МЕТАЛЛОВЕ́ДЕНИЕ

МЕТАЛЛОВЕ́ДЕНИЕ, нау­ка о строе­нии и свой­ст­вах ма­те­риа­лов на ос­но­ве ме­тал­лов (ме­тал­ли­че­ских спла­вов); раз­дел ма­те­риа­ло­ве­де­ния. Осн. за­да­чи М. – соз­да­ние ме­тал­лич. ма­те­риа­лов с за­дан­ны­ми свой­ст­ва­ми и тех­но­ло­гий их по­лу­че­ния. Тре­бо­ва­ния М. к струк­ту­ре и чис­то­те спла­вов оп­ре­де­ля­ют пу­ти раз­ви­тия совр. ме­тал­лур­гии.

В сер. 19 в. для изу­че­ния струк­ту­ры ме­тал­лов и спла­вов ме­тал­лур­ги на­ча­ли при­ме­нять мик­ро­скоп, что по­спо­соб­ст­во­ва­ло воз­ник­но­ве­нию ме­тал­ло­гра­фии (впо­след­ст­вии – раз­де­ла М.). В 1868 Д. К. Чер­нов ус­та­но­вил за­ви­си­мо­сти струк­ту­ры и свойств ста­ли от её ме­ха­нич. и тер­мич. об­ра­бот­ки, что впо­след­ст­вии оп­ре­де­ли­ло ста­нов­ле­ние М. как нау­ки, ос­но­ван­ной на за­ко­нах тер­мо­ди­на­ми­ки, фи­зич. хи­мии, фи­зи­ки и хи­мии твёр­до­го те­ла. В 1-й тре­ти 20 в. от­кры­ты фа­зо­вые и струк­тур­ные пре­вра­ще­ния в твёр­дом со­стоя­нии [Н. С. Кур­на­ков, У. Ро­бертс-Ос­тен (Ве­ли­ко­бри­та­ния), Э. Бейн (США)], изу­че­ны про­цес­сы кри­стал­ли­за­ции [Г. Там­ман (Гер­ма­ния)], сис­те­ма­ти­зи­ро­ва­ны свя­зи «со­став – свой­ст­ва» спла­вов [Н. А. Мин­ке­вич, Э. Гуд­ре­мон (Гер­ма­ния), А. А. Боч­вар, Г. Закс (Гер­ма­ния), У. Юм-Ро­зе­ри (Ве­ли­ко­бри­тания)], об­на­ру­же­но су­ще­ст­во­ва­ние кри­стал­лич. ре­шёт­ки (М. Ла­уэ) и её де­фек­тов (Я. И. Френ­кель), вы­яв­ле­ны атом­ные ме­ха­низ­мы фа­зо­вых пре­вра­ще­ний [Г. В. Кур­дю­мов, А. Ги­нье (Фран­ция)] и яв­ле­ний пла­стич. де­фор­ма­ции [Э. Оро­ван (Ве­ли­ко­бри­та­ния)], ус­та­нов­ле­ны за­ко­но­мер­но­сти уп­роч­не­ния ме­тал­лич. ма­те­риа­лов [А. Ф. Иоф­фе, Н. Н. Да­ви­ден­ков, С. Т. Ко­но­бе­ев­ский, Э. Шмид (Австрия), В. Бо­ас (Швей­ца­рия)] и др.

М. ис­сле­ду­ет струк­ту­ру ме­тал­лов и их спла­вов, со­стоя­щую из зё­рен (кри­стал­лов не­пра­виль­ной фор­мы). Внут­ри зё­рен мо­гут быть час­ти­цы иных фаз (напр., струк­ту­ра бе­ло­го чу­гу­на мо­жет быть пред­став­ле­на зёр­на­ми ау­сте­ни­та с вкра­п­ле­ния­ми фа­зы це­мен­ти­та). Мик­ро­струк­ту­ру (в мас­шта­бах 100–0,1 мкм) и на­ност­рук­ту­ру (100–0,1 нм) об­ра­зу­ют зёр­на и час­ти­цы раз­ных раз­ме­ра, фор­мы и ори­ен­та­ции; их не­од­но­род­ность в мас­шта­бах 1000–0,1 мм – мак­ро­струк­ту­ра. Ка­ж­дый тип зё­рен или час­тиц со­став­ля­ет тер­мо­ди­на­мич. фа­зу, имею­щую свой хи­мич. со­став, свою кри­стал­лич. ре­шёт­ку. В спла­вах су­ще­ст­ву­ют фа­зы со струк­ту­рой ме­тал­ла, ин­тер­ме­тал­ли­да или со­еди­не­ния ме­талл–не­ме­талл (бо­ри­ды, кар­би­ды, ок­си­ды, нит­ри­ды, гид­ри­ды, суль­фи­ды). Ме­талл мо­жет вклю­чать не­ко­то­рое ко­ли­че­ст­во иных эле­мен­тов в свою кри­стал­лич. ре­шёт­ку, об­ра­зуя твёр­дый рас­твор за­ме­ще­ния (в ко­то­ром при­мес­ный атом за­ме­ща­ет атом рас­тво­ри­те­ля) или вне­дре­ния (при­месь за­ни­ма­ет меж­до­узлия ре­шёт­ки). Диа­грам­мы со­стоя­ния опи­сы­ва­ют тем­пе­ра­тур­ную за­ви­си­мость фа­зо­вых пре­вра­ще­ний от со­ста­ва спла­ва. Ки­не­ти­ку пре­вра­ще­ний изу­ча­ют по за­ви­си­мо­стям «тем­пе­ра­ту­ра – вре­мя – ко­ли­че­ст­во но­вой фа­зы».

Струк­тур­ные пре­вра­ще­ния при не­из­мен­ном фа­зо­вом со­ста­ве ме­ня­ют строе­ние, раз­ме­ры, фор­му зё­рен (рек­ри­сталли­за­ция) и час­тиц (коа­лес­цен­ция). Пла­стич. де­фор­ма­ция (сколь­же­ни­ем, двой­ни­ко­ва­ни­ем и пе­ре­ме­ще­ния­ми в гра­ни­цах зёрен) осу­ще­ст­в­ля­ет­ся дви­же­ни­ем дис­ло­ка­ций с уп­роч­не­ни­ем за счёт их раз­мно­же­ния, а рек­ри­стал­ли­за­ция – за счёт их унич­то­же­ния. Для на­блю­де­ния и изу­че­ния струк­тур с раз­ме­ром эле­мен­тов бо­лее 1 мкм при­ме­ня­ют све­то­вые мик­ро­ско­пы; для струк­тур раз­ме­ром от 1 нм – атом­но-си­ло­вые, тун­нель­ные, элек­трон­ные мик­ро­ско­пы, а так­же ион­ные про­ек­то­ры. Фрак­то­гра­фия (мак­ро- и мик­ро­ско­пия по­верх­но­сти из­ло­ма) ис­поль­зу­ет­ся для ана­ли­за про­цес­сов раз­ру­ше­ния и ди­аг­но­сти­ки экс­плуа­тац. по­вре­ж­де­ний и раз­ру­ше­ний, тех­но­ло­гич. де­фек­тов ме­тал­ла. Па­ра­мет­ры рё­шет­ки и объ­ём­ную до­лю фаз из­ме­ря­ют с по­мо­щью ме­то­дов рент­ге­но­гра­фии, ха­рак­тер свя­зи в со­еди­не­ни­ях – мёс­сбау­эров­ской спек­тро­ско­пии и спек­тро­ско­пии рас­сея­ния ней­тро­нов. Хи­мич. со­став эле­мен­тов струк­ту­ры вы­яв­ля­ют ло­каль­ным спек­траль­ным ана­ли­зом.

М. изу­ча­ет свой­ст­ва ме­тал­лов и их спла­вов: ме­ха­ни­че­ские (твёр­дость, уп­ру­гость, со­про­тив­ле­ние пла­стич. де­фор­ма­ции и рас­про­стра­не­нию тре­щин, хлад­но­лом­кость, жа­ро­проч­ность и др.), фи­зи­че­ские (элек­три­че­ские, маг­нит­ные, те­п­ло­вые), хи­ми­че­ские (спо­соб­ность к окис­ле­нию, при­во­дя­щая к фор­ми­ро­ва­нию по­верх­но­ст­ных плё­нок, воз­ник­но­ве­нию кор­ро­зи­он­ных мик­ро­де­фек­тов и др.), а так­же тех­но­ло­гич. и экс­плуа­та­ци­он­ные. Для из­ме­не­ния струк­ту­ры и свойств спла­вов в нуж­ном на­прав­ле­нии при­ме­ня­ют тер­ми­че­скую об­ра­бот­ку. Пре­вра­ще­ния в цик­лах «на­грев – вы­держ­ка – ох­ла­ж­де­ние» при за­кал­ке, от­пус­ке, от­жи­ге и др. соз­да­ют в спла­ве не­об­хо­ди­мую ко­неч­ную струк­ту­ру. Для ка­ж­до­го кон­крет­но­го из­де­лия раз­ме­ра­ми от 10 мкм (фоль­га, про­во­ло­ка) и до 10–40 м (кор­пу­са ре­ак­то­ров, ро­то­ры ге­не­ра­то­ров, греб­ные ва­лы су­пер­тан­ке­ров) ре­жи­мы тер­мич. об­ра­бот­ки про­ек­ти­ру­ют на ос­но­ве за­ко­нов те­п­ло­пе­ре­да­чи и диа­грамм пре­вра­ще­ний спла­ва. Тер­мо­ме­ха­ни­че­ская об­ра­бот­ка (со­че­та­ние на­гре­вов и де­фор­ма­ций) из­ме­ня­ет струк­ту­ру и свой­ст­ва ма­те­риа­ла. Хи­ми­ко-тер­ми­че­ская об­ра­бот­ка из­де­лий на­гре­вом в га­зо­вой или жид­кой сре­де соз­да­ёт в ма­териа­ле по­верх­но­ст­ный слой глу­би­ной 0,01–10 мм ино­го со­ста­ва с осо­бы­ми свой­ст­ва­ми (твёр­дый или осо­бо мяг­кий, ан­ти­фрик­ци­он­ный, из­но­со­стой­кий, кор­ро­зи­он­но-стой­кий и т. п.). Тех­но­ло­гич. свой­ст­ва спла­вов ха­рак­те­ри­зу­ют­ся со­во­куп­но­стью ли­тей­ных свойств (для из­го­тов­ле­ния от­ли­вок), спо­соб­но­стью к об­ра­ба­ты­вае­мо­сти дав­ле­ни­ем (ков­кой, экс­тру­зи­ей, го­ря­чей и хо­лод­ной про­кат­кой, штам­пов­кой, во­ло­че­ни­ем), сва­ри­вае­мо­сти, об­ра­ба­ты­вае­мо­сти ре­за­ни­ем. На раз­ных ста­ди­ях из­го­тов­ле­ния ме­тал­лич. ма­те­риа­ла (для обес­пе­че­ния за­дан­но­го со­ста­ва и не ме­нее 10 нор­ми­руе­мых по­ка­за­те­лей свойств и струк­ту­ры) не­об­хо­ди­мо под­дер­жи­вать ок. 100 па­ра­мет­ров тех­но­ло­гии. По всей тех­но­ло­гич. це­поч­ке обос­но­вы­ва­ют­ся нор­мы кон­тро­ля, вы­яв­ля­ют­ся при­чи­ны сбо­ев и по­терь. Ис­хо­дя из за­дан­ных дол­го­веч­но­сти, на­дёж­но­сти и без­от­каз­но­сти ме­тал­лич. из­де­лия нор­ми­ру­ет­ся по­те­ря не­су­щей спо­соб­но­сти, до­пус­ти­мая за вре­мя «жиз­ни» кон­ст­рук­ции. М. изу­ча­ет из­ме­не­ния экс­плуа­тац. свойств, про­во­дит ди­аг­но­сти­ку со­стоя­ния ма­те­риа­ла (и при­чин его раз­ру­ше­ния) при ис­пы­та­ни­ях и экс­плуа­та­ции кон­ст­рук­ции. Для мо­ни­то­рин­га кон­ст­рук­ций и со­ору­же­ний ис­поль­зу­ют­ся де­фек­то­ско­пия, тен­зо­мет­рия, ви­део­за­пись по­лей на­пря­же­ний, пе­ре­ме­ще­ний и тем­пе­ра­тур, виб­ро­ча­стот­ный ана­лиз, те­че­иска­ние, ста­тич. и гид­рав­лич. ис­пы­та­ния. Про­гно­зи­руя раз­ви­тие док­ри­тич. по­вре­ж­де­ний, М. обос­но­вы­ва­ет при­ня­тие ре­ше­ний об ос­та­точ­ном ре­сур­се, про­дле­нии экс­плуа­та­ции или объ­ё­мах ре­мон­та.

По­ми­мо ме­тал­лич. спла­вов, к объ­ек­там М. так­же от­но­сят­ся ком­по­зи­ци­он­ные ма­те­риа­лы на ос­но­ве ме­талл–ме­талл (напр., ар­ми­ро­ван­ные про­во­ло­кой от­лив­ки, би­ме­тал­лич. лис­ты), ме­талл–кар­бид (твёр­дые спла­вы ти­па $\ce{WC–Co}$) и ме­талл–ок­сид ($\ce{Mo–SiO_2}$; $\ce{Cu–Al_2O_3}$). Впо­след­ст­вии ме­то­ды М. рас­про­стра­ни­лись на соз­да­ние ком­по­зи­тов с не­ме­тал­ла­ми (маг­ний–уг­ле­род­ное во­лок­но, воль­фрам–ни­те­вид­ные кри­стал­лы сап­фи­ра, ме­тал­лич. фоль­га–стек­ло­во­лок­но), а так­же ме­тал­лич. ма­те­риа­лов, фор­ма или свой­ст­ва ко­то­рых из­ме­ня­ют­ся под дей­ст­ви­ем за­да­вае­мо­го си­ло­во­го, те­п­ло­во­го, све­то­во­го или маг­нит­но­го по­лей (см. Ин­тел­лек­ту­аль­ные ма­те­риа­лы, Функ­цио­наль­но-гра­ди­ент­ные ма­те­риа­лы).