Металлургия — это область материаловедения и техники , которая изучает физическое и химическое поведение металлических элементов , их интерметаллических соединений и их смесей, известных как сплавы .
Металлургия охватывает как науку , так и технологию металлов, включая производство металлов и разработку металлических компонентов, используемых в продуктах как для потребителей, так и для производителей. Металлургия отличается от ремесла металлообработки . Металлообработка зависит от металлургии так же, как медицина опирается на медицинскую науку для технического прогресса. Специалист- практик в области металлургии известен как металлург.
Науку о металлургии подразделяют на две большие категории: химическую металлургию и физическую металлургию . Химическая металлургия в основном занимается восстановлением и окислением металлов, а также химическими свойствами металлов. Предметы изучения химической металлургии включают переработку полезных ископаемых , извлечение металлов , термодинамику , электрохимию и химическую деградацию ( коррозию ). [1] Напротив, физическая металлургия фокусируется на механических свойствах металлов, физических свойствах металлов и физических характеристиках металлов. Темы, изучаемые в физической металлургии, включают кристаллографию , характеристику материалов , механическую металлургию, фазовые превращения и механизмы разрушения . [2]
Исторически металлургия была преимущественно ориентирована на производство металлов. Производство металлов начинается с переработки руд для извлечения металла и включает в себя смешивание металлов для получения сплавов . Металлические сплавы часто представляют собой смесь как минимум двух различных металлических элементов. Однако неметаллические элементы часто добавляют в сплавы для достижения свойств, подходящих для конкретного применения. Наука о производстве металлов подразделяется на черную металлургию (также известную как черная металлургия ) и цветную металлургию , также известную как цветная металлургия.
Черная металлургия включает процессы и сплавы на основе железа , а цветная металлургия — процессы и сплавы на основе других металлов. Производство черных металлов составляет 95% мирового производства металлов. [3]
Современные металлурги работают как в новых, так и в традиционных областях в составе междисциплинарной команды вместе с учеными-материаловедами и другими инженерами. Некоторые традиционные области включают переработку полезных ископаемых, производство металлов, термообработку, анализ отказов и соединение металлов (включая сварку , пайку и пайку ). Новые области для металлургов включают нанотехнологии , сверхпроводники , композиты , биомедицинские материалы , электронные материалы (полупроводники) и поверхностную инженерию . Многие применения, методы и устройства, связанные с металлургией или связанные с ней, были созданы в древней Индии и Китае, например, инновационные технологии вуцовой стали , бронзы , доменной печи , чугуна , молотков с гидравлическим приводом и сильфонов поршня двойного действия . [4] [5]
Металлургия происходит от древнегреческого μεταλλουργός , metallourgós , «рабочий по металлу», от μέταλλον , métallon , «рудник, металл» + ἔργον , érgon , «работа». Первоначально это слово было термином алхимиков для извлечения металлов из минералов. окончание -urgy означает процесс, особенно производство: в этом смысле это обсуждалось в Британской энциклопедии 1797 года . [6]
В конце 19 века определение металлургии было расширено до более общего научного исследования металлов, сплавов и связанных с ними процессов. В английском языке произношение / m ɛ ˈ t æ l ər dʒ i / является наиболее распространенным в Соединенном Королевстве . Произношение / ˈ m ɛ t əl ɜːr dʒ i / является более распространенным в Соединенных Штатах Америки и является первым вариантом в различных американских словарях, включая Merriam-Webster Collegiate и American Heritage .
Самым ранним зарегистрированным металлом, используемым людьми, по-видимому, является золото , которое можно найти в свободном или « самородном » виде. Небольшое количество природного золота было обнаружено в испанских пещерах, относящихся к периоду позднего палеолита , 40 000 г. до н.э. [7] Серебро , медь , олово и метеоритное железо также можно найти в самородной форме, что позволяло производить ограниченное количество металлообработки в ранних культурах. [8]
Некоторые металлы, такие как олово, свинец и медь, можно извлечь из руд путем простого нагревания горных пород в огне или доменной печи в процессе, известном как плавка . Первые свидетельства этой добывающей металлургии, датируемые 5-м и 6-м тысячелетиями до нашей эры, [9] были найдены на археологических раскопках в Майданпеке , Ярмоваце и Плочнике на территории современной Сербии . [10]
Самые ранние свидетельства выплавки меди найдены на городище Беловоде недалеко от Плочника. [11] На этом месте был найден медный топор 5500 г. до н.э., принадлежащий культуре Винча . [12]
Самое раннее использование свинца было в поселениях позднего неолита Ярим-Тепе и Арпахия на территории современного Ирака . Артефакты позволяют предположить, что выплавка свинца предшествовала выплавке меди. [13]
Выплавка меди также зарегистрирована на этом месте примерно в тот же период времени (вскоре после 6000 г. до н. э.), хотя использование свинца, по-видимому, предшествует выплавке меди. Ранняя металлургия также задокументирована на близлежащем городище Телль-Магзалия , который, по-видимому, датируется еще более ранним периодом и полностью лишен этой керамики. [ нужна цитация ] Балканы были местом обитания основных неолитических культур, включая Бутмир , Винчу , Варну , Караново и Хамангию .
Варненский некрополь в Болгарии — место захоронения в западной промышленной зоне Варны , примерно в 4 км от центра города, которое во всем мире считается одним из ключевых археологических памятников мировой доисторической эпохи. На этом месте было обнаружено старейшее золотое сокровище в мире, датируемое 4600–4200 гг. до н.э. [14] Еще одним важным примером является золотое изделие, датируемое 4500 г. до н.э., найденное в 2019 году в Дуранкулаке , недалеко от Варны . [15] [16] Другие признаки ранних металлов найдены в третьем тысячелетии до нашей эры в Палмеле , Португалия, Лос-Миларесе , Испания, и Стоунхендже , Великобритания. Однако точное начало еще не установлено, а новые открытия продолжаются и продолжаются.
Примерно в 1900 году до нашей эры в Тамилнаду существовали древние места выплавки железа . [17] [18]
На Ближнем Востоке , около 3500 г. до н. э., было обнаружено, что путем соединения меди и олова можно получить превосходный металл — сплав , называемый бронзой . Это представляло собой крупный технологический сдвиг, известный как бронзовый век .
Извлечение железа из руды в работоспособный металл гораздо труднее, чем меди или олова. Судя по всему, этот процесс был изобретен хеттами примерно в 1200 году до нашей эры, в начале железного века . Секрет добычи и обработки железа был ключевым фактором успеха филистимлян . [19] [20]
Историческое развитие черной металлургии можно найти в самых разных культурах и цивилизациях прошлого. Сюда входят древние и средневековые королевства и империи Ближнего Востока и Ближнего Востока , древний Иран , древний Египет , древняя Нубия и Анатолия в современной Турции , Древний Нок , Карфаген , греки и римляне древней Европы , средневековая Европа, древний и средневековый Китай , древняя и средневековая Индия , древняя и средневековая Япония и другие. Многие применения, методы и устройства, связанные или связанные с металлургией, были созданы в древнем Китае, такие как инновации в доменной печи , чугуне , молотах с гидравлическим приводом и сильфонах поршня двойного действия . [4] [5]
Книга Георга Агриколы XVI века « De re Metallica» описывает высокоразвитые и сложные процессы добычи металлических руд, извлечения металлов и металлургии того времени. Агриколу называют «отцом металлургии». [21]
Добывающая металлургия — это практика удаления ценных металлов из руды и переработки извлеченного сырья в более чистую форму. Чтобы превратить оксид или сульфид металла в более чистый металл, руду необходимо восстановить физически, химически или электролитически . Добывающие металлурги заинтересованы в трех основных потоках: сырье, концентрат (оксид/сульфид металла) и хвосты (отходы).
После добычи крупные куски рудного сырья измельчаются путем дробления или измельчения с целью получения достаточно мелких частиц, где каждая частица является либо по большей части ценной, либо по большей части отходами. Концентрация ценных частиц в форме, обеспечивающей разделение, позволяет удалить желаемый металл из отходов.
Добыча полезных ископаемых может не потребоваться, если рудное тело и физическая среда способствуют выщелачиванию . Выщелачивание растворяет минералы в рудном теле и приводит к образованию обогащенного раствора. Раствор собирают и перерабатывают для извлечения ценных металлов. Рудные тела часто содержат более одного ценного металла.
Хвосты предыдущего процесса могут использоваться в качестве сырья в другом процессе для извлечения вторичного продукта из исходной руды. Кроме того, концентрат может содержать более одного ценного металла. Затем этот концентрат будет перерабатываться для разделения ценных металлов на отдельные компоненты.
Много усилий было приложено для понимания системы железо -углеродистые сплавы, которая включает стали и чугуны . Обычные углеродистые стали (те, которые содержат по существу только углерод в качестве легирующего элемента) используются в недорогих, высокопрочных изделиях, где ни вес, ни коррозия не являются серьезной проблемой. Чугуны, в том числе ковкий чугун , также являются частью системы железо-углерод. Сплавы железа, марганца и хрома (стали типа Гадфилда) также используются в немагнитных приложениях, таких как наклонно-направленное бурение.
Другие конструкционные металлы включают алюминий , хром , медь , магний , никель , титан , цинк и кремний . Эти металлы чаще всего используются в виде сплавов, за исключением кремния, который не является металлом. Другие формы включают в себя:
В сфере производства металлургия занимается производством металлических компонентов для использования в потребительской или машиностроительной продукции. Это включает в себя производство сплавов, формование, термообработку и обработку поверхности изделий. Задача металлурга – добиться баланса между свойствами материала, такими как стоимость, вес , прочность , ударная вязкость , твердость , коррозия , усталостная стойкость и работоспособность при экстремальных температурах . Для достижения этой цели необходимо тщательно продумать операционную среду. [ нужна цитата ]
Определение твердости металла с использованием шкал твердости Роквелла, Виккерса и Бринелля является широко используемой практикой, которая помогает лучше понять эластичность и пластичность металла для различных применений и производственных процессов. [22] В соленой воде большинство черных металлов и некоторых цветных сплавов быстро подвергаются коррозии. Металлы, подвергающиеся воздействию холода или криогенных условий, могут перейти из пластичного состояния в хрупкое и потерять свою ударную вязкость, становясь более хрупкими и склонными к растрескиванию. Металлы, находящиеся под постоянными циклическими нагрузками, могут страдать от усталости металла . Металлы, находящиеся под постоянным напряжением при повышенных температурах, могут ползти .
Процессы холодной обработки , при которых форма изделия изменяется путем прокатки, изготовления или других процессов, пока изделие холодное, могут повысить прочность изделия за счет процесса, называемого наклепом . Наклеп создает в металле микроскопические дефекты , которые сопротивляются дальнейшему изменению формы.
Металлы можно подвергать термической обработке для изменения свойств прочности, пластичности, ударной вязкости, твердости и устойчивости к коррозии. Обычные процессы термообработки включают отжиг, дисперсионное упрочнение , закалку и отпуск: [24]
Часто механическую и термическую обработку объединяют в так называемую термомеханическую обработку для улучшения свойств и более эффективной обработки материалов. Эти процессы являются общими для высоколегированных специальных сталей, суперсплавов и титановых сплавов.
.svg/1280px-Copper_electroplating_principle_(multilingual).svg.png)
Гальваника – это метод химической обработки поверхности. Он предполагает приклеивание тонкого слоя другого металла, такого как золото , серебро , хром или цинк, к поверхности изделия. Это осуществляется путем выбора раствора электролита материала покрытия, который является материалом, которым будет покрыта заготовка (золото, серебро, цинк). Должно быть два электрода из разных материалов: один из того же материала, что и материал покрытия, и другой, на который поступает материал покрытия. Два электрода заряжаются электрически, и материал покрытия прилипает к заготовке. Используется для уменьшения коррозии, а также для улучшения эстетического вида изделия. Его также используют для того, чтобы недорогие металлы выглядели как более дорогие (золото, серебро). [25]
Дробеструйная обработка — это процесс холодной обработки металлических деталей. В процессе дробеструйной обработки на поверхность обрабатываемой детали наносится небольшая круглая дробь. Этот процесс используется для продления срока службы детали, предотвращения повреждений, вызванных коррозией под напряжением, а также предотвращения усталости. Выстрел оставляет на поверхности небольшие ямочки, как от молотка, которые вызывают сжимающее напряжение под ямкой. Поскольку дробленая среда снова и снова ударяет по материалу, она образует множество перекрывающихся ямок по всей обрабатываемой детали. Напряжение сжатия на поверхности материала укрепляет деталь и делает ее более устойчивой к усталостному разрушению, разрушению под напряжением, коррозионному разрушению и растрескиванию. [26]
Методы термического напыления являются еще одним популярным вариантом отделки и часто имеют лучшие свойства при высоких температурах, чем гальванические покрытия. Термическое напыление, также известное как процесс сварки распылением, [27] представляет собой промышленный процесс нанесения покрытия, который состоит из источника тепла (пламени или другого источника) и материала покрытия, который может быть в форме порошка или проволоки, который плавится, а затем распыляется на поверхность. поверхность обрабатываемого материала с высокой скоростью. Процесс обработки распылением известен под разными названиями, такими как HVOF (высокоскоростное кислородное топливо), плазменное напыление, газопламенное напыление, дуговое напыление и металлизация.
Химическое осаждение (ED) или химическое покрытие определяется как автокаталитический процесс , посредством которого металлы и металлические сплавы осаждаются на непроводящие поверхности. К таким непроводящим поверхностям относятся пластмассы, керамика, стекло и т. д., которые затем могут стать декоративными, антикоррозийными и проводящие в зависимости от их конечных функций. Химическое осаждение — это химические процессы, в ходе которых создаются металлические покрытия на различных материалах путем автокаталитического химического восстановления катионов металлов в жидкой ванне.
Металлурги изучают микроскопическую и макроскопическую структуру металлов с помощью металлографии — метода, изобретенного Генри Клифтоном Сорби .
В металлографии интересующий сплав шлифуют и полируют до зеркального блеска. Затем образец можно протравить, чтобы выявить микроструктуру и макроструктуру металла. Затем образец исследуют в оптическом или электронном микроскопе , и контрастность изображения позволяет получить подробную информацию о составе, механических свойствах и истории обработки.
Кристаллография , часто использующая дифракцию рентгеновских лучей или электронов , является еще одним ценным инструментом, доступным современному металлургу. Кристаллография позволяет идентифицировать неизвестные материалы и выявить кристаллическую структуру образца. Количественную кристаллографию можно использовать для расчета количества присутствующих фаз, а также степени деформации, которой подвергся образец.
