Металловедение – наука, изучающая связи состава, строения и свойств металлов и сплавов, а также закономерности их изменения при тепловых, механических, физико-химических и других видах воздействия. Металловедение - научная основа изысканий состава, способов изготовления и обработки металлических материалов с разнообразными механическими, физическими и химическими свойствами.
Уже народам древнего мира было известно получение металлических сплавов (бронзы и других), а также повышение твёрдости и прочности стали посредством закалки. Как самостоятельная наука металловедение возникло и оформилось в 19 в., вначале под названием металлографии.
Термин «металловедение» введён в 20-х гг. 20 в. в Германии, причём было предложено сохранить термин «металлография» только для учения о макро- и микроструктуре металлов и сплавов. Во многих странах металловедение по-прежнему обозначают термином «металлография», а также называют «физической металлургией».
Возникновение металловедение как науки было обусловлено потребностями техники. В 1831 П. П. Аносов, разрабатывая способ получения булата, изучал под микроскопом строение отполированной поверхности стали, предварительно протравленной кислотой.
В 1864 Г. К. Сорби произвёл подобные же исследования микроструктуры железных метеоритов и образцов стали, применив при этом микрофотографию.
В 1868 Д. К. Чернов указал на существование температур, при которых сталь претерпевает превращения при нагревании и охлаждении (критические точки). Эти температуры измерил Ф. Осмонд (1888) при помощи термоэлектрического термометра, изобретённого А. Ле Шателье.
У. Робертс-Остен (Великобритания) исследовал методами термического анализа и микроструктуры нескольких двойных металлических систем, в том числе железоуглеродистые сплавы (1897). Его результаты критически пересмотрел в 1900 с точки зрения фаз правила, теоретически выведенного Дж. У. Гиббсом (1873-76), Г. В. Розебом. Ле Шателье значительно улучшил технику изучения микроструктуры.
Н. С. Курнаков сконструировал самопишущий пирометр (1903) и на основе изучения ряда металлических двойных систем совместно с сотрудниками (С. Ф. Жемчужным, Н. И. Степановым, Г.Г. Уразовым и др.) установил закономерности, явившиеся основой учения о сингулярных точках и физико-химического анализа. С 1903 диаграммы состояния металлических сплавов изучал Г. Тамман с сотрудниками.
В России А. А. Байков исследовал явления закалки сплавов (1902), значительно улучшил методику металловедения введением автоматической записи дифференциальных кривых нагревания и охлаждения (1910) и травления микрошлифов при высокой температуре (1909).
Байков основал в Петербургском политехническом институте первую в России учебную лабораторию металловедения, в которой работали Н. Т. Гудцов, Г. А. Кащенко, М. П. Славинский, В. Н. Свечников и другие. Пионерами применения М. в заводской практике были А. А. Ржешотарский, создавший лабораторию металловедения на Обуховском заводе (1895), и Н. И. Беляев, основавший такую же лабораторию на Путиловском заводе (1904). В 1908 А. М. Бочвар организовал в Высшем техническом училище первую в Москве металлографическую лабораторию, в которой работали И. И. Сидорин, А. А. Бочвар, С. М. Воронов и др. специалисты в области металловедения цветных металлов.
В 1918 А. Портевен и М. Гарвен (Франция) установили зависимость критических точек стали от скорости охлаждения. С 1929-30 начались исследования превращений в стали в изотермических условиях (Э. Давеппорт и Э. Бейн, Р. Мейл в США, С. С. Штейнберг, Н. А. Минкевич в СССР, Ф. Вефер в Германии и др.). Одновременно развивалась физическая теория кристаллизации металлов, экспериментальные основы которой были заложены в начале 20 в. Тамманом (Я. И. Френкель, В. И. Данилов в СССР, М. Фольмер в Германии, И. Странский в Болгарии).
Исключительную роль в развитии металловедения играл начиная с 20-х гг. 20 в. рентгеноструктурный анализ, который позволил определить кристаллическую структуру различных фаз, описать её изменения при фазовых переходах, термической обработке и деформации (структуру мартенсита, изменения структуры твёрдых растворов при их распаде и т.д.). В этой области важнейшее значение имели работы Г. В. Курдюмова, С. Т. Конобеевского, Н. В. Агеева и др., а за рубежом - А. Вестгрена (Швеция), У. Юм-Розери (Великобритания), У. Делингера, В. Кёстера (Германия) и других. Курдюмов, в частности, разработал теорию закалки и отпуска стали и исследовал основные типы фазовых превращений в твёрдом состоянии («нормальные» и мартенситные).
В 20-х гг. А. Ф. Иоффе и Н. Н. Давиденков положили начало теории прочности кристаллов. Теория фазовых превращений, изучение атомно-кристаллического и электронного строения металлов и сплавов, природы механических, тепловых, электрических и магнитных свойств металлов были новыми этапами в истории металловедения как пограничной науки между физической химией и физикой твёрдого тела (металлофизикой).
Развитие металловедения во 2-й половине 20 в. характеризуется значительным расширением методических возможностей. Кроме рентгеноструктурного анализа, для изучения атомнокристаллического строения металлов применяют электронную микроскопию, которая позволяет изучать локальные изменения строения сплавов, взаимное расположение структурных составляющих и несовершенства кристаллического строения. Существенное значение имеют методы электронной дифракции, нейтронографии, радиоизотопных индикаторов, внутреннего трения, микрорентгеноспектрального анализа, калориметрии, магнитометрии и др.
Металловедение условно разделяется на теоретическое, рассматривающее общие закономерности строения и процессов, происходящих в металлах и сплавах при различных воздействиях, и прикладное (техническое), изучающее основы технологических процессов обработки (термическая обработка, литьё, обработка, давлением) и конкретные классы металлических материалов.
Основные разделы теоретического металловедения: теория металлического состояния и физических свойств металлов и сплавов, кристаллизация, фазовые равновесия в металлах и сплавах, диффузия в металлах и сплавах, фазовые превращения в твёрдом состоянии, физическая теория процессов пластической деформации, упрочнения, разрушения и рекристаллизации. Содержание теоретического металловедение в значительной мере связано с металлофизикой.
Теория металлического состояния рассматривает металл как совокупность электронов, движущихся в периодическом поле положительных ионов. На основе учёта сил межатомного взаимодействия оценена теоретическая прочность металлических монокристаллов, которая в 100—1000 раз больше практической. Электрическое сопротивление металлов рассматривается как следствие нарушений идеального расположения атомов в кристаллической решётке, обусловленных её колебаниями, наличием статических дефектов и примесей. В зависимости от особенностей межатомного взаимодействия возникают различные фазы: упорядоченные твёрдые растворы, электронные соединения, фазы внедрения, сигма-фазы и т.д. Развитие электронной теории металлов и сплавов сыграло большую роль в создании сплавов с особыми физическими свойствами (сверхпроводящих, магнитных и др.).
Кристаллизация металлов характеризуется большими значениями скорости зарождения центров кристаллизации и скорости роста кристаллов при малом интервале переохлаждений, в котором происходит затвердевание. Строение реального металлического слитка определяется закономерностями кристаллизации, условиями теплоотвода, а также влиянием примесей. Механизм эвтектической кристаллизации сплавов был изучен А. А. Бочваром (1935).
Один из важнейших разделов теоретического металловедения - изучение фазовых равновесий в сплавах. Построены диаграммы состояния для многих двойных, тройных и более сложных систем и установлены температуры фазовых переходов. При определённых условиях (например, быстром охлаждении) могут возникать метастабильные состояния с относительным, при данных термодинамических условиях, минимумом свободной энергии. Наиболее важные примеры таких состояний - мартенсит стали и пересыщенные твёрдые растворы металлов (например, Al - Cu). Кинетика фазовых превращений и условия возникновения метастабильных состояний определяются степенью отклонения системы от равновесия, подвижностью атомов (характеристики диффузии), структурным и химическим соответствием возникающих и исходных фаз.
Превращения в твёрдом состоянии (фазовые превращения) в условиях сильного межатомного взаимодействия в кристаллических фазах сопровождаются возникновением полей напряжений. При некоторых условиях и наличии полиморфных модификаций наблюдается упорядоченная перестройка кристаллической решётки на границе фаз (мартенситное превращение). В области температур, при которых быстро происходят релаксационные процессы, образование кристаллов новой фазы может протекать путём неупорядоченных диффузионных переходов отдельных атомов («нормальное» превращение). Для металловедения железных сплавов большое значение имеют кинетические диаграммы превращений аустенита. В металлических сплавах часто протекают процессы распада пересыщенных твёрдых растворов. Во многих случаях наиболее существенные изменения свойств происходят до возникновения при распаде второй фазы. Рентгенографические исследования показали, что эти изменения связаны с процессами перераспределения атомов в решётке матрицы, образованием обогащенных зон внутри матрицы (старение металлов). Равновесия и кинетика фазовых превращений могут в значительной мере изменяться в результате воздействия высоких давлений. В связи с проявлением сил химического взаимодействия между атомами различных элементов в ненасыщенных твёрдых растворах могут также происходить процессы перераспределения атомов элементов. Упорядоченное расположение атомов в определённых узлах кристаллической решётки возникает в твёрдых растворах замещения (например, Cu - Al) и внедрения (мартенсит, Ta - О и т.д.). В некоторых случаях появляются внутрифазовые неоднородности - сегрегации.
Важное значение для развития металловедения имеет физическая теория пластической деформации и дефектов кристаллического строения. Расхождение между теоретически вычисленными и наблюдаемыми на опыте значениями прочности привело в 1933-34 гг. к предположению о наличии в кристаллах особых дефектов (несовершенств) - дислокаций, перемещение которых под действием сравнительно малых сил осуществляет пластическую деформацию. Экспериментальные исследования, проведённые различными методами и особенно дифракционной электронной микроскопией тонких фольг, подтвердили наличие дислокаций. Методы внутреннего трения и др. позволили выяснить роль точечных дефектов (вакансий). Наличие вакансий влияет на физические свойства кристаллов и играет важную роль в диффузионных процессах при термообработке, отдыхе металлов, рекристаллизации металлов, спекании и т.д. Изучение свойств бездефектных нитевидных кристаллов доказало правильность теоретической оценки прочности. В практически важных случаях повышение прочности достигается увеличением плотности дислокаций (например, пластической деформацией, мартенситным превращением при закалке или их сочетанием). Примеси могут скапливаться у дислокаций и блокировать их. Одно из наиболее ярких проявлений влияния реальной структуры на процессы в металлах и сплавах - различия в скорости диффузии и распределении элементов по границам и объёму поликристаллов. В некоторых случаях очень малые примеси изменяют скорость граничной диффузии. Поскольку многие процессы распада твёрдых растворов начинаются преимущественно в приграничных областях, малые примеси могут существенно изменять кинетику этих процессов и конечную структуру. Взаимодействие дислокации с примесями внедрения (в железе - углерод и азот) - одна из главных причин хладноломкости металлов с объёмноцентрированной кубической решёткой. Движением и взаимодействием дислокаций определяется протекание упрочнения металлов, разупрочнения, ползучести, полигонизации, рекристаллизации и др. процессов. Наиболее эффективные средства изменения структуры и свойств металлических материалов - легирование, термическая обработка, поверхностное упрочнение, химико-термическая обработка, термомеханическая обработка .
Содержанием прикладного (технического) металловедения является изучение состава, структуры, процессов обработки и свойств различных конкретных классов металлических материалов (например, железоуглеродистых сплавов, конструкционной стали, нержавеющей стали, жаропрочных сплавов, алюминиевых сплавов, магниевых сплавов, металлокерамики). В связи с развитием новых областей техники возникли задачи изучения поведения металлов и сплавов при радиационных воздействиях, весьма низких температурах, высоких давлениях и т.д.
|
