29.02.2008
Технический прогресс, развитие металлообработки, 19-20 век
Заметную роль в изучении природы металлов и металлообработки сыграли исследования французского ученого Реомюра, который в 1722 году изучал строение зерен в металлах. Его размышления о природе физических процессов, происходящих при термической обработке стали, и сейчас выглядят вполне современными.
Англичанин Григнон в 1775 году обратил внимание на то, что при затвердевании железа иногда образуется столбчатая структура. Он же предположил, что металлы являются агрегатами, состоящими из мелких кристалликов. Ему принадлежит широко известный рисунок дендрита, полученного при медленном затвердевании литого железа. Можно предположить, что Григнон размышлял и о существовании твердых растворов.
В России, кто первым начал научно осмысливать проблемы металлообработки, был М.В. Ломоносов. Им написано учебное руководство «Первые основания металлургии или рудных дел» в котором он, описывая металлургические процессы, постарался вскрыть их физико-химическую сущность. спехов наука о металлах достигла лишь в XIX веке, что связано, в первую очередь, с использованием новых методов исследования структуры металла. В 1831 году П.П. Аносов провел исследования булата на полированных и протравленных шлифах, впервые применив микроскоп для исследования стали. Им была установлена зависимость между свойствами булата и характером узора, тем самым он выявил существенное влияние процесса кристаллизации на качество булата и раскрыл тайну получения булатной стали. В своих работах П.П. Аносов изучил также влияние углерода на структуру и свойства стали, оценил роль ряда других элементов. П.П. Аносов стремился превратить металлургию из ремесла и искусства отдельных умельцев в точную науку.
Значительный вклад в развитие металловедения внесли работы английского петрографа Сорби. Он впервые применил методы петрографии к исследованию стали, рассматривая под микроскопом травленые шлифы и фотографируя структуры. В дальнейших исследованиях Сорби использовал большое увеличение, что позволило ему впервые наблюдать перлит. Сорби открыл, что перлит образуется при распаде гомогенной высокотемпературной фазы, причем его образование может подавляться при закалке. Таким образом, он установил существование структурных превращений в стали.
Серьезного внимания заслуживают работы А.С. Лаврова и Н.В. Калакуцкого, открывших в 1867 году явление ликвации стали. Важную роль сыграли работы Н.В. Калакуцкого по изучению внутренних напряжений. Он разработал меры по их устранению.
В 1868 году великий русский ученый Д.К. Чернов опубликовал знаменитую статью, в которой дал описание основополагающих точек превращения, стали. Д.К. Чернов установил наличие полиморфизма железа. Его работы явились исходной предпосылкой для построения диаграммы состояния железо-углерод.
Д.К. Чернов первым начал изучать процесс холодной пластической деформации стали. В своих исследованиях он одновременно с Людерсом описал линии скольжения на поверхности деформированной стали.
Важным этапом в изучении строения сплавов явилось установление У.Гиббсом правила фаз и общих принципов равновесия термодинамических систем.
Позднее немецкий ученый Рузбум, используя значения критических точек стали Чернова и применяя правило Гиббса, построил классическую диаграмму равновесия. Эта диаграмма имела исключительное значение для изучения стали.
Значительную роль для развития науки о металлах сыграли работы французского ученого Ф. Осмонда. Большинство его исследований посвящено изучению структуры литой стали, а также исследованию фазовых переходов железа и его сплавов. Р. Аустен установил природу высокотемпературной фазы в системе железо-углерод, т.е. твердого раствора, который впоследствии был назван в его честь аустенитом.
Большое значение для развития металловедения имели работы русского ученого Е.С. Федорова, который положили начало самостоятельной науки – кристаллографии.
В течении всего XIX века проводились исследования, направленные на разработку новых сплавов. Французский инженер Бертье получил сплавы железа с хромом. Австриец Якоб впервые создал теплостойкую вольфрамовую сталь. Англичанин Гадфильд разработал серию высокомарганцевых и кремнистых сталей.
К началу XX века металловедение сформировалось как самостоятельная наука. В этот период большую роль сыграли исследования немецкого ученого Таммана. Созданная им научная школа провела широкие исследования строения различных металлических систем с целью установления природы строения сплавов и условий формирования фаз.
Значительный вклад в развитие системного исследования металлических сплавов внес русский ученый Н.С. Курнаков. Метод изучения изменений свойств в зависимости от состава сплава был положен в основу разработанного им физико-химического анализа сплавов. С использованием такого анализа им были построены диаграммы состояния, устанавливающие взаимосвязь между составом и свойствами сплавов.
Систематические исследования структурных и фазовых превращений были выполнены известным американским ученым Э. Бейном. Он исследовал распад аустенита при изотермическом отжиге. Ему впервые удалось выделить продукты превращения. Бейном подробно описана структура, получаемая при промежуточных температурах, которая впоследствии была названа бейнитом.
Разработка американскими учеными Ф. Тейлором и М. Уайтом быстрорастущей стали, произвела переворот в машиностроении. Резко возросла производительность механической обработки, появились новые быстроходные станки и автоматы.
Немецкий исследователь А. Вильм создал высокопрочный сплав алюминия с медью - дуралюмин, прочность которого в результате старения в несколько раз превышала прочность технического алюминия при сохранении достаточного запаса пластичности. Использование дуралюмина в самолетостроении на многие годы определило прогресс в этой области техники.
Революционные результаты были получены французским ученым Юм - Розери. При изучении фазового состояния сплавов и растворимости друг в друге он ввел понятие об электронной концентрации, в результате чего стало возможным прогнозировать фазовое состояние сплавов.
Важные результаты были получены независимо друг от друга при изучении процессов старения Гинье и Престоном. Они установили момент начальной стадии образования переходной решетки, возникающей в системе «матрица — выделение» в момент максимального упрочнения сплавов при старении. Образовавшиеся в результате распада выделения стали называться зонами Гинье-Престона.
Серьезные исследования по проблеме механизмов упрочнения были проведены американскими учеными Коттреллом, а также Холлом и Петчем.
Важные работы в области изучения проблемы хрупкости материалов были проведены Гриффитсом и Ирвином. Они впервые установили размеры дефектов металла, при которых может происходить хрупкое разрушение материала.
Значительный вклад в развитие науки о металлах внести советские ученые.
СТ. Конобеевский исследовал изменение структуры различных металлов и сплавов, подвергаемых пластическому деформированию. Им сформулированы основные принципы применения рентгено - структурного анализа и современной теории старения и распада твердых растворов.
Академиком А.А. Бочваром открыто и детально изучено явление сверхпластичности. Он установил корреляционную связь между температурой рекристаллизации металлов и их абсолютной температурой плавления.
В работах академика А.А. Байкова отражены результаты исследований фазовых превращений в металлах и сплавах. Им приведены глубокие исследования высокоуглеродистых фаз в сталях.
Важные результаты были получены СИ. Губкиным при исследовании закономерностей пластической деформации металлов. Он сформулировал ряд важных положений теории течения металлов, а также ввел понятие деформируемости металлов, характеризующие их способность к изменению формы под давлением.
Зеачительных результатов в изучении механических свойств металлов и в исследовании проблемы их прочности добился Н.Н. Давиденков. Им вскрыта суть процессов, протекающих в металлах при больших ударных скоростях нагружения, разработана теория хладноломкости металлов.
В работах академика СТ. Кишкина были получены новые научные представления о природе легирования и прочности сталей. Им были сформулированы принципы получения высокопрочных и жаропрочных сталей и сплавов.
Больших достижений в области изучения алюминиевых бериллиевых сплавов, а также композиционных материалов добился И.Н. Фридляндер.
А.С. Завьялов впервые установил, что в перлитном интервале темпне-ратур непосредственно из аустенита образуется не равновесный феррит, а пересыщенная углеродом а - фаза, которую А.С. Завьялов назвал черновитом.
Большой вклад в развитие науки о металлах внес В.Д. Садовский. Он раскрыл природу структурной наследственности стали при ее термической обработке, а также предложил режимы термообработки, позволяющие устранить крупнозернистую струтуру стали, возникающую при литье, сварке, ковке и других процессах.
Таким образом, к началу XXI века многолетними трудами ученых установлены основные характеристики металлов, без которых невозможно само существование в первую очередь машиностроения.
