МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ наука, изучающая
связи состава, строения и свойств металлов и сплавов, а также закономерности
их изменения при тепловых, меха-нич., физико-хим. и др. видах воздействия.
М.- науч. основа изысканий состава, способов изготовления и обработки металлич.
материалов с разнообразными механич., физ. и хим. свойствами. Уже народам
древнего мира было известно получение металлич. сплавов (бронзы и
др.), а также повышение твёрдости и прочности стали посредством закалки.
Как
самостоят, наука М. возникло и оформилось в 19 в., вначале под назв. металлографии.
Термин
"М." 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 мн. странах М. по-прежнему обозначают термином "металлография",
а также наз. "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
произвёл подобные же исследования микроструктуры жел. метеоритов и
образцов стали, применив при этом микрофотографию. В 1868 Д. К. Чернов
указал
на существование температур, при к-рых сталь претерпевает превращения при
нагревании и охлаждении (критические точки). Эти темп-ры измерил Ф.
Осмонд
(1888) при помощи термоэлектрич. термометра, изобретённого А. Ле
Шателъе. У. Робертс-Остен (Великобритания,) исследовал методами
термического
анализа и микроструктуры неск. двойных металлич. систем, в т. ч. железоуглеродистые
сплавы (1897). Его результаты критически пересмотрел в 1900 с точки
зрения фаз правила,
теоретически выведенного Дж. У. Гиббсом (1873-76),
Г. В. Розе-бом.
Ле Шателье значительно улучшил технику изучения
микроструктуры. Н. С. Курнаков сконструировал самопишущий пирометр
(1903) и на основе изучения ряда металлич. двойных систем совм. с сотрудниками
(С. Ф. Жемчужным,
Н. И. Степановым,
Г. Г. Уразовым и
ДР-) установил закономерности, явившиеся основой учения о сингулярных течках
и физико-химического анализа. С 1903 диаграммы состояния металлич. сплавов
изучал Г. Тамман с сотр. В России А. А. Банков исследовал
явления закалки сплавов (1902), значительно улучшил методику М. введением
авто-матич. записи дифференциальных кривых нагревания и охлаждения (1910)
и травления микрошлифов при высокой темп-ре (1909). Байков основал в Петерб.
политехнич. ин-те первую в России уч. лабораторию М., в к - рой 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 з-де (1895), и Н. И. Беляев,
основавший такую же лабораторию на Путиловском з-де (1904). В 1908
А. М. Бочвар организовал в Высшем технич. уч-ще первую в Москве
металлографич. лабораторию, в к-рой 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 (Франция)
установили зависимость критич. точек стали от скорости охлаждения. С 1929-30
начались исследования превращений в стали в изотермич. условиях (Э. Давенпорт
и Э. Бейн, Р. Мейл в США, С. С. Штейнберг, Н. А. Минке-вич в
СССР, Ф. Вефер в Германии и др.). Одновременно развивалась физ. теория
кристаллизации
металлов,
экспериментальные основы к-рой были заложены в нач. 20 в. Тамманом (Я.
И. Френкель, В. И. Данилов в СССР, М.
Фоль-мер в Германии,
И. Странский в Болгарии).

Исключит, роль в развитии М. играл начиная
с 20-х гг. 20 в. рентгенострук-турный анализ, к-рый позволил определить
кристаллич. 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. Кестера (Германия) и др. Курдюмов, в
частности, разработал теорию закалки и отпуска стали и исследовал осн.
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-кристаллич. и электронного
строения металлов и сплавов, природы механич., тепловых, электрич. и магнитных
свойств металлов были новыми этапами в истории М. как пограничной науки
между физ. химией и физикой твёрдого тела (см. Металлофизика).

Развитие М. во 2-й пол. 20 в. характеризуется
значит, расширением методич. возможностей. Кроме рентгеноструктурного анализа,
для изучения атомнокристаллического строения металлов применяют
электронную
микроскопию, к-рая позволяет изучать локальные изменения строения сплавов,
взаимное расположение структурных составляющих и несовершенства кристаллич.
строения (см. Дефекты в кристаллах). Существ, значение имеют методы
электронной дифракции, нейтронографии, радиоизотопных индикаторов,
внутреннего трения, микрорентгеноспектрального анализа, калориметрии,
магнитометрии
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 технологич. процессов обработки (термич. обработка, литьё,
обработка давлением) и конкретные классы металлич. материалов.

Осн. разделы теоретич. М.: теория металлич.
состояния и физ. свойств металлов и сплавов, кристаллизация, фазовые равновесия
в металлах и сплавах, диффузия в металлах и сплавах, фазовые превращения
в твёрдом состоянии, физ. теория процессов пластической деформации, упрочнения,
разрушения и рекристаллизации. Содержание теоретич. М. в значит, мере связано
с металлофизикой.

Теория металлич. состояния рассматривает
металл как совокупность электронов, движущихся в периодич. поле положительных
ионов (см. Металлы). На основе учёта сил межатомного взаимодействия
оценена теоретич. прочность металлич. монокристаллов, к-рая в 100-1000
раз больше практической. Электрич. сопротивление металлов рассматривается
как следствие нарушений идеального расположения атомов в кристаллич. решётке,
обусловленных её колебаниями, наличием статич. 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 физ. свойствами (сверхпроводящих, магнитных
и др.).

Кристаллизация металлов характеризуется
большими значениями скорости зарождения центров кристаллизации и скорости
роста кристаллов при малом интервале переохлаждений, в к-ром происходит
затвердевание. Строение реального металлич. слитка определяется закономерностями
кристаллизации, условиями теплоотвода, а также влиянием примесей. Механизм
эвтектич. кристаллизации сплавов был изучен А. А. Боч-варом (1935).

Один из важнейших разделов теоретич. М.
- изучение фазовых равновесий в сплавах. Построены диаграммы состояния
для
мн. двойных, тройных и более сложных систем и установлены темп-ры фазовых
переходов. При определённых условиях (напр., быстром охлаждении) могут
возникать метастабильные состояния с относительным, при данных термо-динамич.
условиях, минимумом свободной энергии. Наиболее важные примеры таких состояний
- мартенсит стали и пересыщенные твёрдые растворы металлов (напр.,
А1 - Си). Кинетика фазовых превращений и условия возникновения метастабильных
состояний определяются степенью отклонения системы от равновесия, подвижностью
атомов (характеристики диффузии), структурным и хим. соответствием
возникающих и исходных фаз.

Превращения в твёрдом состоянии (фазовые
превращения) в условиях сильного межатомного взаимодействия в кристаллич.
фазах сопровождаются возникновением полей напряжений. При нек-рых условиях
и наличии полиморфных модификаций (см. Полиморфизм) наблюдается
упорядоченная перестройка кристаллич. решётки на границе фаз (мартенситное
превращение). В области темп-р, при к-рых быстро происходят релаксационные
процессы, образование кристаллов новой фазы может протекать путём неупорядоченных
диффузионных переходов отд. атомов ("нормальное" превращение). Для М. железных
сплавов большое значение имеют кинетич. диаграммы превращений аустенита.
В
металлич. сплавах часто протекают процессы распада пересыщенных твёрдых
растворов. Во мн. случаях наиболее существ, изменения свойств происходят
до возникновения при распаде второй фазы. Рентгенографические исследования
показали, что эти изменения связаны с процессами перераспределения атомов
в решётке матрицы, образованием обогащённых зон внутри матрицы (см. Старение
металлов). Равновесия и кинетика фазовых превращений могут в значит,
мере изменяться в результате воздействия высоких давлений. В связи а проявлением
сил хим. взаимодействия между атомами различных элементов в ненасыщенных
твёрдых растворах могут также происходить процессы перераспределения атомов
элементов. Упорядоченное расположение атомов в определённых узлах кристаллич.
решётки возникает в твёрдых растворах замещения (напр., Сu - Аl) и внедрения
(мартенсит, Та - О и т. д.). В нек-рых случаях появляются внутрифазовые
неоднородности - сегрегации.

Важное значение для развития М. имеет физическая
теория пластической деформации и дефектов кристаллич. строения. Расхождение
между теоретически вычисленными и наблюдаемыми на опыте значениями прочности
привело в 1933-34 к предположению о наличии в кристаллах особых дефектов
(несовершенств) - дислокаций, перемещение к-рых под действием сравнительно
малых сил осуществляет пластич. деформацию. Экспериментальные исследования,
проведённые различными методами и особенно дифракционной электронной микроскопией
тонких фольг, подтвердили наличие дислокаций. Методы внутр. трения и др.
позволили выяснить роль точечных дефектов (вакансий). Наличие вакансий
влияет на физ. свойства кристаллов и играет важную роль в диффуз. процессах
при термообработке, отдыхе металлов, рекристаллизации металлов, спекании
и т. д. Изучение свойств бездефектных нитевидных кристаллов доказало
правильность теоретич. оценки прочности. В практически важных случаях повышение
прочности достигается увеличением плотности дислокаций (напр., пластической
деформацией, мартенсит-ным 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 нек-рых случаях очень малые примеси изменяют скорость
граничной диффузии. Поскольку мн. процессы распада твёрдых растворов начинаются
преим. в приграничных областях, малые примеси могут существенно изменять
кинетику этих процессов и конечную структуру. Взаимодействие дислокаций
с примесями внедрения (в железе -углерод и азот) - одна из гл. причин хладноломкости
металлов
с объёмноцен-трированной кубич. решёткой. Движением и взаимодействием дислокаций
определяется протекание упрочнения металлов, разупрочнения,
ползучести,
полигонизации,
рекристаллизации и др. процессов. Наиболее эффективные средства изменения
структуры и свойств металлич. 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 металлич. материалов (напр., 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 темп-pax, высоких давлениях
и т. д.

Лит.: Б у н и н К. П., Железоуглеродистые
сплавы, К. - М., 1949; физические основы металловедения, М., 1955; Б о
ч в а р А. А., Металловедение, 5 изд., М., 1956; К у р дю м о в Г. В.,
Явления закалки и отпуска стали, М., I960; Лившиц Б. Г., Металлография,
М., 1963; Физическое металловедение, пер. с англ., в. 1 - 3, М., 1967-68.

Р. И. Энтин.

А Б В Г Д Е Ё 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