МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ

     Металловедение - раздел  материалловедения,изучающия металлы их свойства и взоимосвязи с  другими материаломи.

ВВЕДЕНИЕ.

Под словом „сплав" лет 100 -150 тому назад понимали, повидимому, нечто аналогичное стеклу, во всяком случае — тесную смесь двух химически разнородных веществ. Воззрения на природу таких смесей весьма сильно расходились а так как точное представление о природе аморфно-изотропного и анизотропного состояний так же как и об их взаимно-отношениях отсутствовало, невозможно установить, какая из точек зрения была наиболее распространенной.

Тот факт, что многие металлы и сплавы имеют, по крайней мере частично, кристаллическую структуру, был еще раньше установлен путем растворения металлов в кислотах. Однако, состоят ли эти кристаллические образования из чистых металлов, составляющих сплав, или же они являются твердыми растворами или химическими соединениями, и какие, наконец, из сплавов имеют кристаллическое строение, а какие состоят из основной „магматической" массы,— по этому вопросу мнения чрезвычайно сильно расходились вследствие отсутствия методов, которые могли бы решить проблему.

Только после развития учения о гетерогенном равновесии и усовершенствования техники измерения высоких температур стало возможным приступить к решению этих вопросов. Проблема эта охватывает не только сплавы, но и все вообще полученные плавлением вещества, прежде всего горные породы и бесчисленные искусственные материалы. Заслуга развития этого нового направления в химии указания новых путей в этом направлении принадлежит Бакгуису Розебуму.

В руках Берцелиуса и его последователей аналитическая химия получила такое развитие, что определение состава какого-либо вещества не представляло значительных трудностей. Однако, определить состав и количество отдельных кристаллических составных частей конгломерата аналитическим методом было невозможно.

Петрографы и минералоги прибегали для этой цели к микроскопическим исследованиям тонких шлифов, а непосредственное разделение кристаллических составляющих стремились вызывать путем погружения кристалликов в тяжелые жидкости и наблюдения за их всплыванием.

Химики-аналитики применяли метод анализа нерастворимых остатков или же анализировали мелкие кристаллики, которые они случайно обнаруживали в усадочных раковинах закристаллизовавшихся сплавов.

Эти методы требовали большой затраты времени и не всегда приводили к цели; особенно к частым заблуждениям приводил метод анализа остатков. Конечно, нечего было и думать о систематическом изучении взаимоотношений в системе из двух веществ, например, двух элементов. Точно также отсутствовали и методы наглядного изображения получент Ных результатов,

Новый путь был впервые найден при исследовании гидратов солей,главным образом, при определении их кривых растворимости.

Были построены первые диаграммы состояния, которые дали представление о температурах равновесия между гидратами солей и их насыщенными растворами в функции состава смесей. 

   Оказалось, что каждому гидрату отвечает определенная кривая растворимости.   Эги результаты старались применять и к выяснению взаимных отношений металлов.

Первоначально придавалось чрезмерное значение определению кривых равновесия одной кристаллической фазы с рядом жидкостей в функции температуры и установлению состава этих жидкостей. Вскоре, однако, было обнаружено, что с наибольшей надежностью можно определить процессы в конце кристаллизации, которые весьма часто заканчиваются равновесием между жидкой фазой и двумя кристаллическими и которые дают возможность сделать важнейшие выводы о составе и участвующих в этих равновесных системах твердых растворов и их химических соединений.

Таким путем возник термический анализ, который дал возможность на основе кривых охлаждения установить распределение образующих сплав металлов между структурными элементами и зависимость количеств и природы этих структурных элементов от общего состава сплава. Результаты термического анализа могут контролироваться микроскопическим методом. В то время как термический анализ выявляет историю возникновения сплава, микроскопическое исследование дает возможность определить структуру готового сплава при комнатной температуре.

Результаты этих исследований приводят к построению диаграмм состояния. Из этих темперагурно-концентрационных диаграмм можно вывести для жидкого сплава любого состава ход процессов его кристаллизации и все возможные реакции между образовавшимися кристаллами и их жидкой фазой или между несколькими кристаллическими фазами, причем эти процессы будут описаны как с качественной, так и с количественной точек зрения.

С помощью этого метода оказалась разрешимой старая задача химии — полностью установить взаимные отношения химических элементов в двойных системах.

После того как химия сплавов получила столь надежное основание, можно было приступить к решению другой задачи — к установлению зависимости физических свойств сплавов от их химического состава.

Важнейшее значение для этой зависимости имеет строение сплавов. В двойных сплавах мы имеем ряды сплавов, состоящих только из одной фазы. Свойства сплавов, состоящих из двух кристаллических фаз, как правило, изменяются по линейному закону в зависимости от состава сплава, в то время как у сплавов, представляющих собой одну фазу, они изменяются по кривой линии. Для полноты обзора зависимости свойств от состава полного ряда сплавов необходимо также изучить свойства отдельных сингулярных сплавов, состоящих только из кристаллов металлического химического соединения или насыщенного твердого раствора.

Металлы и их сплавы обладают целым рядом особенностей. 

При обработке ковкой, прокаткой, волочением и т. д. свойства их сильно изменяются вследствие получающейся при этом остаточной деформации. Эти изменения различных свойств весьма различны. Весьма чувствительно реагируют на пластическую деформацию упругие свойства, прочность  при разрыве, сжатии и изгибе; менее чувствительны ферромагнитные свойства и электропроводность и, наконец, весьма незначительны изменения внутренней энергии и объема. Формоизменение металла обусловлено скольжением отдельных частей кристаллических зерен друг относительно друга. Это скольжение подчиняется определенным кристаллографическим законам и происходит по определенным плоскостям, в каждой плоскости по определенному направлению.

По мере развития скольжения возрастает трение и часть затраченной работы остается в виде потенциальной энергии в обработанном металле, что является следствием происходящих в атомах изменений, связанных с изменением междуатомных расстояний в атомных плоскостях кристаллитов, участвующих в скольжении. Эти изменения приводят к изменению физических и химических свойств обработанного металла.

Параллельно с этими изменениями происходит изменение структуры. Перед началом обработки зерна в металле ориентированы беспорядочно, по мере же роста степени протяжки и прокатки ориентировка зерен упорядочивается. При прокатке зерна распластываются в одинаково ориентированные и вытянутые пластинки, при ковке или волочении зерна вытягиваются в одинаково ориентированные волокна.

Обработанный металл находится в неустойчивом состоянии, способном сохраняться длительно лишь при низких температурах. При повышении температуры происходит снятие напряжений, возникающих при холодной обработке—„возврат", при котором прежде всего начинают изменяться физические .и химические свойства, и повышенная при холодной обработке потенциальная энергия выделяется в виде теплоты. По мере дальнейшего повышения температуры начинается изменение также и структуры, заключающееся в образовании новых мелких зерен, растущих при дальнейшем повышении температуры. Эти процессы происходят в широких температурных интервалах, которые различны у различных металлов.

Причину роста зерен следует искать в том, что на границе двух произвольно ориентированных кристаллов атомные плоскости встречаются также под произвольными углами. При этом возникают ненормальные, молекулярные силовые поля, под влиянием которых молекулы (атомы) переходят с одного кристалла на другой. Обусловленное этим перемещение границ зерен затрудняется и, наконец, совсем прекращается вследствие скопления посторонних веществ, которые не могут раствориться в решетке и располагаются в виде тончайших пленок на поверхностях соприкосновения кристаллических зерен.

Химические свойства сплавов вначале исследовались только с практической точки зрения, как, например, изучалось действие морской воды на латуни и бронзы. 

Если химический агент действует на серию твердых растворов, состоящих из химически активного и неактивного компонентов, то можно наблюдать резко выраженные „границы действия", отвечающие обычно твердым растворам, содержащим 2/8 и 4/8 молей неактивного компонента, т. е. 25 и 50 атомных его процентов. В тесной связи с химическими стоят электрохимические свойства. Экспериментальные исследования в этой области привели к теории распределения атомов двух видов в пространственной решетке, что дало возможность истолковать химические границы воздействия в твердых растворах,

Вообще говоря, мыслимо весьма много видов распределения атомов двух типов в кристаллической решетке при одном и том же количественном соотношении; однако, одно из распределений должно быть наиболее стабильным, и именно то, которое соответствует наиболее равномерному расположению атомов в связи с симметрией решетки. Это позволяет истолковать природу химических и электрохимических границ воздействия твердых растворов.

Область металловедения граничит с тремя большими научными областями: химией, физикой и кристаллографией. Химическая часть металловедения идентична с одной из частей неорганической химии, физическая часть находится в теснейшей связи с целым рядом глав физики и, наконец, полиморфизм и изоморфизм металлов, так же как и изменение свойств при обработке металлических микрокристаллических аггрегатов и их рекристаллизация, связаны с физической кристаллографией.

 Плодотворное развитие науки о металлах и сплавах было начато в конце прошлого века Роберте Аустеном, Гейкоком и Невилем в Англии, Осмондом и Лешателье во Франции, Аносовым и Курнаковым  в  России и Гейном в Германии.

    Применение рентгеновых лучей к исследованию кристаллов, открытое Лауэ и Брэггами (отец и сын),дало металловедению ещё один важный метод для решения ряда эадач.

Знания даны для всех !  С^© А.Гальперин