Материаловедение и термическая обработка сталей. Закалка стали
14.06.2017
Материаловедение и термическая обработка сталей. Методы исследования структуры металлов и сплавов
04.07.2017
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.