История развития науки о металлах
Металлы – наиболее распространенные и широко используемые материалы в производстве и в быту человека. Особенно велико значение металлов в наше время, когда большое их количество используют в машиностроительной промышленности, на транспорте, в промышленном, жилищном и дорожном строительстве, а также в других отраслях производства.
В древности и в средние векасчиталось, что существует только 7 металлов: золото, серебро, медь, олово, свинец, железо, ртуть. По алхимическим представлениям металлы зарождались в земных недрах под влиянием лучей планет и постепенно крайне медленно совершенствовались, превращаясь в серебро и золото. Алхимики полагали, что металлы – вещества сложные, состоящие из «начала металличности» (ртути) и «начала горючести» (серы). В начале XVIII в.получила распространение гипотеза, согласно которой металлы состоят из земли и «начала горючести» – флогистона. М.В. Ломоносов насчитывал 6 металлов (Au, Ag, Cu, Sn (олово), Fe, Pb) и определял металл как «светлое тело, которое ковать можно». В конце XVIII в. А.Л. Лавуазье опроверг гипотезу флогистона и показал, что металлы – простые вещества. В 1789 Лавуазье в руководстве по химии дал список простых веществ, в который включил все известные тогда 17 металлов (Sb, Ag, As, Bi, Co, Cu, Sn, Fe, Mn, Hg, Mo, Ni, Au, Pt, Pb, W, Zn). По мере развития методов химического исследования число известных металлов возрастало.
Согласно периодической системы Д.И. Менделеева в природе насчитывается 107 химических элементов, из которых 85 элементов – металлы и лишь 22 – неметаллы. В настоящее время периодическая система насчитывает 111 элементов.
В конце XIX – начале XX вв. получила физико-химическую основу металлургия– наука о производстве металлов из природного сырья. Тогда же началось исследование свойств металлов и их сплавов в зависимости от химического состава и строения.
Основы современного металловедения заложили выдающиеся русские ученые-металлурги Павел Петрович Аносов (1799–1851) и Дмитрий Константинович Чернов (1839–1921), впервые обосновав влияние химического состава, структуры сплава и характера его обработки на свойства металла.
П.П. Аносов разработал научные принципы получения высококачественной стали, впервые в мире в 1831 г., разрабатывая способ получения булата, изучал под микроскопом строение отполированной поверхности стали, предварительно протравленной кислотой, т.е. применял так называемый метод микроанализа.
Булат (от перс. пулад — сталь), булатная сталь, углеродистая литая сталь, которая благодаря особому способу изготовления отличается своеобразной структурой и видом («узором») поверхности, высокой твердостью и упругостью. Узорчатость булатной стали связана с особенностями выплавки и кристаллизации. С древнейших времен (упоминается Аристотелем) идет на изготовление холодного оружия исключительной стойкости и остроты – клинков, мечей, сабель, кинжалов и др. Булат производили в Индии (под названием вуц), в странах Средней Азии и в Иране (табан, хорасан), в Сирии (дамаск, или дамасская сталь). Впервые в Европе литой булат, аналогичный лучшим старинным восточным образцам, получен на Златоустовском заводе П.П. Аносовым.
Аносов Павел Петрович [1799, Петербург, — 13(25).5.1851, Омск], русский металлург. Родился в семье секретаря Берг-коллегии, который в 1806 был назначен советником Пермского горного управления и переехал с семьей в Пермь. Вскоре родители Аносова умерли, и он воспитывался у деда, служившего механиком на Камских заводах. В 13 лет Аносов поступил в Петербургский горный кадетский корпус (будущий Горный институт), который окончил в 1817. В том же году поступил на Златоустовские казенные заводы, основанные при Петре I. Спустя 2 года написал свою первую работу «Систематическое описание горного и заводского производства Златоустовского завода». Этот труд показал не только широкий кругозор Аносова (завод включал доменные печи, передельные и кричные фабрики, рудники по добыче железной руды, плотину с установленными на ней водяными колесами и др.), но и редкое умение обобщать и анализировать фактический материал. В 1819 Аносов назначен смотрителем Оружейной фабрики, в 1824 ее управителем, в 1829 директором этой фабрики, а в 1831 одновременно и горным начальником Златоустовских заводов. На Златоустовских заводах Аносов проработал около 30 лет, дослужившись до звания генерал-майора корпуса горных инженеров. В 1847 назначен начальником Алтайских заводов, где работал до конца жизни.
В районе Златоуста Аносов вел большие работы по изысканию месторождений золота, железных руд и др., занимался совершенствованием добычи и обработки металлов. Изобрел новые золотопромывальные машины, получившие распространение на Урале. Предложил использовать паровую машину для механизации труда в золотопромышленности. Первый номер «Горного журнала» (1825) открывается трудами Аносова по геологии.
Всемирную известность приобрели работы Аносова по производству стали. В 1827 Аносов опубликовал труд «Описание нового способа закалки стали в сгущенном воздухе», спустя 10 лет — другую замечательную работу «О приготовлении литой стали». Аносов предложил новый метод получения стали, объединив процессы науглероживания и плавления металла. Наряду с этим он практически доказал, что для науглероживания железа не обязательно соприкосновение металла и угля (как это считалось). Последний может быть с большим эффектом заменен печными газами. Так впервые в мире была применена газовая цементация металла, нашедшая в настоящее время широкое распространение. В 1837 Аносов осуществил переплавку чугуна в сталь как с добавкой, так и без добавки железа.
Первым в России Аносов разработал технологию изготовления огнеупорных тиглей – основного оборудования стале- и золотоплавильного производства того времени. Это позволило в 50 раз удешевить стоимость каждого тигля, ранее ввозимого из Германии.
Оригинальными были работы Аносова по раскрытию утерянного в средние века секрета приготовления булатной стали. Опыты в течение 10 лет по сплавлению железа с кремнием, марганцем, хромом, титаном, золотом, платиной и др., а также изучение свойств получаемых сплавов позволили Аносову первым раскрыть тайну булата. Аносов обосновал влияние химического состава, структуры сплава и характера его обработки на свойства металла. Эти выводы Аносова легли в основу науки о качественных сталях. Результаты работ Аносова обобщены в классическом труде «О булатах» (1841), который был сразу переведен на немецкий и французский языки.
Аносов первым доказал, что узоры на металле отражают его кристаллическое строение и установил влияние так называемой макроструктуры металла на его механические качества. Первым Аносов применил микроскоп для исследования внутреннего строения стальных сплавов (1831), положив начало микроскопическому анализу металлов. По инициативе Аносова в 40-х гг. 19 в. предприняты успешные попытки производства литых стальных орудий, завершенные впоследствии П.М. Обуховым.
Аносов был избран член-корреспондентом Казанского университета (1844), почетным членом Харьковского университета (1846). Имени Аносова учреждены премия и стипендия (1948).
Д.К. Чернов продолжил труды П.П. Аносова. Он по праву считается основоположником металлографии – науки о строении металлов и сплавов. Его научные открытия легли в основу процессов ковки, прокатки, термической обработки стали. В 1868 Д.К. Чернов указал на существование температур, при которых сталь претерпевает превращения при нагревании и охлаждении (критические точки). Открытые Д.К. Черновым критические точки в стали явились основой для построения современной диаграммы состояния системы железо – углерод.
Чернов Дмитрий Константинович [20.10(1.11).1839, Петербург, – 2.1.1921, Ялта], русский ученый в области металлургии, металловедения, термической обработки металлов. Родился в семье фельдшера. В 1858 окончил Петербургский практический технологический институт, затем работал в механическом отделении Петербургского монетного двора. В 1859–66 преподаватель, помощник библиотекаря и хранитель музея Петербургского практического технологического института. С 1866 инженер молотового цеха Обуховского сталелитейного завода в Петербурге, в 1880–84 занимался разведкой месторождений каменной соли в Бахмутском районе (Донбасс); найденные им залежи получили промышленное значение. С 1884, по возвращении в Петербург, работал в Морском техническом комитете, с 1886 (одновременно) главный инспектор министерства путей сообщения по наблюдению за исполнением заказов на металлургических заводах. С 1889 профессор металлургии Михайловской артиллерийской академии.
В 1866–68 в результате практического изучения причин брака при изготовлении орудийных поковок, а также глубокого анализа работ своих предшественников П.П.Аносова, П.М. Обухова, А.С. Лаврова и Н.В. Калакуцкого по вопросам выплавки, разливки и ковки стальных слитков, Чернов установил зависимость структуры и свойств стали от ее горячей механической и термической обработки. Чернов открыл критические температуры, при которых в стали в результате ее нагревания или охлаждения в твердом состоянии происходят фазовые превращения, существенно изменяющие структуру и свойства металла. Эти критические температуры, определенные Черновым по цветам каления стали, были названы точками Чернова. Чернов графически изобразил влияние углерода на положение критических точек, создав первый набросок очертания важнейших линий диаграммы состояния «железо-углерод» (см. Тему 3). Результаты своего исследования, положившего начало современной металлографии, Чернов опубликовал в «Записках Русского технического общества» (1868, № 7), назвав его «Критический обзор статей г. Лаврова и Калакуцкого о стали и стальных орудиях и собственные Д.К. Чернова исследования по этому же предмету». В др. крупном научном труде «Исследования, относящиеся до структуры литых стальных болванок» (1879) Чернов изложил стройную теорию кристаллизации стального слитка. Он детально исследовал процесс зарождения и роста кристаллов (в частности, дендритных стальных кристаллов, которые иногда называются кристаллами Чернова), дал схему структурных зон слитка, развил теорию последовательной кристаллизации, всесторонне изучил дефекты литой стали и указал эффективные меры борьбы с ними. Этими исследованиями Чернов во многом способствовал превращению металлургии из ремесла в теоретически обоснованную научную дисциплину.
Большое значение для прогресса металлургии стали имели труды Чернова в области интенсификации металлургических процессов и совершенствования технологии производства. Он обосновал значение полноты раскисления стали при выплавке, целесообразность применения комплексных раскислителей, рекомендовал систему мероприятий, обеспечивающих получение плотного, беспузыристого металла. Чернов выдвинул идею перемешивания металла в процессе кристаллизации, предложив для этого вращающуюся изложницу.
Чернов многое сделал для совершенствования конвертерного способа производства литой стали. В 1872 он предложил подогревать в вагранке жидкий малокремнистый чугун, считавшийся непригодным для бессемерования, перед продувкой его в конвертере; в дальнейшем этот способ нашел распространение на русских и зарубежных заводах. Чернов применил спектроскоп для определения окончания бессемеровского процесса, одним из первых указал на целесообразность применения обогащенного кислородом воздуха для продувки жидкого чугуна в конвертере (1876). Чернов работал также над проблемой прямого получения стали из руды, минуя доменный процесс. Ему принадлежит ряд важных исследований в области артиллерийского производства: получение высококачественных стальных орудийных стволов, стальных бронебойных снарядов, изучение выгорания каналов орудий при стрельбе в результате действия пороховых газов и др. факторов. Чернов известен также рядом работ по математике, механике, авиации.
Чернов Д.К. — основоположник современного металловедения, основатель крупной научной школы русских металлургов и металловедов. Его научные открытия получили признание во всем мире. Чернов был избран почетным председателем Русского металлургического общества, почетным вице-председателем английского института железа и стали, почетным членом американского института горных инженеров и ряда др. русских и иностранных научных учреждений.
Классические труды «отца металлографии» Д.К. Чернова развивали выдающиеся русские ученые. Первое подробное описание структур железоуглеродистых сплавов было сделано А.А. Ржешотарским (1898). Дальнейшее развитие металловедение получило в работах видных советских ученых Н.И. Беляева, Н.С. Курнакова, А.А. Байкова, С.С. Штейнберга, А.А. Бочвара, Г.В. Курдюмова и др.
Современная наука о металлах развивается широким фронтом во вновь созданных научных центрах с применением электронных микроскопов и другой современной аппаратуры, с использованием достижений рентгенографии и физики твердого тела. Все это позволяет более глубоко изучить строение металлов, их сплавов и находить новые пути повышения механических и физико-химических свойств. Создаются сверхтвердые сплавы, сплавы с заранее заданными свойствами, многослойные композиции с широким спектром свойств и многие другие металлические, алмазные и керамико-металлические материалы.