Металловедение

Металловедение (далее М) наука, изучающая связи состава, строения и свойств металлов и сплавов, а также закономерности их изменения при тепловых, механических, физико- и др. видах воздействия. М - научная основа изысканий состава, способов изготовления и обработки металлических материалов с разнообразными механическими, физическими и свойствами. Уже народам древнего мира было известно получение металлических сплавов (бронзы и др.), а также повышение твердости и прочности стали посредством закалки. Как самостоятельная наука М возникло и оформилось в 19 в., вначале под названием металлографии. Термин "М" введен в 20-х гг. 20 в. в причем было предложено сохранить термин "металлография" только для учения о макро- и микроструктуре металлов и сплавов. Во многих странах М по-прежнему обозначают термином "металлография", а также называют "физической металлургией". Возникновение М 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 произвел подобные же исследования микроструктуры 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, изобретенного 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- 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 М 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 М, в которой работали Н. Т. Гудцов, Г. А. Кащенко, М П. Славинский, В. Н. Свечников и др. Пионерами применения М в заводской практике были А. А. Ржешотарский, создавший лабораторию М 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 М цветных металлов.

В 1918 А. Портевен и М Гарвен ( 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 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 И. Странский в Болгарии).

Исключительную роль в развитии М играл начиная с 20-х гг. 20 в. рентгеноструктурный анализ, который позволил определить структуру различных фаз, описать ее изменения при фазовых переходах, термической обработке и деформации (структуру мартенсита, изменения структуры твердых 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. Кестера ( и др. Курдюмов, в частности, разработал теорию закалки и отпуска стали и исследовал основные типы фазовых превращений в твердом состоянии ("нормальные" и мартенситные). В 20-х гг. А. Ф. Иоффе и Н. Н. Давиденков положили начало теории прочности Теория фазовых превращений, изучение и электронного строения металлов и сплавов, природы механических, тепловых, электрических и свойств металлов были новыми этапами в истории М как пограничной науки между физической химией и физикой твердого тела (см. Металлофизика).

Развитие М во 2-й половине 20 в. характеризуется значительным расширением методических возможностей. Кроме рентгеноструктурного анализа, для изучения строения металлов применяют электронную микроскопию, которая позволяет изучать локальные изменения строения сплавов, взаимное расположение структурных составляющих и несовершенства строения (см. Дефекты в кристаллах). Существенное значение имеют методы электронной дифракции, нейтронографии, радиоизотопных индикаторов, внутреннего трения, микрорентгеноспектрального анализа, калориметрии, и др.

М 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, литье, обработка. давлением) и конкретные классы металлических материалов.

Основные разделы теоретического М: теория металлического состояния и физических свойств металлов и сплавов, фазовые равновесия в металлах и сплавах, диффузия в металлах и сплавах, фазовые превращения в твердом состоянии, физическая теория процессов пластической деформации, упрочнения, разрушения и рекристаллизации. Содержание теоретического М в значительной мере связано с металлофизикой.

Теория металлического состояния рассматривает металл как совокупность электронов, движущихся в периодическом поле положительных ионов (см. Металлы). На основе учета сил межатомного взаимодействия оценена теоретическая прочность металлических монокристаллов, которая в 100-1000 раз больше практической. Электрическое сопротивление металлов рассматривается как следствие нарушений идеального расположения в решетке, обусловленных ее колебаниями, наличием статических дефектов и примесей. В зависимости от особенностей межатомного взаимодействия возникают различные фазы: упорядоченные твердые 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, и др.).

металлов характеризуется большими значениями скорости зарождения центров и скорости роста при малом интервале переохлаждений, в котором происходит затвердевание. Строение реального металлического слитка определяется закономерностями условиями теплоотвода, а также влиянием примесей. Механизм эвтектической сплавов был изучен А. А. Бочваром (1935).

Один из важнейших разделов теоретического М - изучение фазовых равновесий в сплавах. Построены диаграммы состояния для многих двойных, тройных и более сложных систем и установлены температуры фазовых переходов. При определенных 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 твердые растворы металлов (например, - ). Кинетика фазовых превращений и условия возникновения метастабильных состояний определяются степенью отклонения системы от равновесия, подвижностью (характеристики диффузии), структурным и соответствием возникающих и исходных фаз.

Превращения в твердом состоянии (фазовые превращения) в условиях сильного межатомного взаимодействия в фазах сопровождаются возникновением полей напряжений. При некоторых условиях и наличии полиморфных модификаций (см. Полиморфизм) наблюдается упорядоченная перестройка решетки на границе фаз (мартенситное превращение). В области температур, при которых быстро происходят релаксационные процессы, образование новой фазы может протекать путем неупорядоченных диффузионных переходов отдельных ("нормальное" превращение). Для М сплавов большое значение имеют кинетические диаграммы превращений аустенита. В металлических сплавах часто протекают процессы распада пересыщенных твердых 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 в решетке матрицы, образованием обогащенных зон внутри матрицы (см. Старение металлов). Равновесия и кинетика фазовых превращений могут в значительной мере изменяться в результате воздействия высоких давлений. В связи с проявлением сил взаимодействия между различных элементов в ненасыщенных твердых растворах могут также происходить процессы перераспределения элементов. Упорядоченное расположение в определенных узлах решетки возникает в твердых растворах замещения (например, - ) и внедрения (мартенсит, - О и т.д.). В некоторых случаях появляются внутрифазовые неоднородности - сегрегации.

Важное значение для развития М имеет физическая теория пластической деформации и дефектов строения. Расхождение между теоретически вычисленными и наблюдаемыми на опыте значениями прочности привело в 1933-34 к предположению о наличии в особых дефектов (несовершенств) - дислокаций, перемещение которых под действием сравнительно малых сил осуществляет пластическую деформацию. Экспериментальные исследования, проведенные 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 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 объему поликристаллов. В некоторых случаях очень малые примеси изменяют скорость граничной диффузии. Поскольку многие процессы распада твердых растворов начинаются преимущественно в приграничных областях, малые примеси могут существенно изменять кинетику этих процессов и конечную структуру. Взаимодействие дислокации с примесями внедрения (в - и - одна из главных причин хладноломкости металлов с объемноцентрированной кубической решеткой. 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) М является изучение состава, структуры, процессов обработки и свойств различных конкретных классов металлических материалов (например, сплавов, конструкционной стали, нержавеющей стали, жаропрочных сплавов, сплавов, 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.

Лит.: Бунин К. П., сплавы, К. - М, 1949; физические основы металловедения, М, 1955; Бочвар А. А., М, 5 изд., М, 1956; Курдюмов Г. В., Явления закалки и отпуска стали, М, 1960; Лившиц Б. Г., Металлография, М, 1963; Физическое металловедение, пер с англ., в. 1-3, М 1967-68.

Р. И. Энтин.

		Новости 23.12.2024 03:01:04

	Copyright © 1999-2024 Oval.ru, All Rights Reserved.