Металознавство
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Металознавство

Металознавство, наука, що вивчає зв'язки складу, будови і властивостей металів і сплавів, а також закономірності їх зміни при теплових, механічних, физико-хімічних і ін. видах дії. М. — наукова основа досліджень складу, способів виготовлення і обробки металевих матеріалів зі всілякими механічними, фізичними і хімічними властивостями. Вже народам стародавнього світу було відоме здобуття металевих сплавів ( бронзи і ін.), а також підвищення твердості і міцності стали за допомогою гарт . Як самостійна наука М. виникло і оформилося в 19 ст, спочатку під назвою металографія . Термін «М-коду.» введений в 20-х рр. 20 ст в Германії, причому було запропоновано зберегти термін «металографія» лише для учення про макро- і мікроструктурі металів і сплавів. У багатьох країнах М. як і раніше позначають терміном «металографія», а також називають «фізичною металургією». Виникнення М. як науки було обумовлено потребами техніки. У 1831 П. П. Аносов, розробляючи спосіб здобуття булату, вивчав під мікроскопом будову відполірованої поверхні стали, заздалегідь протравленою кислотою. У 1864 Р. До. Сорбі виробив подібні ж дослідження мікроструктури залізних метеоритів і зразків стали, застосувавши при цьому мікрофотографію. У 1868 Д. До. Чернов вказав на існування температур, при яких сталь зазнає перетворення при нагріванні і охолоджуванні (критичні крапки). Ці температури виміряв Ф. Осмонд (1888) за допомогою термоелектричного термометра, винайденого А. Ле Шателье . У. Робертс-Остен (Великобританія) досліджував методами термічного аналізу і мікроструктури декількох подвійних металевих систем, в тому числі залізовуглецеві сплави (1897). Його результати критично переглянув в 1900 з точки зору фаз правила, теоретично виведеного Дж. В. Гіббсом (1873—76), Р. Ст Розебом . Ле Шателье значно поліпшив техніку вивчення мікроструктури. Н. С. Курнаков сконструював самописний пірометр (1903) і на основі вивчення ряду металевих подвійних систем спільно із співробітниками (С. Ф. Перлинним, Н. І. Степановим, Р. Р. Уразовим і ін.) встановив закономірності, вчення, що з'явилися основою, про сингулярні крапки і физико-хімічного аналізу. З 1903 діаграми стану металевих сплавів вивчав Р. Тамман із співробітниками. У Росії А. А. Байков досліджував явища гарту сплавів (1902), значно поліпшив методику М. введенням автоматичного запису диференціальних кривих нагрівання і охолоджування (1910) і труїть мікрошліфів при високій температурі (1909). Байков заснував в Петербурзькому політехнічному інституті першу в Росії учбову лабораторію М., в якій працювали Н. Т. Гудцов, Р. А. Кащенко, М. П. Славінський, В. Н. Свечников і ін. Піонерами вживання М. в заводській практиці були А. А. Ржешотарський, М., що створив лабораторію, на Обухівському заводі (1895), і Н. І. Беляєв, що заснував таку ж лабораторію на Путіловськом заводі (1904). У 1908 А. М. Бочвар організував в Вищому технічному училищі першу в Москві металографічну лабораторію, в якій працювали І. І. Сидорін, А. А. Бочвар, С. М. Воронов і ін. фахівці в області М. кольорових металів.

загрузка...

  В 1918 А. Портевен і М. Гарвен (Франція) встановили залежність критичних крапок стали від швидкості охолоджування. З 1929—30 почалися дослідження перетворень в сталі в ізотермічних умовах (Е. Давеппорт і Е. Бейн, Р. Мейл в США, С. С. Штейнберг, Н. А. Мінкевіч в СРСР, Ф. Вефер в Германії і ін.). Одночасно розвивалася фізична теорія кристалізації металів, експериментальні основи якої були закладені на початку 20 ст Тамманом (Я. І. Френкель, В. І. Данілов в СРСР, М. Фольмер в Германії, І. Странський в Болгарії).

  Виняткову роль в розвитку М. грав починаючи з 20-х рр. 20 ст рентгеноструктурний аналіз, який дозволив визначити кристалічну структуру різних фаз, описати її зміни при фазових переходах, термічній обробці і деформації (структуру мартенсіту, зміни структури твердих розчинів при їх розпаді і т.д.). У цій області найважливіше значення мали роботи Р. Ст Курдюмова, С. Т. Конобєєвського, Н. Ст Агєєва і ін., а за кордоном — А. Вестгрена (Швеція), У. Юм-Розері (Великобританія), В. Делінгера, В. Кестера (Німеччина) і ін. Курдюмов, зокрема, розробив теорію гарту і відпустки стали і досліджував основних типів фазових перетворень в твердому стані («нормальні» і мартенситні). У 20-х рр. А. Ф. Іоффе і Н. Н. Давіденков поклали початок теорії міцності кристалів. Теорія фазових перетворень, вивчення атомно-кристалічної і електронної будови металів і сплавів, природи механічних, теплових, електричних і магнітних властивостей металів були новими етапами в історії М. як пограничної науки між фізичною хімією і фізикою твердого тіла (див. Металофізика ) .

  Розвиток М. в 2-ій половині 20 ст характеризується значним розширенням методичних можливостей. Окрім рентгеноструктурного аналізу, для вивчення атомнокрісталлічеського будови металів застосовують електронну мікроскопію, яка дозволяє вивчати локальні зміни будови сплавів, взаємне розташування структурних складових і недосконалості кристалічної будови (див. Дефекти в кристалах ) . Істотне значення мають методи електронної дифракції, нейтронографії, радіоізотопних індикаторів, внутрішнього тертя, мікрорентгеноспектрального аналізу, калориметрії, магнітометрії і ін.

  М. умовно розділяється на теоретичне, розглядаюче загальні закономірності будови і процесів, що відбуваються в металах і сплавах при різних діях, і прикладне (технічне), вивчаюче основи технологічних процесів обробки (термічна обробка, литво, обробка. тиском) і конкретні класи металевих матеріалів.

  Основні розділи теоретичного М.: теорія металевого стану і фізичних властивостей металів і сплавів, кристалізація, фазові рівноваги в металах і сплавах, дифузія в металах і сплавах, фазові перетворення в твердому стані, фізична теорія процесів пластичної деформації, зміцнення, руйнування і рекристалізації. Вміст теоретичного М. значною мірою пов'язано з металофізикою.

  Теорія металевого стану розглядає метал як сукупність електронів, рухомих в періодичному полі позитивних іонів (див. Метали ) . На основі обліку сил міжатомної взаємодії оцінена теоретична міцність металевих монокристалів, яка в 100—1000 разів більше практичною. Електричний опір металів розглядається як наслідок порушень ідеального розташування атомів в кристалічній решітці, обумовлених її коливаннями, наявністю статичних дефектів і домішок. Залежно від особливостей міжатомної взаємодії виникають різні фази: впорядковані тверді розчини, електронні з'єднання, фази впровадження, сигма-фази і т.д. Розвиток електронної теорії металів і сплавів зіграв велику роль в створенні сплавів з особливими фізичними властивостями (надпровідних, магнітних і ін.).

  Кристалізація металів характеризується великими значеннями швидкості зародження центрів кристалізації і швидкості росту кристалів при малому інтервалі переохолоджень, в якому відбувається твердіння. Будова реального металевого злитка визначається закономірностями кристалізації, умовами тепловідводу, а також впливом домішок. Механізм евтектичної кристалізації сплавів був вивчений А. А. Бочваром (1935).

  Одін з найважливіших розділів теоретичного М. — вивчення фазових равновесий в сплавах. Побудовані діаграми стану для багатьох подвійних, потрійних і складніших систем і встановлені температури фазових переходів. За певних умов (наприклад, швидкому охолоджуванні) можуть виникати метастабільні стани з відносним, за даних термодинамічних умов, мінімумом вільної енергії. Найбільш важливі приклади таких станів — мартенсіт стали і пересичені тверді розчини металів (наприклад, Al — Cu). Кінетика фазових перетворень і умови виникнення метастабільних станів визначаються мірою відхилення системи від рівноваги, рухливістю атомів (характеристики дифузії ), структурною і хімічною відповідністю виникаючих і вихідних фаз.

  Перетворення в твердому стані (фазові перетворення) в умовах сильної міжатомної взаємодії в кристалічних фазах супроводяться виникненням полів напруги. За деяких умов і наявності поліморфних модифікацій (див. Поліморфізм ) спостерігається впорядкована перебудова кристалічної решітки на кордоні фаз ( мартенситне перетворення ) . В області температур, при яких швидко відбуваються релаксаційні процеси, утворення кристалів нової фази може протікати шляхом неврегульованих дифузійних переходів окремих атомів («нормальне» перетворення). Для М. залізних сплавів велике значення мають кінетичні діаграми перетворень аустеніту . В металевих сплавах часто протікають процеси розпаду пересичених твердих розчинів. У багатьох випадках найбільш істотні зміни властивостей відбуваються до виникнення при розпаді другої фази. Рентгенографічні дослідження показали, що ці зміни пов'язані з процесами перерозподілу атомів в гратах матриці, утворенням збагачених зон усередині матриці (див. Старіння металів ) . Рівноваги і кінетика фазових перетворень можуть значною мірою змінюватися в результаті дії високого тиску. У зв'язку з проявом сил хімічної взаємодії між атомами різних елементів в ненасичених твердих розчинах можуть також відбуватися процеси перерозподілу атомів елементів. Впорядковане розташування атомів в певних вузлах кристалічної решітки виникає в твердих розчинах заміщення (наприклад, Cu — Al) і впровадження (мартенсіт, Ta — Про і т.д.). В деяких випадках з'являються внутрішньофазові неоднорідності — сегрегації.

  Важливе значення для розвитку М. має фізична теорія пластичної деформації і дефектів кристалічної будови. Розбіжність між теоретично обчисленими і спостережуваними на досвіді значеннями міцності привела в 1933—34 до припущення про наявність в кристалах особливих дефектів (недосконалості) — дислокацій, переміщення яких під дією порівняно малих сил здійснює пластичну деформацію. Експериментальні дослідження, проведені різними методами і особливо дифракційною електронною мікроскопією тонкої фольги, підтвердили наявність дислокацій. Методи внутрішнього тертя і ін. дозволили з'ясувати роль точкових дефектів ( вакансій ) . Наявність вакансій впливає на фізичні властивості кристалів і грає важливу роль в дифузійних процесах при термообробці, відпочинку металів, рекристалізації металів, спіканні і т.д. Вивчення властивостей бездефектних ниткоподібних кристалів довело правильність теоретичної оцінки міцності. У практично важливих випадках підвищення міцності досягається збільшенням щільності дислокацій (наприклад, пластичною деформацією, мартенситним перетворенням при гарті або їх поєднанням). Домішки можуть скупчуватися в дислокацій і блокувати їх. Один з найбільш яскравих проявів впливу реальної структури на процеси в металах і сплавах — відмінності в швидкості дифузії і розподілі елементів по кордонах і об'ємі полікрісталлов. В деяких випадках дуже малі домішки змінюють швидкість граничної дифузії. Оскільки багато процесів розпаду твердих розчинів починаються переважно в прикордонних областях, малі домішки можуть істотно змінювати кінетику цих процесів і кінцеву структуру. Взаємодія дислокації з домішками впровадження (у залозі — вуглець і азот) — одна з головних причин холодноламкості металів з об'емноцентрірованной кубічними гратами. Рухом і взаємодією дислокацій визначається протікання зміцнення металів, разупрочненія, повзучість, полігонізациі, рекристалізації і ін. процесів. Найбільш ефективні засоби зміни структури і властивостей металевих матеріалів — легування, термічна обробка, поверхневе зміцнення, химіко-термічна обробка, термомеханічна обробка .

  Вмістом прикладного (технічного) М. є вивчення складу, структури, процесів обробки і властивостей різних конкретних класів металевих матеріалів (наприклад, залізовуглецевих сплавів, конструкційної сталі, неіржавіючої сталі, жароміцних сплавів, алюмінієвих сплавів, магнієвих сплавів, металокераміки). У зв'язку з розвитком нових областей техніки виникли завдання вивчення поведінки металів і сплавів при радіаційних діях, вельми низьких температурах, високому тиску і т.д.

 

  Літ.: Бунін До. П., Залізовуглецеві сплави, До. — М., 1949; фізичні основи металознавства, М., 1955; Бочвар А. А., Металознавство, 5 видавництво, М., 1956; Курдюмов Р. Ст, Явища гарту і відпустки стали, М., 1960; Лівшиц Би. Р., Металографія, М., 1963; Фізичне металознавство, пер з англ.(англійський), ст 1—3, М. 1967—68.

  Р. І. Ентін.

Зразок металлогенічеськой карти.