Вклад П.П. Аносова в металловедение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Калининградский филиал Федерального государственного образовательного учреждения высшего образования

Санкт-Петербургский государственный аграрный университет

Реферат по материаловеденью

на тему

вклад П.П. Аносова в металловедение

Выполнил: студент 2 го курса

Самченко А.В.

Проверил: Рожков А.С.

Полесск 2015

Содержание

Введение

1. Основные открытия и зарождение металловедения как науки

2. Биография и начало пути

3. Литая сталь. Организация тигельного производства и газовая цементация

4. Булатная сталь

Заключение

металловедение тигельный сталь

Введение

Материаловедение- огромная область знаний, наука, которая базируется на основных положениях физики твердых тел, химии и электрохимии. Исследует и использует взаимосвязь структуры и свойств применяемых материалов или создания новых материалов с заранее заданными свойствами. Основной целью материаловеденья является изучение законов формирования структуры и свойств материалов различными методами, а так же поиск зависимостей между составом, строением их свойствами. Началом развития материаловеденья можно считать тот момент, когда человек стал выбирать, что взять ему в руки- палку или камень, следовательно это одна из старейших форм прикладной науки.

Эта наука прошла долгий путь бок о бок с человеком от примитивной обработки камня и керамики, постепенно преобразуясь в металлургию и металловедение, до современных этапов изучений сложных пластиков, полупроводников и биоматерии. За этот долгий путь было совершено огромное множество открытий, которые кардинально изменили наш мир и направление развития человечества. 2500 лет назад Иран подарил нам стекло, на тысячу лет ранее египтяне- плавление железа, современники открыли бетон, транзистор и низкоуглеродистую сталь. Все вместе это и есть наш мир в простых и привычных для нас вещах, который мы видим вокруг, не задумываясь о его исторических истоках.

1. Основные открытия и зарождение металловедения как науки

Рассвет материаловеденья пришелся на IXX-XX (нач.) в.в. Большая часть открытий, конечно, была произведена по части физики и химии металлов. Это было тесно связанно с развитием горнодобывающей промышленности, большим технологическим скачком конца IXX в и как следствие, высокой потребностью мира в большом количестве металла, различных форм и свойств. Материаловеденье это одна из немногих наук, в которых практические изыскания стали началом теоретических познаний. Много ученых того времени при своих исследованиях использовали или практический опыт ремесленников или древние записи алхимиков.

Первым, по праву, исследователем в этой области, внесшим огромный вклад и заложивший фундамент основных положений, можно считать М. В. Ломоносова (1711 - 1765 гг.), который заложил начала передовой русской философии и науки, особенно в области химии, физики, геологии. Он стал основоположником курса физической химии и химической атомистики, обосновывающей атомно-молекулярное строение вещества. Кроме того, в 1763 г. вышла книга «Первые основания металлургии или рудных дел» М. В. Ломоносова, которая является выдающимся трудом по металлургии (в частности чугуна, и горному делу), разработал составы цветных стекол и способ изготовления мозаичных панно из них, высказал гипотезу о происхождении янтаря и др.

Д. И. Менделеев (1834 - 1907 гг.) открыл важнейшую закономерность природы - периодический закон, в соответствии с которым свойства элементов находятся в периодической зависимости от величины их атомной массы. Он опубликовал книгу «Основы химии»; в ней описано, в частности, атомно-молекулярное строение вещества. Д. И. Менделеев также немалое внимание уделял проблеме производства стекла.

Известный физик Майкл Фаррадей (1791 - 1867 гг.) использовал химический анализ при изучении свойств булатной стали.

Анализ структуры металлов и различных минералов с помощью оптического микроскопа, нашел широкое распространение в трудах английского геолога Генри Сорби (1826 - 1908 гг.). Он впервые применил методы петрографии к исследованию стали, рассматривая под микроскопом травленые шлифы и фотографируя структуры. В дальнейших исследованиях Сорби использовал большое увеличение, что позволило ему впервые наблюдать перлит. Сорби открыл, что перлит образуется при распаде гомогенной высокотемпературной фазы, причем его образование может подавляться при закалке. Таким образом, он установил существование структурных превращений в стали.

Серьезного внимания заслуживают работы А. С. Лаврова и Н. В. Калакуцкого, открывших в 1867 г. явление ликвации стали. Важную роль сыграли работы Н. В. Калакуцкого по изучению внутренних напряжений. Он разработал меры по их устранению.

В последней четверти XIX века химия и физика уже играли ключевую роль в развитии многих сложившихся к тому времени отраслей, связанных с производством материалов. Здесь уместно отметить роль выдающегося русского ученого-металлурга Д. К. Чернова (1839 - 1921 гг.). В 1868 г. он сделал крупнейшее и исключительное по своим последствиям открытие. Он установил критические точки - температуры, при которых происходит изменение структуры и свойств охлажденной стали. Этим открытием Чернов разрешил основной вопрос об условиях термообработки и ковки стали. А в 1878 г. изложил основы современной теории кристаллизации металлов. Эти и последующие работы Чернова послужили фундаментом для создания современного материаловедения и термической обработки стали. За свои работы Чернов Д. К. в литературе был назван «отцом металлографии».

Особо следует отметить труды выдающегося русского металлурга горного инженера генерал-майора П. П. Аносова (1799 - 1839 гг.). Он в 1831 г. впервые использовал микроскоп для изучения структуры металлов при исследовании строения высококачественной стали - булата, проблему изготовления которой П. П. Аносов блестяще разрешил на Златоустовском заводе (1837 г.). Им была установлена связь между строением стали и ее свойствами. Аносов, по существу, явился зачинателем производства высококачественных сталей, играющих важнейшую роль в современной технике. В своих работах П. П. Аносов изучил также влияние углерода на структуру и свойства стали, оценил роль ряда других элементов.

2. Биография и начало пути

Павел Петрович Аносов родился в 1799 году в Петербурге в семье чиновника горного департамента. В 1810 году по ходатайству своего деда, Льва Собакина, был определен в Петербургский горный кадетский корпус, который был в то время единственным высшим учебным заведением, готовившим специалистов горного дела. Внимание Аносова особенно привлекало искусно выделанное холодное оружие. Его поражали булатные сабли с чудесными узорами. На вопросы, каким образом удавалось древним мастерам изготавливать булатное оружие с узорами, преподаватели неизменно отвечали: "Секрет булата утерян!" Будущего ученого и мастера не оставляла мысль разгадать его. В октябре 1816 г. Аносова произвели в унтер-офицеры, а в 1817 г. он с отличием завершил учебу и был выпущен из Горного кадетского корпуса практикантом в действительную службу. За успехи, "оказанные им при испытаниях", его наградили Большой золотой и Серебряной медалями, книгами, эстампами. В конце этого же года он прибыл на Златоустовские заводы в качестве практиканта. И начал свои труды с того, что в 1819 году представил дипломную работу "Систематическое описание горного и заводского производства Златоустовского завода".

В то время Златоустовский завод, хотя и имел уже устаревшее оборудование, но являлся металлургическим предприятием с полным циклом. Чугун выплавляли в доменной печи с двумя горнами, воздух в которые подавался цилиндрическими мехами, приводящимися в действие водяными колесами. Кроме передела на железо и сталь, чугун использовали для литья, как в песчаные и глиняные формы, так и в металлические. Отливали кричные молоты, наковальни, колеса, ядра, бомбы, а также гири, горшки, сковородки и другую хозяйственную утварь.

3. Литая сталь. Организация тигельного производства и газовая цементация

Оружейная фабрика, работавшая на заводе, славилась уже не только в России, но и далеко за её пределами. В то же время инструментальная сталь по своему качеству уступала английской. Это главным образом объясняется тем, что когда Аносов приехал на Златоустовский завод, литой стали там ещё не изготовляли.

Однако, как и все новое, литая сталь часто встречала недоверие со стороны многих металлургов. Объяснялось это тем, что способы её выплавки и разливки были недостаточно совершенны, и иногда металл получался либо низкого качества, либо очень высокой стоимости. По этим и другим причинам государственный департамент часто отказывался выдавать привилегии на способы производства тигельного металла. Между тем многие поступающие изобретения имели, очевидно, немалую ценность. Это подтверждает недавно установленный факт, что из всех русских архивов бесследно исчезли описания различных приемов получения стали, применявшихся в то время на заводах страны.

Проанализировав имеющийся опыт различных способов выплавки стали для оружия и инструмента, П.П. Аносов пришел к выводу, что литая сталь может обладать необходимыми свойствами. "Литая сталь, - писал он, - имеет преимущество перед выварною и цементною из тех же первых материалов, полученных как по равномерному, так и более тесному или химическому соединению частей углерода с железом"

Аносов, исходя из чисто научных соображений, обосновал целесообразность тигельного производства. Предварительные опыты по получению литой стали окончательно убеждают его: только организация тигельного производства коренным образом улучшит качество стального оружия и инструмента на Златоустовском заводе.

Аносов хорошо себе представлял, что производство литой стали складывается из следующих операций: "Устройство печей, приготовление плавильных горшков, плавка, отливка в формы и ковка". Поэтому он начал с устройства пламенных печей. Им был спроектирован отапливаемый углём горн для печи с подогревом восьми тиглей одновременно и сооружен корпус с восемью такими печами. Печь для выплавки тигельной стали эксплуатировались на Златоустовском заводе до начала XX века, то есть почти 100 лет!

Одной из самых трудных задач во времена Аносова являлась организация производства тиглей - "плавиленных горшков", как их тогда называли. Но для приготовления литой стали требовались тигли очень высокой огнеупорности. Такие тигли выписывались из-за границы, из города Пассау в Баварии, около которого находились залежи высокоогнеупорной глины. Цена их была весьма высокой. Поэтому Аносов решил, что "иностранные горшки особенно в столь отдаленном месте, как Златоуст, были бы слишком дороги для стального производства, и не заменив их своими, успех был бы безнадежен".

В то же время горшки из челябинской глины как будто и обладали достаточно большой огнеупорностью, но постоянно трескались при высоких температурах. Исследование причин образования трещин показало, что они получаются вследствие расширения частиц глины: при высоких температурах одни частицы "давили" на другие. Аносов понял, что трещины в горшках являются результатом большой учадки, которую давала глина при нагревании. Для предупреждения трещин необходимо было добавить в глину вещество, которое уменьшило бы усадку. Аносов делает анализ заграничной глины и находит, что таким веществом является графит.

Аносов разгадал секрет высокой огнеупорности тиглей, теперь надо было только найти графит. Мощные запасы уральского графита были найдены на берегу и на дне озера Большой Еланчик, и Аносов получает тигли необходимой огнеупорности. Эти тигли оказываются более чем в 50 раз дешевле заграничных. Теперь все было готово для получения литой стали. Попутно можно было делать и карандаши.

Аносов знал, что в Англии и других странах Западной Европы литую сталь получали в небольших количествах путем переплавки цементованного железа. Экспериментально изучив получение стали таким методом, Аносов показывает его большой недостаток. Заключался он в том, что при этом методе не удавалось управлять процессом цементации: "Положив угля более, опасаться должно, что она (сталь) выйдет слишком твердою, а положив недостаточно, она будет трудно плавиться, особенно потому, что часть углерода улетучивается".

После серии опытов он убеждается, что процесс цементации железа хорошо протекает в газовой среде печной атмосферы. Когда он наполнил тигель железными обсечками без примеси угольного порошка, не покрывая его ни флюсом, ни крышкой, то после расплавления шихты получил чугун. Когда же он накрыл тигель крышкою прежде, чем все железо расплавилось, то получил "удобно ковкий металл - литую сталь".

Так П.П. Аносов открыл газовую цементацию и использовал её для получения литой стали методом "переплава отходов". Разработанный метод газовой цементации был опубликован им в 1837 году, в то время как в Европе первая печатная работа, посвящённая этому методу, появилась лишь спустя несколько десятков лет.

Теперь уже известно, что процессы науглероживания и обезуглероживания играют первостепенную роль при производстве стали. Аносов впервые связывает эти процессы с температурой, и привлекает их для предвидения качества получаемой литой стали: получится ли она "мягкая", "средняя" или "твердая". Это и есть начало научного подхода к процессу получения литой стали.

В 1833 году Аносов провел серию опытов, которыми показал, что вполне возможно получать доброкачественную сталь путем сплавления чугуна и железа с прибавлением флюса и окалины. Это значит, что передел отходов и чугуна в сталь, широко известный теперь под названием скрап-процесса, был открыт Аносовым задолго до мартеновского.

В процессе тигельной плавки различают три периода: плавление, кипение и успокоение. В процессе кипения происходит частичное растворение в шлаке глинозёма из стенок тигля.

Аносов тщательно разрабатывает технологию производства тигельной стали, придавая большое значение её разливке. Он создаёт соразмерные с величиной тигля специальные чугунные формы (изложницы) и применяет их предварительный прогрев и смазку салом: "Каждая форма по граням составлена из двух бокованок, которые скреплялись обручем с клином. Формы предварительно прогреваются так, чтобы в них расплавилось сало, которым оне пред самою отливкою смазываются: отделяющиеся от горения сала газы предохраняют сталь от доступа воздуха".

Сталь рекомендовалось разливать медленно и так, чтобы струя не касалась боков формы. Эти рекомендации актуальны и сегодня.

4. Булатная сталь

Начиная с 1828 года П.П. Аносов проявляет большой интерес к булатной стали. Он знакомится с известными тогда работами Карстена(Германия), Фарадея(Англия), Ринмана(Швеция), Бертье(Франция) и других западных металлургов, пытавшихся получить булатную сталь. Он знакомится с обладателями булатных клинков, завязывает с ними переписку. В результате тщательно изучаются лучшие коллекции булатного. П.П. Аносов тщательно исследует индийские вутцы, образцы сварочного булата. Он заводит связи с киргизами, которые доставляют ему несколько ценных клинков. Вскоре он сам собирает небольшую, но очень интересную коллекцию булата. Глубокое изучение образцов булатного оружия позволяет Аносову научно установить различие между литым и сварочным булатами. Он доказывает, что качество настоящего булата связано с узорами на его поверхности. Чем ярче и крупнее узор, чем больше неоднородность стали, тем выше качество клинка.

С этой точки зрения Аносов проверяет влияние легирующих элементов на проявление свойств стали. А вывод отсюда был следующий: да, присутствие легирующих элементов в стали может вызвать появление узоров на её поверхности, однако многие примеси не только не улучшают, но даже ухудшают свойства стали. Другие - в некоторых отношения благотворно влияют на сталь, но причиной образования булатного узора и соответствующих свойств быть не могут.

В первых своих опытах Аносов получил на поверхности стали такие мелкие узоры, что их характер трудно было определить невооруженным глазом. Поэтому он начинает рассматривать их через лупу. Это наводит металлурга на мысль о использовании ещё больших увеличений для изучения макроструктуры стали. Так П.П. Аносов пришел к применению микроскопа в металлургии.

Под микроскопом он видит, что поверхность металла покрыта мельчайшим слоем окислов и загрязнена. После шлифовки и полировки поверхности, а также обработки кислотой узоры видны более четко благодаря тому, что разные структурные составляющие неодинаково реагируют на действие кислоты.

После тщательного исследования технологии выплавки стали с различными углеродсодержащими органическими материалами, Аносов констатирует, что хотя полученные слитки и имели мелкие узоры, но не обладали всеми свойствами настоящего булата, так как они уступали в твердости даже обыкновенной стали.

По заданию Аносова делается химический анализ индийского вутца. Кроме железа и углерода , в нем ничего не находят, вутц оказывается обыкновенной углеродистой сталью. Но углерода в нем очень много (1,5 - 2,0%). Такой стали цементацией твердого железа получить нельзя. Значит, секрет производства булата следует искать только в способах приготовления литой стали.

Итак, вывод сделан: булат - сплав железа с углеродом, причем углерода должно быть много.

До сих пор сталь выплавлялась в тиглях, после чего разливалась в чугунные формы - изложницы. Здесь она сравнительно быстро охлаждалась и затвердевала. А что если готовую сталь охладить совсем медленно, оставить её затвердевать в горячем тигле - там, где она выплавлена? И вот в "Журнале опытов", который тщательно вёл Аносов, появляется первый эксперимент по "кристаллованию" стали. Плавка №74 в форму не вылита, а охлаждена в тигле. После проковки слитка "на выполированном и вытравленном куске видны были местами в микроскоп узоры, подобные по расположению булатным". Необходимые условия для получения булата найдены - это медленное охлаждение тигля с готовой сталью.

И Аносов приходит к выводу, что одним из необходимых условий получения булатов является "медленное охлаждение сплавки". Поэтому во всех последующих опытах металл охлаждался именно так.

Тайны более не существует. Аносов начинает управлять процессом получения булата. Но, сколь ни заманчив новый способ, Аносов понимает, что он очень дорог и приступает к поискам нового, более дешевого, надежного и удобного.

Наконец найден лучший из всех ранее разработанных методов получения настоящих булатов - метод "сплавления железа непосредственно с графитом или соединений его прямо с углеродом".

Расположение узоров и их размеры Аносов все же связывает не только с чистотой исходных материалов, но и со степенью совершенства соединения углерода с железом. Опыты с различными графитами убедили его, что в самих булатах углерод находится в различном состоянии и что в этом отношении прямой указатель есть отлив.

Дальнейшие опыты были прекращены, так как П.П. Аносов начинает получать булаты высокого качества в заводском масштабе.

Заключение

На мой взгляд, открытия П. П. Аносова не были похожи на рецепты средневековых мастеров, созданные в результате многовековой практики. Он научно обосновал влияние химического состава, структуры сплава и характера его обработки на свойства металла. Его выводы легли в основу учения о качественных сталях. Выдающиеся труды великого металлурга были высоко оценены его современниками. Ученый совет Казанского университета в 1844 г. избрал Аносова своим членом- корреспондентом. Через два года он стал почетным членом Харьковского университета. По печатным работам Аносова училось несколько поколений будущих разведчиков земных недр, специалистов но выплавке и обработке металлов. Десятки учеников и многие сотни последователей Аносова продолжали и развивали начатое им дело производства качественных сталей, обогащали увлекательную науку о металле. Имена ближайших последователей Аносова - П. М. Обухова, А. С. Лаврова, Н. В. Калакуцкого, А. А. Ржешотарского и, наконец, Д. К. Чернова широко известны в нашей стране и далеко за ее пределами.

Список литературы

1. https://ru.wikipedia.org

2. Гуревич Ю.Г. «загадка булатного узора»

3. http://www.ph4s.ru/book_metalloved

Размещено на Allbest.ru