Материаловедение и термическая обработка сталей. Краткие исторические сведения о развитии материаловедения

Материаловедение  — это прикладная  наука,  изучающая  взаимосвязи  между  составом,  строением  и  свойствами  металлов  и  сплавов  в  различных  условиях.  Изучение  этой дисциплины  позволяет  осуществить  рациональный  выбор  материалов  для  конкретного  применения.  Металловедение  — это  постоянно  развивающаяся  наука,  непрерывно    обогащающаяся  за  счет  разработки  новых  сталей  и  сплавов, стимулирующих  прогресс  во  всех  областях  науки  и  техники.

Наука  «материаловедение»  существует  около  200  лет,  несмотря  на  то,  что  человек  начал  использовать  металлы  и  сплавы  ещё  за  несколько  тысячелетий  до  нашей  эры.  Только   в 18  веке  появились  отдельные  научные  результаты, что позволили  говорить  о  начале  осмысленного  изучения всех накопленных знаний человечества  за  все  время  использования  металлов.

Заметную  роль в  изучении  природы  металлов  сыграли  исследования  французского  ученого  Рене Антуана Реомюра  (1683-1757), который провел  исследование  строения  зерен  в  металлах еще  в  далеком 1722  году.  Английский инженер  Григнон  в  1775  году  обратил  внимание  на  то,  что  при  затвердевании железа  образуется  столбчатая  структура.  Ему  принадлежит  известный  рисунок  дендрита,  полученного  при  медленном  затвердевании  литого  железа.

В  России  первым,  кто  начал  научно  осмысливать  проблемы  металлургии  и  литейной отрасли,  был  М.В.  Ломоносов  (1711-1765).  Им  написано  учебное  руководство  «Первые  основания  металлургии  рудных  дел»,  в  котором,  описывая  металлургические  процессы,  постарался  открыть  их  физико-химическую  сущность.

Заметных  успехов  металловедение  достигло в  19  веке,  что  связано  с  использованием  новых  методов  исследования  структуры  металла.  Так, в  1831  году  П.П.  Аносов  (1799-1851)  провел  исследование  металла  на  полированных  и  протравленных  шлифах,  где впервые  применил  микроскоп  для  исследования  стали.  Значительный  вклад  в  развитие  металловедения   внесли  работы  русского  металлурга  П. П. Аносова (1799-1851), английских  ученых  Генри Клифтона Сорби (1826-1908) и  Уильяма Робертс-Остена (1843-1902),  немецкого металловеда  А. Мартенса (1850-1914), французского химика  Луи-Жозефа Труста (1825- 1911)  и  американца  Э. Бейна (1891-1974). Каждый ученый,  в  своё  время,  рассматривая  под  микроскопом  и  фотографируя  структуры,  установил  существование  структурных  превращений  в  сталях  при  их  непрерывном  охлаждении.

В 1873-1876 г.г Д.У. Гиббс изложил основные законы фазового равновесия, в частности — правило фаз, основываясь на законах термодинамики. Для решения практических задач необходимо знание фазового равновесия в той или иной системе, но его не достаточно для определения состава и относительного количества фаз. Также, обязательно знать структуру сплавов (т. е. атомное строение фаз составляющих сплав) и распределение, размер и форму кристаллов каждой фазы.

Создание научных основ металловедения по праву принадлежит Чернову Д.К. (1839 – 1903), который установил критические температуры фазовых превращений в сталях и их связь с количеством углерода в составе сталей. Этим были заложены основы для важнейшей в металловедении диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов.

Своим открытием аллотропических превращений в стали, Чернов Д.К. заложил фундамент термической обработки стали. Критические точки в стали позволили рационально выбирать температуру ее закалки, отпуска и пластической деформации в производственных условиях.

В своих работах по кристаллизации стали и строению слитка, Д.К. Чернов изложил все основные положения теории литья, что не утратили свое научное и практическое значение и в настоящее время.

Разработка  американскими  учёными  Ф. Тейлором  и  М. Уайтом  быстрорежущей  стали (1902 г.) произвела  переворот  в  машиностроении.  Резко  возросла  производительность  механической  обработки,  появились  новые  быстроходные  станки  и  автоматы.<.p>

Немецкий  исследователь  А. Вильм  создал  высокопрочный  сплав  алюминия  с  медью – дюралюминий (1906 г). Прочность  дюралюминия в результате  старения,  в  несколько  раз  превышала  прочность  технического  алюминия  и  других  алюминиевых  сплавов  при  сохранении  достаточного  запаса  пластичности.  Использование  дюралюминия  в  самолётостроении  определило  прогресс  в  этой  области  техники на  многие  годы.

Немецкий  инженер  Мауэр  и  профессор  Штраус получили хромоникелевую аустенитную  нержавеющую  сталь (1912 г),  а  ученый Бренли изобрел  ферритную  нержавеющая  сталь (1912 г).

ХХ век  ознаменовался  весьма крупными  достижениями  в  теории  и  практике  материаловедения:  созданы  высокопрочные  материалы  для  деталей  и  инструментов;  разработаны  композиционные  материалы;  открыты  сверхпроводники и  полупроводники. Одновременно  совершенствовались  способы  упрочнения  деталей  термической  и  химикотермической  обработкой.  Огромное  значение  имели  работы  А.А.  Бочарова,  Г.В. Курдюмова,  В. Д.  Садовского  и  В. А. Каргина для  развития  отечественного  материаловедения.