Использование человеческих металлов, прошлого, настоящего и будущего металлических материалов

I. История развития металлических материалов

​​Этап 1 – Использование природных металлов, появление железа и стали​​
(1) Около 5000 г. до н.э.: использование природного золота, меди и свинца; медные орудия, золотые изделия и сочетание меди с камнем.
Между 5040–4840 гг. до н.э. наиболее примечательными являются 38 изделий из самородной меди, найденных в Плочнике (южная Сербия), датируемых 5040–4840 гг. до н.э., общим весом около 16 кг. Балканский полуостров также был колыбелью различных ранних металлургических технологий, включая плавку свинца, золота, оловянной бронзы и серебра. Например, на стоянке Беловоде (~5200 г. до н.э.) были обнаружены свинцовые шлаки, что, возможно, свидетельствует о зарождении технологии плавки свинца. В то же время в восточной Болгарии около 4650 г. до н.э. началась плавка золота, а самыми выдающимися находками стали 3100 золотых изделий (общим весом 5 кг) из кладбища Варна. Технология плавки оловянной бронзы также развивалась в южной Сербии и по всей Болгарии, а фрагменты оловянной бронзы из Плочника предоставили точные датировки. Эти открытия подтверждают ключевую роль Балкан в раннем развитии металлургии.

(2) Около 4000 г. до н.э.: развитие медной плавки
Примерно 6000 лет назад технология плавки меди в восточной Турции достигла высокого уровня и постепенно распространилась на соседние регионы. В этот период начали появляться низкосодержащие мышьяковые сплавы меди. К ~5500 г. до н.э. люди стали осознанно производить сплавы, такие как мышьяковистая медь.

(3) 4000–500 гг. до н.э.: появление бронзы и Бронзовый век
Южный Иран и Месопотамия использовали бронзовые орудия уже к 4000–3000 гг. до н.э., как и Европа в тот же период.
Самые ранние бронзовые артефакты в Китае датируются ~3000 г. до н.э., в Индии и Египте – 3000–2000 гг. до н.э. В Африке бронза появилась позже, не позднее 1000 г. до н.э. – 1 г. н.э.
К ~2000 г. до н.э. бронзовые изделия получили широкое распространение, наступил Бронзовый век. Термин "Бронзовый век" охватывает период 2000–500 гг. до н.э., когда появились разнообразные бронзовые сосуды, орудия и оружие.

(4) Около 3000 г. до н.э.: Прямое использование метеоритного железа​​
В Древнем Египте (~3500 г. до н.э.) были найдены железные предметы с содержанием 7,5% никеля, что указывает на их метеоритное происхождение. В 2013 году журнал Archaeometry опубликовал исследование, подтвердившее, что железные бусины из Египта (~3200 г. до н.э.) сделаны из метеоритного железа.

​​(5) 1500 г. до н.э.: Появление технологии плавки железа​​
Самый древний плавленый железный артефакт — кинжал с медной рукоятью и железным лезвием из хеттской гробницы в Анатолии (Турция), датируемый 4500 лет назад (2500 г. до н.э.). Радиоуглеродный анализ подтвердил его плавленое происхождение; этот артефакт особенно ценен из-за 1000-летнего разрыва между ним и массовым распространением плавленого железа.

Самые древние китайские плавленые железные артефакты — два железных бруска из гробниц культуры Сива в Мотане (Линься, Ганьсу), датируемые 3510–3310 гг. до н.э. (1510–1310 гг. до н.э.).

К 1800 г. до н.э. технология плавки железа появилась в Индии.
Около 1500 г. до н.э. она развилась, и железо стало широко использоваться в Египте.
С ~1400 г. до н.э. хетты и ассирийцы у Черного моря начали массовое производство железных орудий.

(6) 1200 г. до н.э.: Начало Железного века​​
К 1200 г. до н.э. распространение железных орудий ознаменовало начало Железного века.

• ​​Ближний Восток​​: Использование железа началось около 1200 г. до н.э.
• ​​Восточная Европа​​: Железный век стартовал около 1000 г. до н.э.
• ​​Центральная Европа​​: Период делится на Ранний (800 г. до н.э.–450 г. н.э.) и Поздний (с 450 г. до н.э.) Железные века.
• ​​Британия и Ирландия​​: Знания о железоделии достигли Британии к ~500 г. до н.э.

​​Китай​​: Массовое использование железа началось около 600 г. до н.э.

(7) 1000 г. до н.э.: Появление стали​​
Металлурги обнаружили сталь как побочный продукт выплавки железа.
Одно из первых упоминаний "стали" содержится в Истории Геродота (VII в. до н.э.), где описывается чаша, инкрустированная Глауком Хиосским.

• ​​III в. до н.э.​​: Индия производила вутц-сталь, славящуюся своим качеством до сих пор.
• ​​Китай​​: Сталелитейное дело восходит к II в. до н.э., с технологиями, напоминающими процесс Бессемера.
  После освоения стали мастера создавали инструменты (например, ножи). Появились новые методы, такие как закалка (быстрое охлаждение в воде/масле). Находки на Кипре доказывают существование закаленных клинков к 1100 г. до н.э.
  Однако древняя сталелитейная технология оставалась сложной, делая стальные изделия крайне ценными.

(8) XV век: Глобальное распространение стали​​
К XV веку сталь стала повсеместной. Мечи демонстрировали её превосходство: лезвия требовали прочности, твердости и остроты. От дамасских и толедских клинков до японских катан — сталь была главным материалом элитного оружия.

Этап II - Основы науки о металлических материалах
Заложение дисциплинарных основ: металлография, физика металлов, фазовые превращения и легированные стали.

• 1803: Дальтон предложил атомную теорию, Авогадро - молекулярную теорию.
• 1830: Гессель выделил 32 класса кристаллов, популяризировав индексацию кристаллов.
• 1891: Ученые России, Германии и Великобритании независимо сформулировали теорию решетчатой структуры.
• 1864: Сорби получил первую металлографическую фотографию (9-кратное увеличение), что стало важным достижением.
• 1827: Карстен выделил Fe₃C из стали; Абель подтвердил это в 1888 году.
• 1861: Русский ученый Чернов предложил концепцию критических температур превращения стали.
• Конец XIX века: исследования мартенсита стали модными; Гиббс сформулировал правило фаз, Робертс-Остен открыл свойства твердого раствора аустенита, Рузебом построил диаграмму состояния Fe-Fe₃C.

Этап III - Большие достижения в теории микроструктуры
Развитие диаграмм состояния сплавов, изобретение и применение рентгеновских лучей, создание теории дислокаций.

• 1912: Открытие рентгеновских лучей, подтверждение, что α(δ)-Fe имеет гранецентрированную кубическую (bcc) структуру, а γ-Fe - объемноцентрированную кубическую (fcc) структуру; правила образования твердых растворов.
• 1931: Открытие влияния легирующих элементов на расширение и сужение γ-области.
• 1934: Польский ученый Поланьи, венгерский Орован и британский Тейлор независимо предложили теорию дислокаций для объяснения пластической деформации стали и кристаллографии мартенситного превращения.
• 1938: Изобретение электронного микроскопа.
• 1910: Изобретение нержавеющей стали типа A, 1912 - типа F и др.
• 1990: Изобретение твердомера Бринелля; Гриффит предположил, что концентрация напряжений приводит к образованию микротрещин.

Этап IV - Углубленное изучение теории микроструктуры
Углубленные исследования в области теории микроструктуры:

• Изучение атомной диффузии и ее механизмов
• Определение кривых TTT для стали
• Формирование целостных теорий превращения бейнита и мартенсита

Развитие теории дислокаций:

• Изобретение электронной микроскопии позволило наблюдать:
  • Выделение вторых фаз в стали
  • Скольжение дислокаций
  • Открытие частичных дислокаций, стопок дефектов, стен дислокаций, субструктур, атмосфер Коттрелла и др.
• Развитие теории дислокаций

Постоянное изобретение новых научных приборов:

• Электронно-зондовый микроанализатор (EPMA)
• Полевой ионный микроскоп (FIM) и полевой эмиссионный микроскоп (FEM)
• Сканирующий трансмиссионный электронный микроскоп (STEM)
• Сканирующий туннельный микроскоп (STM)
• Атомно-силовой микроскоп (AFM)

II. Современные металлические материалы
Исследование и разработка передовых конструкционных материалов остается вечной темой.

• Разработка высокопроизводительных конструкционных материалов: стремление к высокой прочности, жаростойкости, коррозионной стойкости и износостойкости при одновременном снижении механического веса, повышении характеристик и увеличении срока службы. Широкое применение композитных материалов в качестве конструкционных, таких как алюминиевые матричные композиты. Разработка различных серий низкотемпературных аустенитных сталей для специальных применений.
• Модернизация традиционных конструкционных материалов: ключевые подходы включают более тонкую и однородную микроструктуру, более чистые материалы и оптимизацию процессов. "Новое поколение стальных материалов" достигает вдвое большей прочности по сравнению с традиционными сталями. Теракты 11 сентября в США выявили слабую жаростойкость конструкционных сталей, что стимулировало разработку высокопрочных огнестойких и коррозионно-стойких горячекатаных сталей.
• Разработка других высокопроизводительных сталей: новые инструментальные стали с отличной вязкостью и износостойкостью создаются с использованием передовых технологий. Экономичное легирование - ключевое направление для высокоскоростных сталей, в то время как разработка различных технологий поверхностной обработки инструментальных материалов имеет большое значение для инноваций.
• Продвинутые технологии производства: включая полутвердую обработку металлов, зрелость и применение технологий Al-Mg сплавов. Преодоление существующих технологических ограничений стали и упрочнение/повышение вязкости стали остаются основными направлениями исследований.

III.Устойчивое развитие и тенденции металлических материалов
В 2004 году была предложена концепция "Материалы для циркулярного общества - устойчивое развитие материалопроизводства".

Микробиологическая металлургия:

• Метод безотходного производства, индустриализированный во многих странах.
• В США 10% всей меди получают методами микробиологической металлургии.
• Япония культивирует асцидий для извлечения ванадия.
• Морская вода как жидкий минерал содержит более 10 млрд тонн легирующих элементов.
• В настоящее время извлекаемые элементы:
  • ~20% мирового производства магния приходится на морское сырье
  • США удовлетворяют 80% своей потребности в магнии из морской воды

Круговая материалопроизводственная система:

• Адаптация к современным требованиям через интеграцию экологического сознания в дизайн продукции и процессов
• Повышение эффективности использования материалов
• Снижение экологической нагрузки на всех этапах жизненного цикла
• Создание промышленной экосистемы с виртуальным циклом "Ресурсы → Материалы → Окружающая среда"

Основные тенденции развития сплавов:

• Акцент на низколегированные и универсальные сплавы
• Формирование зеленых/экологических материальных систем для улучшения рециклинга
• Разработка экологичных материалов, связанных с повседневной жизнью

IV. Титановый сплав: "Металл космоса" и "Сталь будущего"​​
Титановый сплав представляет собой разновидность металлических материалов, получаемых путем соединения титана с другими металлами. В 1950-х годах титан был разработан как важный конструкционный металл. Титановый сплав обладает высокой прочностью, отличной коррозионной стойкостью и высокой термостойкостью. В 1950–1960-х годах основное внимание уделялось разработке высокотемпературных титановых сплавов для авиационных двигателей и конструкционных титановых сплавов для фюзеляжей самолетов. Титановый сплав сохраняет высокую прочность как при высоких, так и при низких температурах, а его коррозионная стойкость является непревзойденной. Хотя титан довольно распространен в земной коре (0,6%), его сложный процесс извлечения и высокая стоимость ограничивают его широкое применение. Титановый сплав станет одним из металлических материалов, внесших значительный вклад в развитие человечества в XXI веке.

В 1970-х годах был разработан ряд коррозионно-стойких титановых сплавов. С 1980-х годов коррозионно-стойкие и высокопрочные титановые сплавы получили дальнейшее развитие. Титановый сплав в основном используется для изготовления компрессорных компонентов авиационных двигателей, а также структурных элементов ракет, ракет-носителей и сверхзвуковых самолетов.

С 1970-х годов титановый сплав начал активно применяться в гражданской авиации. Например, пассажирский самолет Boeing 747 использует более 3 640 кг титана. Самолеты с числом Маха более 2,5 применяют титан в основном для замены стали с целью снижения веса конструкции. Ярким примером является американский разведывательный самолет SR-71 (с числом Маха 3 и потолком полета 26 212 метров), в структуре которого титан составляет 93%, что позволяет называть его "полностью титановым" самолетом.

​​V. Цветные металлы и цветные сплавы​​
Отрасль сталкивается с серьезными проблемами неустойчивого развития, главным образом из-за значительного ущерба ресурсам, крайне низких коэффициентов использования и шокирующих потерь. Глубокая переработка отстает от современных требований, не хватает высококачественной продукции; инновационных достижений мало, а степень внедрения высоких технологий в производство низкая. Основное направление — разработка высокопрочных конструкционных материалов и передовых технологий их получения, таких как алюминиево-литиевые сплавы и быстрозатвердевающие алюминиевые сплавы. Функциональные материалы на основе цветных металлов также являются перспективным направлением.

В узком смысле цветные металлы (также называемые неметаллическими металлами) — это все металлы, кроме железа (иногда также исключая марганец и хром) и железных сплавов. Их делят на тяжелые металлы (например, медь, свинец, цинк), легкие металлы (например, алюминий, магний), драгоценные металлы (например, золото, серебро, платину) и редкоземельные металлы (например, вольфрам, молибден, германий, литий, лантан, уран). В широком смысле цветные металлы включают также цветные сплавы — сплавы, в которых один цветной металл составляет матрицу (обычно >50%), а один или несколько других элементов добавлены в качестве легирующих компонентов.

Цветные сплавы обычно обладают более высокой прочностью и твердостью по сравнению с чистыми металлами, большим электрическим сопротивлением, меньшим температурным коэффициентом сопротивления и отличными комплексными механическими свойствами. Наиболее распространенные цветные сплавы: алюминиевые сплавы, медные сплавы, магниевые сплавы, никелевые сплавы, оловянные сплавы, танталовые сплавы, титановые сплавы, цинковые сплавы, молибденовые сплавы, циркониевые сплавы.

Цветные металлы — это незаменимые базовые материалы и стратегически важные ресурсы для национальной экономики, повседневной жизни, оборонной промышленности и научно-технического прогресса. Модернизация сельского хозяйства, промышленности, обороны и науки/техники невозможна без цветных металлов. Например, компоненты высокотехнологичного оружия (самолеты, ракеты, ракеты-носители, спутники, атомные подводные лодки) и передовых технологий (атомная энергия, телевидение, связь, радары, компьютеры) в основном изготавливаются из легких и редкоземельных металлов среди цветных металлов. Кроме того, производство легированных сталей невозможно без таких цветных металлов, как никель, кобальт, вольфрам, молибден, ванадий и ниобий. В некоторых областях (например, электроэнергетика) потребление цветных металлов также очень высоко. Многие страны мира, особенно промышленно развитые, активно развивают цветную металлургию и наращивают стратегические запасы этих материалов.