Sơ lược về lịch sử phát triển của vật liệu kim loại

1. Quá khứ, hiện tại và tương lai của vật liệu kim loại

Giai đoạn 1 – Sản xuất thép thô

4300 TCN: Vàng tự nhiên, đồng, rèn và các nghề thủ công khác

2800 TCN: Luyện sắt

2000 TCN: Sự thịnh vượng của đồ đồng, chuông và vũ khí (Thương, Chu, Xuân Thu và Chiến Quốc)

Nhà Đông Hán: Rèn thép nhiều lần → quá trình xử lý nhiệt biến dạng nguyên thủy nhất

Công nghệ làm nguội: “tắm ngũ thú, dập mỡ ngũ thú” (làm nguội bằng nước, làm nguội bằng dầu hiện đại)

Thương Fuchai của Vua Wu và Thanh kiếm của Yue King Goujian

Đồng Dunhe Zunpan từ thời nhà Thương và nhà Chu

Tượng mặt người bằng đồng thời nhà Thương

Bản sao chuông từ Lăng mộ Leigudun số 2

Năm 1981, một bộ chuông chuông từ thời Chiến Quốc được khai quật từ Lăng mộ số 2 ở Leigudun, tỉnh Hồ Bắc, với nhịp điệu chính xác và âm sắc đẹp mắt. Số lượng và quy mô của nó chỉ đứng sau chuông của Zeng Houyi, với tổng phạm vi hơn năm quãng tám. Nó có thể tự điều chỉnh để phát nhiều loại nhạc khác nhau bao gồm các thang âm năm, sáu và bảy âm. Nó yêu cầu năm người phối hợp biểu diễn, với tất cả các giọng hát đồng thanh và bản giao hưởng được lặp lại. Nó xứng đáng là kiệt tác của âm nhạc cổ xưa.

Giai đoạn thứ hai - nền tảng của kỷ luật vật liệu kim loại

Đặt nền tảng cho các ngành vật liệu kim loại: luyện kim, luyện kim, chuyển pha và thép hợp kim, v.v.

1803: Dalton đề xuất lý thuyết nguyên tử và Avogadro đề xuất lý thuyết phân tử.

1830: Hessel đề xuất 32 loại tinh thể và phổ biến chỉ số tinh thể.

1891: Các nhà khoa học Nga, Đức, Anh và các nước khác đã độc lập sáng tạo ra lý thuyết cấu trúc mạng tinh thể.

1864: Sorby chuẩn bị bức ảnh kim loại đầu tiên, 9 lần, nhưng có ý nghĩa quan trọng.

1827: Karsten đã tách được Fe3C ra khỏi thép, và năm 1888 Abel đã chứng minh được đó là Fe3C.

1861: Ochernov đề xuất khái niệm nhiệt độ chuyển tiếp tới hạn của thép.

Cuối thế kỷ 19: Nghiên cứu về Martensite đã trở thành mốt, Gibbs đạt được định luật pha, Robert-Austen phát hiện ra tính chất dung dịch rắn của austenite, và Roozeboom thiết lập sơ đồ cân bằng của hệ Fe-Fe3C.

Giai đoạn thứ ba - sự phát triển vượt bậc của lý thuyết tổ chức vi mô

Sơ đồ pha hợp kim, phát minh và ứng dụng tia X, xây dựng lý thuyết trật khớp.

1912: Tia X được phát hiện, khẳng định (δ)-Fe là bcc và -Fe là fcc; định luật dung dịch rắn.

1931: Khám phá vai trò của các nguyên tố hợp kim trong việc mở rộng và thu hẹp vùng.

1934: Polanyi của Nga, Orowan của Hungary và Taylor của Anh, mỗi người độc lập đề xuất lý thuyết trật khớp để giải thích biến dạng dẻo của thép; tinh thể học của sự biến đổi martensitic.

1938: Kính hiển vi điện tử được phát minh.

1910: Thép không gỉ được phát minh, thép không gỉ F được phát minh vào năm 1912, v.v.

1990: Phát minh ra máy đo độ cứng Brinell, Griffith đề xuất rằng sự tập trung ứng suất có thể dẫn đến các vết nứt nhỏ.

Giai đoạn 4 - nghiên cứu chuyên sâu về lý thuyết vi mô

Nghiên cứu chuyên sâu về lý thuyết vi mô: nghiên cứu về khuếch tán nguyên tử và bản chất của nó; xác định đường cong TTT của thép; lý thuyết biến đổi bainite và martensite đã hình thành nên một lý thuyết tương đối hoàn chỉnh.

Thiết lập lý thuyết sai lệch: Việc phát minh ra kính hiển vi điện tử đã dẫn đến việc quan sát sự kết tủa của pha thứ hai trong thép và sự trượt lệch, đồng thời phát hiện ra các sai lệch không hoàn toàn, các đứt gãy xếp chồng, các bức tường bị lệch, các cấu trúc phụ, khối không khí Cottrell và các hiện tượng khác, và sự phát triển của lý thuyết trật khớp. Lý thuyết sai lầm.

Các thiết bị khoa học mới liên tục được phát minh: đầu dò điện tử, kính hiển vi phát xạ ion trường và điện tử trường, kính hiển vi điện tử truyền qua quét (STEM), kính hiển vi quét đường hầm (STM), kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), v.v.

2. Chất liệu kim loại hiện đại

Việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu kết cấu tiên tiến là một chủ đề muôn thuở.

Phát triển vật liệu kết cấu hiệu suất cao: từ việc theo đuổi độ bền cao, khả năng chịu nhiệt độ cao, chống ăn mòn và chống mài mòn đến giảm trọng lượng cơ học, cải thiện hiệu suất và kéo dài tuổi thọ sử dụng. Một loạt các ứng dụng từ vật liệu tổng hợp đến vật liệu kết cấu, chẳng hạn như vật liệu tổng hợp ma trận nhôm. Phát triển thép austenit nhiệt độ thấp cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau.

Chuyển đổi vật liệu kết cấu truyền thống: Cách quan trọng là làm cho kết cấu mịn hơn và đồng nhất hơn, vật liệu trở nên tinh khiết hơn và chú ý đến tay nghề thủ công. “Vật liệu thép thế hệ mới” bền gấp đôi vật liệu thép hiện có. Sự cố "9.11" ở Hoa Kỳ cho thấy khả năng chống chịu kém với sự làm mềm ở nhiệt độ cao của kết cấu thép dùng trong xây dựng, điều này đã thúc đẩy sự phát triển của thép cán nóng, chống cháy và chịu thời tiết cường độ cao.

Phát triển các loại thép hiệu suất cao khác: Sử dụng nhiều quy trình mới và phương pháp mới để tạo ra thép công cụ mới có độ bền và khả năng chống mài mòn tốt. Hợp kim kinh tế là hướng phát triển của thép tốc độ cao và việc phát triển các công nghệ xử lý bề mặt khác nhau cho vật liệu dụng cụ có ý nghĩa rất lớn trong việc phát triển vật liệu dụng cụ mới.

Công nghệ chuẩn bị tiên tiến: như công nghệ xử lý bán rắn kim loại, sự trưởng thành và ứng dụng công nghệ hợp kim nhôm-magie, các giới hạn kỹ thuật của thép hiện có và việc tăng cường và làm cứng thép là hướng nỗ lực.

3. Phát triển bền vững và xu hướng vật liệu kim loại

Năm 2004, "Ngành công nghiệp vật liệu trong một xã hội tuần hoàn - Sự phát triển bền vững của ngành vật liệu" đã được đề xuất.

Luyện kim vi sinh: sản xuất không có chất thải, đã được áp dụng ở quy mô công nghiệp ở nhiều nước. Hoa Kỳ sử dụng các phương pháp luyện kim vi sinh vật để sản xuất đồng, chiếm 10% tổng sản lượng và Nhật Bản trồng trọt nhân tạo ascidians để chiết xuất vanadi. Nước biển là một loại khoáng chất lỏng, lượng nguyên tố hợp kim có trong nước biển vượt quá 10 tỷ tấn. Các nguyên tố như magie và uranium hiện có thể được chiết xuất từ ​​nước biển. Khoảng 20% ​​lượng magie được sản xuất trên thế giới có nguồn gốc từ nước biển. Hoa Kỳ đã đáp ứng 80% nhu cầu của mình với loại magie này.

Công nghiệp vật liệu tái chế: Thích ứng với nhu cầu của thời đại, tích hợp nhận thức về sinh thái và môi trường vào thiết kế sản phẩm và quy trình sản xuất, cải thiện việc sử dụng vật liệu và giảm gánh nặng môi trường trong quá trình sản xuất và sử dụng. Phát triển ngành công nghiệp hình thành vòng tuần hoàn “tài nguyên → nguyên liệu → môi trường”.

Hướng phát triển hợp kim chủ đạo là ít hợp kim hóa và hợp kim đa năng để hình thành hệ thống vật liệu xanh/sinh thái, có lợi cho việc thu hồi và tái sử dụng vật liệu. Cần nghiên cứu phát triển các loại vật liệu xanh, vật liệu thân thiện với môi trường, gắn liền với đời sống con người.

4. Hợp kim titan được gọi là "kim loại vũ trụ" và "thép tương lai"

Hợp kim titan duy trì độ bền cao ở cả nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp, khả năng chống ăn mòn của chúng là vô song. Titan có nhiều trên trái đất (0,6%). Tuy nhiên, quá trình tinh chế rất phức tạp và tốn kém và khả năng ứng dụng rộng rãi của nó còn hạn chế. Hợp kim titan sẽ là một trong những vật liệu kim loại có những đóng góp quan trọng cho nhân loại trong thế kỷ 21.

5. Kim loại màu

Tài nguyên đang phải đối mặt với những vấn đề nghiêm trọng về phát triển không bền vững, chủ yếu là do tài nguyên bị thiệt hại nghiêm trọng, tỷ lệ sử dụng thấp và lãng phí đáng kinh ngạc. Công nghệ chế biến sâu còn lạc hậu, thiếu sản phẩm cao cấp; thành tựu đổi mới sáng tạo còn ít và mức độ công nghiệp hóa thành tựu công nghệ cao chưa cao. Sự phát triển của vật liệu kết cấu hiệu suất cao và phương pháp xử lý tiên tiến của chúng là xu hướng chủ đạo, chẳng hạn như hợp kim nhôm-lithium, hợp kim nhôm hóa rắn nhanh, v.v. Vật liệu chức năng kim loại màu cũng là hướng phát triển.