Металлография ВВЕДЕНИЕ
Металлография — это металлургическая дисциплина о структурах различных
металлов и сплавов и закономерностях структурообразования.
Многие считают, что слова «металлография» и «металловедение» являются
синонимами. В ряде книг указывается на принадлежность металлографии
к металловедению в качестве ее составной части. В действительности
металловедение — это дисциплина, изучающая легирование и термообработку
металлических материалов как способов получения необходимых эксплуатационных
и технологических свойств. Она базируется на металлографии, как
и другие металлургические дисциплины: литейное производство, обработка
давлением, физика металлов и специальные сплавы.
Металлография не охватывает всего разнообразия свойств металлов и
если в учебнике приведены некоторые из них, то только в целях более полной
иллюстрации структурных превращений.
Металлография развивалась главным образом на базе производственного
опыта и таких наук, как физическая химия и структурный анализ.
В данном учебнике основное внимание уделено диаграммам фазового
равновесия и закономерностям структурообразования.
Основоположниками металлографии являются инженеры П. П. Аносов
(1799—1851) и Д. К. Чернов (1839—1921).
Великий русский металлург Павел Петрович Аносов на Златоустовской
заводе впервые (в 1831 г.) применил микроскоп для исследования структуры
металлов. Ему принадлежит приоритет в создании легированных сталей.
Он разработал теорию и технологию изготовления клинков из булатной
стали. Из его работ стало ясно, что так называемый булатный узор на поверхности
стали зависит непосредственно от ее структуры во всем объеме.
Исключительно велико значение работ Дмитрия Константиновича Чернова,
всемирно признанного отцом металлографии. В 1868 г. Д. К Чернов
впервые указал на превращения в твердой стали при определенных температурах,
сопровождающиеся тепловыми эффектами. В дальнейшем Д. К. Чернов
высказал предположение, что эти превращения аллотропические.
Впоследствии это было подтверждено рентгеноструктурным анализом. Изображенная
графически зависимость температуры этих превращений и плавления
стали от содержания в ней углерода, которая была найдена Д. К. Черновым
по цветам каления, явилась прототипом диаграммы равновесия Fe —С.
Однако идеи о фазовом равновесии появились позднее, после работ Гиббса
и ученых голландской школы.
Своим открытием аллотропических превращений в стали Д. К Чернов
заложил прочный фундамент теории термической обработки стали. Критические
точки в стали, найденные им, позволили рационально выбирать температуру
ее закалки, отпуска и пластической деформации в производственных
условиях. Он указал также на значение длительности выдерживания
стали при той или иной температуре, заложив тем самым основы изучения
кинетики фазовых превращений и формирования структуры.
В работах по кристаллизации стали и строению слитка (1878) Д. К. Чернов
изложил основные идеи теории затвердевания, не утратившие научного
и практического значения и в настоящее время.
Основные законы фазового равновесия, в частности правило фаз, изложил
в 1873—1876 гг. Гиббс, основываясь на законах термодинамики. Его
работы были представлены в столь малодоступной форме, что только через
10 лет (в 1883 г.) они нашли применение и дальнейшее развитие в трудах
голландских ученых Ван-дер-Ваальса и Розебома. В 1893 г. Ван Рейн ван
Алькемаде показал, что из законов Гиббса о минимуме термодинамического
потенциала можно вывести все типовые диаграммы равновесия, не прибегая
дополнительно ни к каким другим допущениям. Работы Ван Рейн ван
Алькемаде послужили прочной основой для металлографии фазового равновесия
двухкомпонентных систем и уже в 1897 г. английский ученый Робертс-Аустен
на основе собственных опытов и данных Д. К. Чернова впер6
вые построил диаграмму фазового равновесия Fe — С. В последующие годы
эту диаграмму изучали многие ученые, как русские (Н. М. Гутовский,
П. Я. Сальдау, Н. П. Чижевский, Н. М. Витторф), так и зарубежные (Герене,
Осмонд, Розебом и др.).
Работы по построению диаграмм равновесия других систем в значительной
степени были облегчены в результате создания Н. С. Курнаковым
и его последователями физико-химического анализа, основы которой были
заложены великим русским химиком Д. И. Менделеевым в 60—70-е годы
XIX столетия.
В процессе исследований были обнаружены многие ранее неизвестные
фазы в металлических сплавах. В отличие от препаративного химического
анализа в физико-химическом анализе обнаружение новой фазы не связано
с ее выделением из сплава и определением ее состава в изолированном состоянии.
Над построением и созданием диаграмм равновесия много работали
Тамман и его ученики. Последовательное описание фазового равновесия
систем из трех компонентов появилось в публикации Мазинга (1933), ученика
Таммана.
Таким образом, металлография, термодинамика и физическая химия
вместе взятые представляли собой стройное учение о фазовом равновесии
металлических систем, составляющее значительную часть современной металлографии.
Для решения практических задач металлографии необходимо знать не
только фазовое равновесие той или иной конкретной системы. Обязательно
знание структуры сплавов в широком смысле этого слова, атомного строения
фаз, составляющих сплав, а также распределения, размера и формы
кристаллов каждой фазы, т. е. всего, что характеризует структуру.
Определение атомного строения фаз стало возможным после открытия
Лауэ (1912), показавшего, что атомы в кристалле регулярно заполняют
пространство, образуя пространственную решетку, и что рентгеновские лучи
имеют волновую природу. В последнее время для структурного анализа,
кроме рентгеновских лучей, используют электроны и нейтроны. Соответствующие
методы исследования называются электронографией и нейтронографией.
Электронная оптика позволила усовершенствовать микроскопию. В настоящее
время на электронных микроскопах полезное увеличение доведено до 105
раз, в то время как на обычных световых микроскопах оно не превышает
2000.Первой работой, в которой были заложены математические основы общей
теории кристаллизации, явилась работа Фольмера и Вебера (1925 г.)
В ней была дана статистическая теория образования зародыша. Далее эта
теория развивалась Я- И. Френкелем, Тамманом, Странским, Каишевым и др.
Следует сказать, что еще в 1878 г. Д. К- Чернов сформулировал основные
идеи этой теории: образование «зачатков» («зародышей» в современной терминологии)
и их рост.
Общая теория кристаллизации была применена для исследования превращения
в твердых металлах Тамманом (1931, скорость роста зародыша
при аллотропии олова) и другими исследователями. В посмертной работе
Н. И. Беляева (1877—1920), изданной в 1925 г., показано, что скорость
превращения аустенита экстремально зависит от степени переохлаждения.
В 1930 г. Давенпорт и Бейн (США) построили количественную зависимость
превращения переохлажденного аустенита от степени его переохлаждения
и представили полученные ими результаты в виде S-образной кривой. Их
работа вызвала значительный отклик в виде множества исследований, на
основе которых были созданы новые разновидности термической обработки
стали. Среди дальнейших работ следует особо упомянуть работы, выполненные
Б. В. Старком и его учеником И. Л. Миркиным (1935), в которых наиболее
полно описан распад аустенита на основе общей теории кристаллизации
с использованием представлений о зарождении и росте. В 1927 г.
Н. Я. Селяковым, Г. В. Курдюмовым и Н. Т. Гудцовым с помощью рентгеновского
анализа было сделано открытие, показывающее, что мартенсит в стали-
– это раствор внедрения углерода в металле с объемноцентрированной
тетрагональной решеткой. Последующие работы Г. В. Курдюмова и его
многочисленных учеников и последователей привели к появлению общей
теории термообработки стали, закалки и отпуска. Эти работы показали, что
мартенситное превращение в равной степени относится и к сплавам цветных
металлов, что в ряде случаев оно обратимо как термодинамически,
так и морфологически. Работы исследователей школы Г. В. Курдюмова
сыграли огромную роль в совершенствовании термообработки стали и сплавов
цветных металлов и послужили основой создания новых материалов,
таких как мартенситно-стареющие стали и сплавы, обладающие памятью
формы.
Возможности упрочнения и изменения других свойств при старении
сплавов были обнаружены почти одновременно во многих странах в начале
текущего столетия. Впервые в 1920 г. Мерика, Вальтенберг и Скотт (США)
показали, что закалочное старение сплавов протекает только в следующих
случаях: 1) при наличии растворимости в твердом состоянии, повышающейся
с ростом температуры; 2) после закалки на пересыщенный твердый
раствор. В последующие годы старение сплавов в СССР изучали С. Т. Ко-
нобеевский, Ю. А. Багаряцкий, М. И. Захарова, Д. А. Петров, за рубежом —
Мерика, Гинье, Престон, Кестер и другие. Теория распада при старении была
разработана С. Т. Конобеевским и его учеником Ю. А. Багаряцким.
Гипотезу об изменении структуры при отжиге деформированного металла
впервые высказал в 1881 г. немецкий ученый Калишер. По-видимому,
впервые непосредственно наблюдали структуры, образующиеся при рекристаллизации,
Карпентер и Элам в 1920 г. (Англия). Фундаментальный вклад
в теорию рекристаллизации внес советский ученый А. А. Бочвар. Им в законченной
форме была разработана теория эвтектической кристаллизации
(1934).
Советскому ученому С. С. Штейнбергу (главе уральской школы металловедов)
и его ученикам принадлежит существенный вклад в теорию и экспериментальные
основы структурообразования стали. Так, В. Д. Садовский,
развивая идеи Д. К. Чернова, создал (1950) учение об образовании аустенита
при нагревании стали, в котором четко указал на определяющую роль
структурного и размерного соответствия, принцип которого и его значение
для структурообразования были сформулированы С. Т. Конобеевским (1934)
и П. Д. Данковым (1943). Этот принцип стал основополагающим в интерпретации
многочисленных структурных превращений.
Современная металлография при исследовании микроструктур во многих
случаях опирается на дислокационную структуру. Для решения вопроса
о несоответствии между реальной и расчетной прочностями монокристаллов
в 1934 г. Н. А. Бриллиантов и И. В. Обреимов выдвинули идею эстафетного
перемещения атомов в плоскостях сдвига. Независимо от этих советских
ученых в том же году аналогичная гипотеза была сформулирована
за рубежом Тейлором, Орованом, Поляни. Эти идеи со временем превратились
в экспериментально обоснованную теорию. Существенный вклад
в теорию дислокаций внесли советские ученые Я. И. Френкель и Т. А. Конторова (1938 г.).
Теория дислокаций излагается в отдельном курсе «Кристаллография
и дефекты кристаллического строения металлов». При изучении
металлографии ею необходимо пользоваться.
В настоящее время в Советском Союзе работают многие ученые — металлурги,
металловеды и металлофизики, работы которых преемственно связаны
с научным наследием Н. С. Курнакова, А. А. Байкова, А. А. Ржешотарского,
А. М. Бочвара, А. А. Бочвара, А .Л. Бабошина, М. Г. Окнова,
К. П. Бунина, С. Т. Конобеевского, С. М. Воронова и других ученых, продолживших
дело, начатое П. П. Аносовым и Д. К. Черновым. Приоритетная
роль в создании школ металловедения в вузах принадлежит А. Л. Бабошину (Ленинград),
А. М. Бочвару (Москва), С. С. Штейнбергу (Свердловск).