультрамелкозернистых и наноматериалов, порошковых
материалов, сплавов с памятью формы и других.
Развиваются также и технологии получения и обработки металлов
и сплавов, например термомеханическая обработка,
химико - термическая обработка.
Современное
оборудование сегодня позволяет получать гораздо больше информации об
исследуемом материале (на фото: структура ультрамелкозернистой меди
после равноканального углового прессования (EBSD-анализ, С.В. Добаткин, кафедра МиФП МИСиС)
Благодаря этому, с каждым годом в технике появляются новые
материалы, отличающиеся более высоким комплексом свойств. Причем
число новых сплавов непрерывно растет.
Исследования реальной структуры твердых
тел показали принципиальную возможность получения сплавов с
прочностью, приближающейся к теоретической, определяемой прочностью
межатомных связей. Такие области промышленности, как
машиностроение, самолетостроение, ракетостроение, моторостроение,
кораблестроение, военная и атомная промышленности постоянно требуют
материалы с более высоким и стабильным комплексом свойств, поэтому
работа у металловеда будет всегда.
Несмотря на все более широкое использование неметаллических
материалов, металлы останутся в ближайшем будущем основным
конструкционным и инструментальным материалом.
Таким образом, металловедение сегодня, это:
-
новые уникальные методы, оборудование и информационные
технологии для исследования состава, структуры и свойств
материалов на разных масштабных уровнях вплоть до нано - и ниже;
-
новые материалы, удовлетворяющие современные потребности
промышленности, отличающиеся высоким комплексом свойств и
наличием новых свойств и особенностей;
-
новые эффективные технологии получения материалов и изделий,
обеспечивающие высокий уровень их качества;
Кроме этого, металловедение - это очень
интересная область науки и техники, позволяющая ученым работающим в
ней, соприкасаться с новыми, еще не открытыми явлениями и
закономерностями, которые в будущем будут определять применение
новых материалов во всех отраслях промышленности. Уже сегодня
металловеды работают над созданием материалов нового поколения.
Использованная литература:
1. Бочвар А. А., Металловедение, 5 изд., М.,
1956;
2. Лившиц Б. Г., Металлография, М., 1963;
3. Р.
И. Энтин. Металловедение //Рубрикон
4.
Бернштейн
М.Л., Займовский В.А.// Механические свойства металлов. 1978.
5.
Лахтин Ю.М. Материаловедение 1990.
6. А.Н.
Белоусова // Вестник РАН, т. 70, №3, 2000.
7.
Новые материалы//Под. ред. Ю.С. Карабасова, 2002, МИСиС.
8.
Научные
школы МИСиС - 75 лет. Становление и развитие.
Под.
ред. Ю.С. Карабасова. 1997, М.: МИСиС.
к.т.н., доц. Рожнов А.Б.