Становление металловедения как науки

Становление металловедения как науки


( Голосов: 1 ) 

Металловедение – наука, изучающая связь между составом, строением и свойствами металлических материалов, закономерности их изменений при механических, тепловых, химических и др. видах воздействия.

  • Дополнительная информация


    • Авторы:

Это научная основа получения металлических материалов с разнообразными механическими, физическими и химическими свойствами.

В настоящее время металловедение является очень важным и приоритетным направлением науки и техники, так как разработка новых металлических материалов напрямую связана с исследованием структуры и фазовых превращений в металлических материалах при различных условиях, в том числе при получении материала (детали), его испытаниях и в конечном итоге при эксплуатации.

Плавление металлов начали использовать с 3-го тыс. до н.э. в Древневосточных цивилизациях. После освоения выплавки меди люди научились получать и другие металлы, такие как свинец и цинк. Сведения о выплавке железа и стали относятся к концу 2-го тыс. до н.э. Древнее железо было губчатым и изготовление изделий из него осуществлялось путем ковки горячего металла. С распространением примитивных воздуходувных печей появилась возможность достижения более высоких температур и, следовательно, получения чугуна, который при обработке в окислительной среде превращался в ковочное железо. Первую сталь получили путем науглероживания железа. Этот процесс оставался основным до XVIII в., когда сталь начали выплавлять в тиглях, а затем обрабатывать[2].

Исторические источники, по которым можно было бы судить о древних познаниях в области металловедения, фрагментарны и конъектуральны. Некоторая информация о металлах содержится в рукописях римского ученого Плиния Старшего (23 – 79 гг. н.э.). Наиболее относительно полное описание достижений в области металлургии отражено в написанном в 1556 г. немецким ученым-металлургом Георгом Агриколой трактате «De Metallica»[3].

В начале XVII в. английский философ и историк Фрэнсис Бэкон написал о возможности получения сплавов. При этом он перечислил большое количество различных сплавов, среди которых встречаются и весьма необычные. Бэкон привел имеющиеся в то время сведения о степени сплавления, о цвете сплавов, их «гибкости» и стабильности (изменчивости). Таким образом, с древних времен мало что изменилось в знаниях о способах получения и обработки металлов. В ретроспективный период были развиты сложные процессы изготовления стальных мечей, среди которых наибольшую известность имела дамасская сталь. Были разработаны причудливые способы закалки, осуществление которых основывалось на «таинственном» действии необычных закалочных сред[4].

Развитию науки о твердых металлах предшествовало развитие кристаллографии и минералогии. Минералы, являясь природными образованиями, были широко доступны людям во все времена. Их разнообразное использование и узнавание их свойств в повседневной практике способствовало появлению науки о минералах. В исследовании минералов и металлов имеется много общего, и поэтому знания, полученные в минералогии, часто оказывали существенную помощь металловедению.

Минерологи одними из первых признали существование поликристаллических агрегатов. В 1737 г. в России было опубликовано сочинение российского инженера-металлурга Г.В. де Геннина, касающееся минералов, «Натуралии и минералии камер в сибирских горных и заводских дистриктах и прочих курьезных вещей абрисы». Великим российским ученым М.В.Ломоносовым был составлен каталог «Musei Imperialis Petropolitani descriptio, qua continentur res naturales ex regno minerali». В 1757 г. Ломоносов в сочинении «Слово о рождении минералов» и в статье «О слоях земли» касается чисто минералогических вопросов. М.В.Ломоносов разделяет минералы на: металлы, полуметаллы, жирные минералы, загустелые соки минеральные или соли, камни и земли. В то время, как в Западной Европе шли еще большие споры и царили самые фантастические представления о происхождении каменного угля и янтаря, Ломоносов с замечательной ясностью доказывает растительное происхождение этих ископаемых тел. От Ломоносова не ускользнула кристалличность золота, меди и многих минералов[5].

Английский инженер П. Григнон, занимавшийся выплавкой чугуна и стали, в 1775 г. наблюдал, что при застывании металла иногда образуется столбчатая структура. Он предположил, что металлы являются агрегатами, состоящими из мелких кристалликов. Ему принадлежит знаменитый рисунок дендрита, полученного при медленном застывании железа при литье, который до сих пор воспроизводится в репродукциях. Григнон, также как и С.Ринманн в Швеции («История о железе», 1774), занимался микроскопическими исследованиями протравленных поверхностей металлов; в этот период времени многие ученые наблюдали «зерна» в твердых телах[6].

Среди наук, имеющих отношение к развитию металловедения, следует упомянуть механику. Основы ее были развиты еще до XIX в. Итальянский физик, механик и астроном Галилео Галилей в начале XVII в. определял предел прочности металла на разрыв путем измерения длины медного стержня, который должен бы был разрушаться под действием собственной массы. Английский естествоиспытатель и изобретатель микроскопа Р.Гук во второй половине XVII в. занимался металлографией. Гук в 1660 г. сформулировал свой знаменитый закон, выражающий связь между напряжённым состоянием и деформацией упругого тела вслед за которым в начале следующего столетия были выведены основные соотношения теории упругости, рассматриваемые как составная часть физического металловедения. В 1665 г. он исследовал при малых увеличениях кончик иглы и лезвие бритвы. Английский физик, астроном и математик И.Ньютон в 1672 г. изучал поверхность металлических изломов. Французский естествоиспытатель Р.А.Реомюр в первой половине XVIII в. большое внимание уделял металлам. Он сыграл важную роль в развитии металлургической промышленности во Франции. В круг его интересов входило исследование строения зерен в металлах, у него были также собственные идеи относительно процесса затвердевания[7].

Попытки выяснить природу стали были продолжены после Реомюра. Шведский физик, химик и минеролог Т.У. Бергман в 1781 г. довольно точно объяснил природу стали, кованого и литого железа, связав их свойства с влиянием углерода. Широко распространенная в то время теория флогистона утверждала, что сталь при закалке и, следовательно, при упрочнении приобретает флогистон. Французский химик К.Л.Бертолле в 1798 г. получил достаточно прямое доказательство решающей роли углерода, которое было вскоре подтверждено другими исследователями[8]. Таким образом, была подготовлена почва для дальнейшего развития металловедения в XIX в.

XIX в. ознаменовался бурным развитием естественных наук – химии, физики и механики. Металловедение, ранее занимающееся исключительно проблемами твердого тела, существенно расширило сферу своих интересов. Вклад металловедения в развитие многих фундаментальных дисциплин стал весьма весомым. Большинство достижений в области металловедения вытекало из практических наблюдений на металлургических предприятиях и было обусловлено быстрым развитием новых методов получения стали, в частности методов Бессемера-Келли и Сименса-Мартена. Несмотря на то, что еще английский металлург Б.Хантсман в 1740 г. занимался выплавкой стали в тигле, широкое производство дешевой стали двумя упомянутыми методами начало развиваться только во второй половине XIX в.

Исследования в области минералогии и кристаллографии оказывали значительное влияние на развитие металловедения. В 1830 г. немецкий учёный, профессор минералогии И.Ф. Гессель продемонстрировал 32 класса кристаллов. В 1849 г. французский математик, физик, метеоролог и кристаллограф О. Бравэ сделал вывод в возможности существования 14-ти трансляционных решеток. В кристаллографии с 1839 г. начали применять индексы английского ученого В.Миллера, которые использовались также в областях, тесно связанных с физическим металловедением, например в работе Ройша, опубликованной в 1867 г., посвященной исследованию линий скольжения и двойникования в минералах[9].

В конце XIX в. российский кристаллограф, минералог и математик Е.С.Федоров (1891), немецкий математик А.М.Шенфлиц (1891) и английский физик и математик П.Барлоу (1894) независимо друг от друга развили теорию совершенной кристаллической решетки, которая привела к установлению 230 пространственных «федоровских групп» – максимально возможного числа способов расположения атомов в трехмерном пространстве. Полное экспериментальное подтверждение этого было получено только в XX в., когда был открыт и развит метод дифракции рентгеновских лучей. Теоретическое обоснование существования пространственных групп послужило значительным толчком в развитии кристаллографии[10].

Исследования металлов под микроскопом впервые были начаты выдающимся русским горным инженером, учёным-металлургом, крупным организатором горнозаводской промышленности П.П.Аносовым, который в 1841 г. изучал под микроскопом образец дамасской стали, покрытый водой и опубликовал фундаментальный труд «О булатах». Результатом его работы стало создание травителей. Дж. Р. фон Фукс в 1851 г., анализируя поверхности сколов железа, пришел к выводу, что оно имеет кубическую или ромбоэдрическую симметрию. Работы английского естествоиспытателя Г.К.Сорби в середине XIX в. осуществили революцию в физическом металловедении того времени. Будучи петрографом, он применил методы петрографии к исследованию стали: делал тонкие срезы (что не является необходимым), полировал их, травил и делал зарисовки. Первые его фотографии при девятикратном увеличении были сделаны в 1864 г., однако его работа не была опубликована вплоть до 1887 г. В дальнейших исследованиях он использовал большее увеличение; он наблюдал и впервые описал «составляющие перлы», перлит (позднее так названный Хоу). Сорби установил, что перлит является структурой, образованной при распаде гомогенной высокотемпературной фазы, причем его образование подавляется при закалке. Таким образом, он совершенно отчетливо выявил наличие аллотропии в сталях, сравнивая ее с установленной ранее аллотропией иодида серебра. Он наблюдал ферритную структуру в доэвтектоидных сталях, которая была сходной со структурой, выявленной А. фон Видманштеттом (директором австрийского кабинета промышленных изделий) в Аграмском метеорите в 1808 г. Основная цель работ, последовавших вскоре за исследованиями Сорби, сводилась к выяснению возможности обнаружения в сталях после травления при соответствующем увеличении структур, сходных с метеоритными фигурами Видманштетта. До опубликования работ российского металлурга Д.К.Чернова и немецкого ученого Э.Мартенса в печати о полученных результатах ничего не сообщалось[11].

В 1878 г. в Германии профессор Мартенс начал металлографические исследования, включающие наблюдение поверхности излома, разработку методов полировки и травления и изучение микроструктуры сплавов. Эти исследования привели к появлению работы немецкого ученого-металлурга Г. Веддинга (1885), которая помогла на время возобновить интерес к работам Сорби, но затем он опять полностью пропал[12].

В XIX в. существенно возрос интерес к природе стали. Немецкий физик Г.Карстен в 1827 г. выделил из мягкой стали карбид, который, как доказал в 1888 г. немецкий химик Ф.Абель, является соединением Fe3C. Значительное оживление в изучении стали началось с момента выявления Д.К.Черновым наличия подлинной аллотропии железа и связанных с ней критических точек. В 1861 г. Чернов опубликовал свою классическую экспериментальную работу, в которой показал, что сталь нельзя закалить до тех пор, пока она не будет нагрета выше определенной «критической» температуры. Дальнейшие успехи теории термообработок определялись, в первую очередь, результатами металлографических исследований и введением правила фаз.

В конце XIX в. начали изучать природу пластической деформации металлов и ее связь с кристаллографией. Особенно важное значение имело открытие Эвинга и Розенхайна в 1899 г. того, что металлы – в данном случае олово – деформируются путем взаимного скольжения различных частей кристалла по кристаллическим плоскостям (плоскостям скольжения), которые, как было обнаружено, пересекаются между собой. Это наблюдение явилось первым важным шагом на пути выяснения природы процесса деформации в металлах[13].

Исследованию механических свойств металлов стали уделять значительно большее внимание потому, что бурно развивающаяся промышленность нуждалась в новых материалах. Еще в 1807 г. английский физик Томас Юнг ввел понятие модуля упругости, и тем самым заложил основу теории упругости, которая начала широко развиваться в последующие годы. Большой вклад в развитие теоретических основ теории упругости внес французский математик О.Коши (1822). Он показал, что напряженное состояние можно описать шестью компонентами тензора напряжений, и определил главные плоскости приложения напряжений. Для случая анизотропных кристаллов он нашел 21 независимую постоянную, 15 из которых являются константами упругости[14].

В 1826 г. Барлоу опубликовал результаты работ по определению предела прочности различных материалов. В 1822 г. Томас Тредгольд, основываясь на работе Юнга, опубликовал трактат по испытанию материалов. В то время началось широкое строительство железных мостов, и это привело в первую очередь к необходимости изучения поведения балок под напряжением и к необходимости контроля напряжений в каркасных конструкциях. Основные требования к методам испытания материалов были сформулированы и обоснованы к 1870 г. Механические испытания привели к открытию нового явления – деформационного старения, которое впервые было обнаружено Кентом. Он заметил, что холодная обработка понижает предел упругости, сдвигает предел текучести и связанное с ним удлинение, а последующее старение восстанавливает их. Мартенс в 1890 г. обнаружил явление синеломкости в стали.

Теория пластичности, однако, еще долгое время оставалась загадкой. Для ее создания пытались применять различные феноменологические теории, основанные на принципах вязкого течения. Вопрос о природе пластичности до сих пор является неразрешенным и даже спорным. В 1835 г. немецким физиком В.Э.Вебером на поликристаллических металлах был обнаружен эффект восстановления упругой деформации. В 1881 г. немецкий инженер-механик, специалист по испытанию строительных материалов И. Баушингер обнаружил, что при изменении знака напряжений образец деформируется значительно легче, чем в случае повторного нагружения образца в том же направлении. Это различие известно как эффект Баушингера[15].

Исследования, которые проводились главным образом инженерами-испытателями, носили в большинстве своем чисто описательный характер и опирались на весьма примитивные теории. Об упругих и пластических свойствах отдельного зерна в поликристалле было известно очень мало, практически ничего. Рассматривая различные события XIX в., можно отметить, что многие открытия в завуалированном виде представляли собой отправные точки, из которых в следующем веке было возведено физическое металловедение.

В течение XIX в. было выполнено много работ по определению начальных температур затвердевания бинарных сплавов. В 1890 г. голландский химик Я.Х.Ванг-Гофф отметил аналогию между твердыми и жидкими растворами. Физикохимии, особенно немецкий физик и физикохимик, один из основателей современной физической химии В.Г.Нернст, начали формулировать основы электрохимии, которая наряду с развитием термохимии и термодинамики обеспечила в последующий период возможность правильного определения химического сродства через понятие о понижении свободной энергии, заменив существующие ранее весьма неопределенные, чисто качественные идеи и неадекватную концепцию теплоты реакции.

В 1896 г. в Англии Робертс-Остен определил скорость диффузии золота в твердом свинце (и, что интересно, представил данные, хорошо совпадающие с результатами значительно более поздних исследований), его результаты явились сюрпризом для физиков, занимающихся исследованием твердых тел, так как коэффициенты диффузии оказались существенно большими, чем предполагалось ранее. Наиболее важным оказалось то, что Робертс-Остен установил связь между температурным коэффициентом скорости диффузии и энергией активации, введенной шведским физикохимиком и астрофизиком С.А.Аррениусом в 1889 г. и имеющей большое значение при исследовании твердого тела[16].

Работа Робертса-Остена (1891 – 1899) «Сообщения комитета по исследованию сплавов» значительно способствовали развитию физического металловедения, и особенно это касалось практических задач. Его очень интересовало влияние незначительных примесных добавок на свойства металла. Он считал, что эта проблема должна быть изучена с учетом Периодической системы элементов[17].

В XIX в. начали быстро появляться новые и модифицированные сплавы. Английские ученые М.Фарадей и Дж.Стодарт в 1820 г. изготовили несколько сплавов путем отжига скрученных проволочек из различных металлов, а именно из железа и платины. Французский ученый Г.Бертье в 1820 г. получил сплавы железа и хрома и мог бы стать действительно знаменитым. Вольфрамовая сталь впервые была получена Якобом в 1857 г. в Австрии. Муше разрабатывал вольфрамовые стали и исследовал стали, закаленные на воздухе. Однако наибольшим достижением явилась разработка в 1871 г. английским металлургом Р.Гадфильдом марганцевых и кремниевых сталей, что открыло эпоху легированных сталей[18].

К началу XX в. физическое металловедение сформировалось и окрепло. Начался наиболее интересный период развития физического металловедения. В начале этого периода возросло значение университетских металлургических факультетов; через некоторое время промышленность проявила свою заинтересованность в проведении более серьезных исследований, и наконец, занятие физическим металловедением стало одной из важнейших профессий.

В начале XX в. на передовые позиции вышла «Школа Таммана» в Геттингенском университете. Немецкий физикохимик Г.Тамман вдохнул истинно научный подход в физическое металловедение, добавил фундаментальную информацию во многие ее разделы. Он предпринял широкое изучение строения металлических систем главным образом с целью выяснения основных правил строения сплавов и природы фаз в них. В результате было получено огромное количество фазовых диаграмм[19].

В начале было много сомнений относительно того, все ли металлы обладают кристаллической структурой. Вопрос этот оставался открытым вплоть до открытия немецкого физика М. фон Лауэ в 1912 г. дифракции рентгеновских лучей и последующего за этим открытия английского физика У.Г.Брэгга в 1914 г. Метод начал незамедлительно использоваться и произвел революцию в физике твердого тела. Вскоре были определены элементарные ячейки всех известных и многих промежуточных фаз в сплавах.

Немецкий ученый Р.Креман в 1931 г. установил, что жидкие растворы металлов могут подвергаться электролизу. Кубашевский применил электролиз к исследованию твердых растворов и обнаружил, что в аустените углерод движется к катоду, т.е. твердые растворы эффективно ионизируются[20].

В это время развитие промышленности происходило по многим направлениям. В результате алюминий стал доступным металлом. Появились новые сплавы, например: аустенитная нержавеющая сталь (немецкий ученый Б.Штраус, 1910) и ферритная нержавеющая сталь (английский ученый Г.Бреарли, 1912). Были изобретены и разработаны новые процессы и оборудование для прокатки стали такие, как например, непрерывный прокатный стан.

Испытание металлов в начале XX в. стало носить все более научно обоснованный характер. В 1900 г. шведский инженер, металлург, автор работ по металлургии стали и определению твёрдости металлов и сплавов Ю.А.Бринель изобрел склерометр, носящий теперь его имя. Изод (1903) и М.Шарпи (1904) создали испытательный копер. Было обнаружено резкое уменьшение энергии ударного излома в сталях при температуре, близкой к комнатной. Появилось много данных по усталости металлов – было изобретено оборудование для новых и более быстрых испытаний на усталость. В справочниках появилось много сведений по различным методам испытаний.

В этот период вновь обратили внимание на давние наблюдения того факта, что холодная обработка упрочняет металлы. Особое внимание на это обратил Беилби в 1911 г. при развитии «теории аморфного металла». Он считал, что холодная обработка (любого вида, включая полировку) переводит металлы в аморфное и более стабильное состояние. В 1913 г. австрийский металлург В.Розенхайн расширил теорию Беилби, постулируя наличие слоя аморфного металла на границах зерен[21].

Выяснение природы процессов, происходящих при нагреве металлов, предварительно подвергнутых холодной обработке, привело к появлению большого числа новых данных и созданию нескольких теорий. Грард в 1909 г. показал, что уменьшение твердости, наблюдаемое при отжиге меди, предварительно подвергнутой холодной обработке, возникает при тем меньшей температуре, чем больше степень холодной обработки (идея фиксированной «температуры рекристаллизации» начала постепенно сдавать свои позиции).

Карпентер и Елам в 1921 г. опубликовали одну из важнейших в этой области работ, в которой сообщали об исследованиях влияния изотермического отжига на структуру алюминия, предварительно подвергнутого холодной обработке; они наблюдали миграцию границ при росте зерен. Шмид установил, что при повторном нагружении пластически деформированных кристаллов, подвергнутых отжигу без рекристаллизации, обычные кривые напряжение-деформация могут совпасть, что является наглядной демонстрацией восстановления свойств при отжиге[22]. Окисление металлов и сплавов и коррозия долгое время интересовали физиков-металловедов. Тамман в 1922 г. изобрел методы для измерения скорости увеличения толщины оксидных пленок, а также установил несколько аналитических соотношений, среди которых особого внимания заслуживает параболический закон увеличения толщины окалины[23].

Старение было открыто немецким инженером А.Вильмом чисто случайно в 1906 г. Он закаливал сплав Аl–Сu–Mg–Мn, надеясь, что, как в стали, это приведет к упрочнению сплава, но опыт не удался. После длительного уикенда Вильм продолжил измерения, и они действительно показали значительное упрочнение сплава. Это любопытное явление старения оставалось необъясненным до тех пор, пока в 1919 г. американские исследователи Мерика, Вальтенберг и Скотт не обнаружили уменьшение растворимости Сu в А1 с температурой и предположили, что старение являлось замедленным процессом образования зародышей новой фазы, которую с помощью микроскопа в то время не могли обнаружить[24]. Началось интенсивное изучение известного уже длительное время деформационного старения в низкоуглеродистых сталях; это явление имеет очень важное значение в промышленности, особенно при производстве листовой стали. Были разработаны и изготовлены стали с пониженной склонностью к деформационному старению.

Спокойное развитие научных исследований было нарушено второй Мировой войной. Большинство исследований этого периода велось для военных нужд. Важным событием является начало использования в 1940-х гг. энергии атома. Большие потребности в различных металлах и сплавах способствовали интенсивному развитию физического металловедения.

Все возрастающий объем знаний в области оптики элементарных частиц привел к созданию некоторых новых и необычных исследовательских приборов. Полевой ионный микроскоп (ионный проектор), созданный немецким физиком и изобретателем Э.Мюллером в 1936 г., давал возможность «видеть» атомы на поверхности металла, наблюдать атомы на границах зерен, «видеть» вакансии и дислокации. Долгое время одной из нереализованных возможностей микроскопии являлось определение химического состава микроскопических областей. Эта мечта оказалась воплощена в жизнь французским ученым Р. Кастеном в 1956 г. при изобретении микроанализатора – прибора, дающего сведения о составе области площадью 1 мкм2. Кроме того, с точки зрения физического металловедения, электронный микроскоп помог разрешить наиболее сложные изо всех существующих разногласий.

Металлургам давно уже было известно о диспропорционально большом влиянии малых количеств примесей на свойства металлов. Американский ученый Б.Пфанн в 1952 г. изобрел процессы «зонной очистки» и «зонного выравнивания». С помощью этих методов были достигнуты очень высокие степени очистки. В настоящее время этот метод применяется ко многим металлам и является весьма удобным для исследований[25].

Свободная поверхностная энергия металлов была измерена хорошо известным в настоящее время методом Удина (1949). Это само по себе очень важно, но поскольку различные внутренние дефекты, такие как границы зерен, образуют на поверхности металла бороздку, абсолютная энергия границы зерна (или двойниковой границы, или дефекта упаковки) может быть тогда определена, когда известна упомянутая поверхностная энергия[26].

В течение рассматриваемого нами периода было получено много новых термодинамических данных о твердых растворах, главным образом путем применения различных вариантов измерения давления газов, а также при измерениях э.д.с., используя твердые электролиты. В 1963 г. Рейнором были получены доказательства того, что эффективная валентность растворенных атомов может существенно отличаться от обычной валентности, и может быть даже дробной. В достаточно новой работе по электролизу твердых растворов получены удивительные результаты: в некоторых бинарных сплавах атомы (ионы) обоих сортов движутся в одном и том же направлении, но с различными скоростями, в других – в противоположных направлениях, а в чистой твердой меди при электролизе наблюдается эффект Киркендалла, весьма наблюдательного теоретика. Кремний и германий, оба четырехвалентные, содержащие небольшое количество примесных элементов, обладающих валентностью 3 и 5, проявляют особые полупроводниковые свойства; это – основа создания транзистора. В электронике появилось новое направление, базирующееся на поведении сильно разбавленных металлических твердых растворов[27].

При изучении процесса диффузии было проведено и опубликовано много исследовательских работ. Например, были определены скорости диффузии по границам зерен, как функция разориентации зерен. Было также проведено измерение поверхностной диффузии с учетом влияния пленок газа, адсорбированного на поверхности; проводились измерения скоростей диффузии вдоль дислокаций – по путям ускоренной диффузии. С переменным успехом проводились исследования с целью оценки влияния «холодной обработки» на скорость диффузии.

Пластичность металлов являлась областью наиболее активных исследований, поскольку в руках ученых появился метод просвечивающей электронной микроскопии, открывающей широкие возможности по изучению дефектов внутреннего строения. Хирш и его сотрудники в результате своих экспериментов сумели доказать, что созданный ими микроскоп позволяет наблюдать поведение дислокаций во всех деталях. Результаты, получаемые с помощью этого метода, который применяется в настоящее время большим числом исследователей во всем мире, весьма существенны. Отдельные дислокации наблюдались и раньше, а их передвижение в металлах рассматривалось как передвижение путем скольжения. Используя электронный микроскоп, можно наблюдать частичные дислокации Хайденрайха и Шокли (1948) и связанные с ними дефекты упаковки; соответствующий анализ рассеяния электронов позволил создать метод определения важного параметра дислокаций – вектора, описанного Бюргерсом (1939)[28].

Стремительное развитие физического металловедения в последние два десятилетия обязано многочисленным новшествам в области оборудования. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), предназначенная для металловедческих целей, была разработана Хиршем и его сотрудниками в то время, когда они занимались изучением дислокаций в деформированных металлах. Вначале этот метод в основном использовался для исследования металлов при холодной обработке, рекристаллизации и дефектов кристалла. Однако по мере усовершенствования метода, особенно когда ПЭМ стала использоваться совместно с локальным химическим анализом, его стали все чаще применять для исследования фазовых переходов всех видов – в этой широкой области исследования указанный метод значительно потеснил оптическую микроскопию. Аналитическая просвечивающая растровая электронная микроскопия (ПРЭМ), разработанная в конце 70-х гг. XX в., еще больше усилила эту тенденцию.

Возможности электронного микроанализатора Кастена значительно воз­росли, когда было предусмотрено наблюдение в растровом режиме, который позволил получить наглядное изображение характера распределения исследуемого элемента. Это усовершенствование, благодаря Данкамбу, развивалось параллельно с разработкой в начале 60-х годов растрового электронного микроскопа (РЭМ). Возможность этого прибора давать стереоскопическое изображение трехмерных поверхностных структур и большая глубина фокуса первоначально использовались в основном для фрактографических исследований, однако очень быстро этот прибор превратился в соперника (хотя и дорогостоящего) оптического микроскопа; РЭМ обладает более высокой разрешающей способностью, чем последний. Вслед за изобретением полупроводникового детектора рентгеновского излучения, позволяющего анализировать длину волны излучения, наблюдается тенденция к созданию новых приборов, выполняющих как функцию РЭМ, так и электронного микроанализатора[29].

В течение 70-х гг. XX в. было разработано и доведено до широкого применения много других приборов, сочетающих наглядность изображения с аналитической способностью. К ним относятся вторично-ионная масс-спектроскопия (ВИМС), электронная Оже-спектроскопия (ЭОС), электронная спектроскопия для химического анализа (ЭСХА), также называемая рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией, и в частности разработанный Мюллером полевой ионный микроскоп (ионный проектор), скомбинированный с масс-спектрометром, основанный на определении времени пролета частиц. Все эти методы, обеспечивающие ионно-лучевую эрозию, могут быть использованы для определения составов очень мелких объектов, порядка микрона и менее. Возможность методов ПЭМ, ПРЭМ, РЭМ, ВИМС, ЭОС, ЭСХА и автоионной микроскопии произвели революцию в изучении микроструктуры и микроградиентов состава при высоком разрешении. Собранные вместе, они явились таким же значительным импульсом в развитии физического металловедения, как некогда дифракция рентгеновских лучей[30].

Формирование металловедения как науки происходило как на теоретическом, так и на прикладном, практическом уровнях. Содержанием прикладного (технического) металловедения является изучение состава, структуры, процессов обработки и свойств различных конкретных классов металлических материалов (например, железоуглеродистых сплавов, конструкционной стали, нержавеющей стали, жаропрочных сплавов, алюминиевых сплавов, магниевых сплавов, металлокерамики). В связи с развитием новых областей техники возникли задачи изучения поведения металлов и сплавов при радиационных воздействиях, весьма низких температурах, высоких давлениях и т.д.

ПОДЕЛИСЬ ИНТЕРЕСНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ

MetalSpace

Опубликовано MetalSpace

Адрес электронной почты: info@metalspace.ru
Предлагаем сотрудничество
  • Опубликуй свои произведения в электронной форме.
  • Размести научную статью или пресс-релизы на страницах нашего портала.

Оставь комментарий