CC BY
285
Сообщения
Вестник ДВО РАН. 2004. № 5
А. Д.ВЕРХОТУРОВ
Материалогия
Дан анализ известных определений металловедения и материаловедения. Показано, что на современном этапе развития наук о материалах основные задачи материаловедения, вытекающие из его определения, не могут решить насущных проблем практики. Предлагается новое определение науки на основе практической идеи развития науки о материалах — материалогия. Основной целью материало-гии является разработка принципов создания, получения и обработки материалов с заданными свойствами. При этом круг рассматриваемых проблем простирается от минерального сырья до готовой продукции.
Materialogy. A.D. VERKHOTUROV (Institute for Material Studies, FEB RAS, Khabarovsk).
The well-known definitions of the physical metallurgy and science of materials have been analyzed. It has been shown that at current stage of the material science development the basic problems of science of materials cannot settle the vital practical issues. Evolving the practice idea of the material science development, the author proposes new definition of the science «materialogy». The main purpose of materialogy is working out the principles of creation, production and processing of materials with predetermined properties. The area of problems studied ranges from mineral row material to finished product.
В середине ХХ в. в СССР появилась новая фундаментальная наука -материаловедение, т. е. дословно - знание о материалах. Это событие прошло практически незаметно, хотя, по нашему мнению, являлось важной вехой в становлении науки о материалах и новым этапом в развитии технологических возможностей человека. В отечественной литературе не имеется систематических сведений о становлении материаловедения, его основополагающих идеях и парадигмах. Тем не менее в ряде основательных монографий показаны итоги развития неорганического и физического материаловедения в СССР в 1983-1986 гг. [14, 26]. В этих трудах, вышедших под редакцией выдающихся материаловедов И.Н.Францевича и В.И.Трефилова и посвященных памяти Г.В. Самсонова, говорится преимущественно о металловедении, но уже просматриваются новые идеи и положения, которые не укладываются в рамки общепринятого определения материаловедения (металловедения).
Практически одновременно с появлением материаловедения в СССР подобная наука появилась и в Германии - Werkstoff Kunde (знание о материале), т. е. то же, что и материаловедение. В англоязычной научной литературе также возникло описание подобной науки - science of materials, но с другим смысловым значением -наука о материалах. Это наименование науки принципиально отличается от вышеприведенных и охватывает большой круг проблем, связанных с материалами.
ВЕРХОТУРОВ Анатолий Демьянович - доктор технических наук (Институт материаловедения ДВО РАН, Хабаровск).
На наш взгляд, такое широкое определение новой науки не объясняет, чем она отличается от науки о материалах, возникшей в глубокой древности [12, 21].
Следовательно, в литературе не имеется однозначного, обоснованного определения науки о материалах. Вопрос о терминологической определенности имеет большое научное и практическое значение.
Известный материаловед С. Смит справедливо заметил, что правильный подход к бурному развитию материаловедения может оказаться более важным, чем создание нового материала [21]. По нашему мнению, правильный подход к науке о материалах является «более важным» именно для создания материалов с заданными свойствами.
В связи с вышеизложенным сразу же возникает ряд естественных вопросов:
1. Равнозначны ли понятия «материаловедение» и «наука о материалах»?
2. Существовала ли наука о материалах до середины ХХ в., т. е. до появления материаловедения?
3. Каковы истоки, задачи и парадигмы указанных наук?
4. Существует ли обобщенное понятие науки «материаловедение» и «науки о материалах»?
Ответы на эти вопросы необходимо искать, на наш взгляд, в истории развития науки о материи, веществе и материале. Следует отметить, что значимость исторического подхода к изучению различных наук особенно подчеркивал С.И.Вавилов [6]. В этой связи необходимо отметить, что С.Смит [21] утверждает, что наука о материалах такая же древняя, «как и философия, как и сама наука». Аналогичное утверждение можно встретить и в работе Р.Ф.Мейла [12]. В таком случае непонятно, как наука о материалах (science of materials) снова стала самостоятельной научной и педагогической дисциплиной в середине ХХ в. [23], если она существовала издревле. В связи с этим для понимания данного противоречия также необходимо рассмотреть истоки науки о материалах, ее задачах и путях развития.
Можно утверждать, что еще в глубокой древности в области науки о материалах появились две основополагающие идеи - познавательная и практическая [7], которые до XVII-XVIII вв. развивались совершенно независимо друг от друга. Если познавательная идея разрабатывалась в трудах философов, затем химиков и физиков, то практическая идея (создание искусственных материалов) двигалась на протяжении многих веков эмпириками (в ряде случаев - гениальными). Практическая идея имела более долгий инкубационный период вплоть до XVIII-XIX вв. и реализовывалась в основном усилиями металлургов. Однако постепенно металлурги начали впитывать и внедрять достижения познавательной идеи.
Известно, что история человеческого общества начиная с древности и до настоящего времени условно подразделяется на каменный, бронзовый и железный века (эпохи), названные по преимущественному использованию того или иного материала в орудиях труда. Превалирующее влияние на получение металлических материалов в пределах бронзового и железного веков оказали достижения металлургии, полученные на основании в большей степени эмпирического опыта. Потребности металлургии подталкивали развитие химии, которая, в свою очередь, способствовала прогрессу металлургии.
Следует отметить, что с древнейших времен и до XVIII-XIX вв. металлург был одновременно и горняком, и обогатителем, и химиком, и технологом по обработке материалов. Первым обобщением эмпирического опыта по получению металлов стал фундаментальный труд Агриколы «О металлах», изданный в 1665 г. (рис. 1).
Агрикола Соболевский Аносов Сорби Чернов Розенбаум Лауэ Гук
Ь---------1----X------1----1----1-----1—X------------------------------X-X--------- —-
1665 1827 1831 1841 1868 1900 1912-1920 -1950 -2000 Годы
Инкубационный МЕТАЛЛОГРАФИЯ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ МАТЕРИАЛОГИЯ
период (практическая металлургия)
Рис. 1. Развитие науки о материалах (в пределах практической идеи)
Последний железный век стал веком массового производства стали и чугуна, что явилось фундаментом научно-технической революции Х1Х-ХХ вв.
Считается преувеличением говорить, что массовое производство сотен марок чугунов, сталей, а также других металлических материалов стало возможным благодаря достижениям только фундаментальной науки. Однако уже в ХУШ-ХХХ вв. становится очевидным, что дальнейший прогресс в области создания новых материалов невозможен без поддержки со стороны фундаментальной науки. Кроме того, результаты исследований науки о материалах особенно требовались потребителям материалов (сведения о товаре), а также производителям для возможности улучшения эксплуатационных свойств материалов. Для потребителей металлов были важны прежде всего физико-химические и эксплуатационные свойства: твердость, прочность, ударная вязкость, износостойкость, коррозионная стойкость и т. д. Производителей же металлических материалов интересовала еще и взаимосвязь их состава, структуры и свойств при различного рода воздействиях на металлы (механических, тепловых, электрических и т. д.) для улучшения свойств металлов.
Еще в глубокой древности покупатели оценивали качество стали, например, по режущим свойствам, излому, по определенным узорам на поверхности (дамасская сталь). Эти данные были первыми сведениями, необходимыми для создания сплавов с более высоким уровнем свойств. Однако научно обоснованные испытания материалов начались после определенного развития самой механики и изучения механических свойств предположительно с 1850 г. [8]. Издревле металлурги интуитивно осознавали, что свойства металлических сплавов зависят не только от химического состава, но и в значительной степени от микро- и макроструктуры. В связи с этим уже с ХУЛ в. предпринимаются попытки исследовать и описать структуру металлов с помощью увеличительных стекол и оптических микроскопов.
Следует отметить, что первые исследования в этом направлении предпринял известный ученый Р.Гук [4], написавший также монографию «Микрография». Таким образом, можно считать, что инкубационный период в развитии практической идеи закончился в 1665 г., когда был опубликован фундаментальный труд Агриколы «О металлах» и стали использоваться микроскопы для исследования материалов. Этот период и можно считать началом подлинной науки о металлах, ее использования в металлургии (рис. 1). Однако зарождение металлографии - науки о мак-ро- и микроструктуре металлов и сплавов - произошло после опубликования работ П.П.Аносова (1831 г.) и Г. Сорби (1841 г.) и [12].
Серьезным вкладом в развитие металлургии и науки о материалах явилось изобретение П.Г. Соболевским метода порошковой металлургии (рис. 1).
Важным этапом науки о материалах в пределах практической идеи стало открытие и разработка Розенбаумом (1900 г.) диаграммы «железо-углерод». Также значительную роль в изучении состава и структуры металлов и сплавов сыграло открытие М.Лауэ (1912 г.) явления дифракции рентгеновских лучей на кристаллах. В связи с этим расширились возможности наблюдения микроструктуры, что позволило изучать атомную, кристаллическую и электронную структуры.
Все это способствовало тому, что металлография стала (1920 г.) частью более обширной науки, которую в СССР назвали металловедением, а в Германии -MetallKunde. Дословно MetallKunde можно перевести и как «товароведение», и тогда мы имеем дело с отраслью знаний о товаре как предмете торговли, его свойствах, сортах, потребительском значении [11, 13, 16]. Следовательно, в Германии слово MetallKunde аналогично слову «металловедение» и предполагает знания о металлах, его сортности. В таком случае можно согласиться с авторами работы [3], что металловедение - это прикладная наука, которая развивалась в соответствии с практической идеей.
В англоязычной литературе наука о металлах имеет несколько иной смысл: metallurgy - металлургия, металловедение, либо metallurgical science, либо metallurgy adapting, либо science of metals [5, 19]. Физическое металловедение - physical metallurgy - также связано с металлургией [25, 27, 30-37]. Таким образом, в англоязычной литературе название науки о металлах имеет явное отношение к их производству - металлургии, т. е. связано с развитием практической идеи.
В связи с тем что металлургия включает в себя процессы получения металлов из руд и других материалов, а также процессы изменения химического состава, структуры и свойств металлических сплавов, требовалось использование достижений химии, в частности химии твердого тела.
Однако для решения основной задачи металловедения - исследования и установления взаимосвязей «состав-структура-свойства» - необходимы были достижения прежде всего физики твердого тела, которая развивалась в русле познавательной идеи. Так появилась наука - металлофизика, которая стала базовой для металловедения [29].
Оформившись в самостоятельную науку к 1920 г., металловедение в значительной мере утратило связь с металлургией и разделами химии, занимающимися процессами получения металлов из минерального сырья. На такое неправильное положение вещей справедливо указал Е.М.Савицкий: «Металловед обязан интересоваться всей цепочкой переработки минералов и соединений, получения металла, начиная от руды и кончая готовой конструкцией...» [20].
Из определения металловедения следует, что перед ним не ставилось прямой задачи создания новых материалов, так как основным материалом в течение многих столетий были железоуглеродистые сплавы, и на практике основной проблемой был выбор необходимого сплава среди множества выплавленных металлургами.
Но уже в начале прошлого века стали широко использоваться в качестве материалов элементы практически всей Периодической системы и сплавы на их основе, а также пластмассы, керамика, полупроводники и т. д. Оказалось, что основных положений металловедения и металлофизики недостаточно. Кроме того, все отчетливее начала оформляться основная задача металловедения - создание новых материалов с заданными свойствами [29].
В связи с этим, как уже указывалось, в середине прошлого века возникает новая наука - материаловедение (рис. 1), включающая металловедение как составную свою часть. Однако с появлением и становлением материаловедения ничего принципиально нового в науку о материалах не было привнесено. По образному выражению Ч.В.Копецкого, это то же металловедение: «Всего 30-40 лет назад понятие “материаловедение” практически означало “металловедение”» [10]. Р. А. Андриевский также отмечал [1, 2], что термины «металл», «металловедение», «металлургия» за рубежом, и в частности в Великобритании, где особенно сильны традиции физического металловедения, практически исчезли из наименований многих кафедр, институтов и журналов, уступив место более общим понятиям, таким как «материал»,
Рис. 2. Основные разделы материалогии
«материаловедение» и «технология материалов». На практике в большинстве случаев дело закончилось тем, что в учебники по металловедению включили раздел по неметаллическим материалам и все это назвали материаловедением.
Новую науку в СССР и Гер -мании назвали материаловедением, всего лишь заменив слово «металл» на «материал» (Шв^О/Кипёв, ЩегкяО/- материал). В отечественных учебниках, справочниках, энциклопедиях определение материаловедения аналогично металловедению, только слово «металл» заменено на слово «материал» [3]: «установление взаимосвязи состава, структуры и свойств металлов (материалов) при различного рода воздействиях на них».
Следовательно, ни металловедение, ни материаловедение не решают проблему выбора и создания материалов с заданными свойствами, хотя среди материаловедов интуитивно созревала идея, что задачей материаловедения должна быть именно теория и практика создания материалов с заданными свойствами [14, 29]. Однако подобные попытки [6] не имеют успеха.
В связи с вышеизложенным можно сделать вывод, что возникла потребность в становлении новой науки о материалах, основной задачей которой было бы получение материалов с заданными свойствами. Эта наука должна объединить достижения познавательной и практической идей и включить в себя материаловедение как составную часть.
Недовольство нынешним состоянием материаловедения в полной мере выразил П. А.Ребиндер [18], который был сторонником создания «активного» материаловедения. Он отмечал, что новое «активное» направление науки о материалах призвано, очевидно, заменить противоречащее всем нашим представлениям о науке направление, носившее явно устаревшее название «материаловедение». При этом он утверждал, что основой «активного» материаловедения должна быть физико-химическая механика материалов, которая основана на «применении данных и методов молекулярной физики, физики твердого тела, механики материалов, а также технологии». Он утверждал, что «материаловедение или товароведение описывает материалы, соответствующие эмпирически выработанным требованиям, необходимым для выполнения той или иной задачи. Проблема улучшения материалов и получения оптимальных свойств в материаловедении не ставилась...»
На наш взгляд, материаловедение не надо заменять или приписывать ему новые задачи, так как оно является определенным разделом более общей науки о материалах - материалогии (рис. 1). Эта наука должна быть нацелена на создание новых материалов с заданными свойствами. Кроме достижений познавательной идеи, т. е. физики и химии твердого тела, она должна включать также результаты практической идеи - современной металлургии и технологии материалов (рис. 2).
Уже сейчас авторы многочисленных учебников по материаловедению включают в их состав краткие разделы по физике и химии твердого тела, механике, металлургии и технологии обработки материалов. Иногда выпускаются комбинированные учебники, оперирующие такими понятиями, как «материаловедение и технология конструкционных материалов» [9, 22, 24], «материаловедение и конструкционные материалы» [17], «металловедение и термообработка металлов» [15].
Следует отметить, что при одинаковом смысловом значении определения science of materials и «материалогия» существенно различаются. Science of materials - наука, которая занимается разработкой и теоретической систематизацией знаний о материале, а «материалогия» - наука, целью которой является разработка принципов выбора, создания и получения материалов с заданными свойствами.
Физика и химия оплодотворяли практическую идею начиная с «инкубационного периода». Но в пределах этих двух идей созревает новое направление, связанное с созданием материалов с заданными свойствами, - парадигмы Д.И.Менделее-ва, Н.С.Курнакова, И.В.Тананаева, Г.В.Самсонова [7].
Таким образом, наука о материалах существовала с древнейших времен и была, по существу, «созерцательной», т. е. ее целью было познание природы материи, как неорганических веществ, так и органических. Следует отметить, что в процессе развития этой идеи были сделаны попытки получения одних элементов из других, которые окончились неудачно (например, получение золота из других элементов), но послужили одной из причин ускоренного прогресса химии и металлургии. Интуитивно человек был нацелен не только на познание сущности вещества, но и на создание новых материалов. Однако практическая идея оформилась гораздо позднее - получение материалов с заданными свойствами. Она оформилась, конечно, под влиянием познавательной идеи. Однако нужды современной науки и техники потребовали создания новой науки о материалах. Стержнем новой науки является практическая идея - принципы выбора и создания новых материалов с заданными свойствами. Мы предполагаем назвать новую науку «материалогия».
Ее предметом должна стать не только металлургия, но и химические технологии получения органических материалов, фундаментом - физика и химия твердого тела, а также минералогия.
В.И.Фистуль совершенно справедливо отмечал, что в преподавании материа-ловедческих дисциплин совершенно нецелесообразно и вредно раздельное преподавание физики и химии [28]. Он утверждал, что базовым должен быть учебник по физике и химии твердого тела, и такой учебник он создал. Необходимым разделом материалогии (кроме материаловедения) должен быть раздел по технологии материалов. Только в этом случае мы будем иметь целостное, всестороннее знание о разработке, получении, обработке и применении материалов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Андриевский Р.А. Материаловедение в университетах Великобритании. Пермь: Изд-во РИТЦ по-рошк. металлургии, 1997. 24 с.
2. Андриевский РА., Самсонов Г.В. Современное материаловедение // Порошковая металлургия. 1998. № 1-2. С. 7-11.
3. Арзамасов Б.Н., Сидорин И.И., Косолапов Г.Ф. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1986. 384 с.
4. Боголюбов А.Н. Роберт Гук. М.: Наука, 1984. 240 с.
5. Большой англо-русский политехнический словарь. Т. 2 / С.М. Баринов, А.Б. Барковский, В. А.Вла-димиров и др. М.: Рус. яз., 1991. 720 с.
6. Верхотуров А.Д. О значении слова «материаловедение» (металловедение) // Металловедение и термическая обработка металлов. 1997. № 2. С. 37-39.
7. Верхотуров А.Д. Основные идеи и парадигмы развития материаловедения // Химическая технология. 2001. № 8. С. 2-9.
8. Дорфман Я. Г. Всемирная история физики с начала XIX в. до середины ХХ в. М.: Наука, 1979. 317 с.
9. Жадан В.Т., Полухин П.И., Нестеров А.Ф. и др. Материаловедение и технология материалов. М.: Металлургия, 1994. 624 с.
10. Копецкий Ч.В. Предисловие // Научные основы материаловедения / Под ред. Ч.В.Копецкого. М.: Наука, 1981. С. 5-6.
11. Липшиц О.Д., Лоховиц А.Б. Краткий немецко-русский и русско-немецкий словарь. 20-е изд. М.: Рус. яз., 1976. 615 с.
12. Мейл РФ. История развития физического материаловедения // Физическое материаловедение. М.: Металлургия, 1987. С. 11-50.
13. Немецко-русский металлургический словарь. М.: Сов. энцикл., 1967. 780 с.
14. Неорганическое материаловедение в СССР / Под ред. И.Н.Францевича. Киев: Наук. думка, 1983. 720 с.
15. Новиков И.И., Строганов Г.Б., Новиков А.И. Металловедение, термообработка и рентгенография. М.: МИСИС, 1994. 480 с.
16. Панкин А.В. Немецко-русский политехнический словарь. М.: РУССО, 1996. 568 с.
17. Пинчук А.С., Струк В.А., Мышкин Н.К. и др. Материаловедение и конструкционные материалы. Минск: Вышэйш. шк., 1989. 461 с.
18. Ребиндер П.А. Развитие физико-химической механики материалов как новой пограничной области знания // Новые материалы в технике и науке. М.: Наука, 1981. С. 17-37.
19. Русско-английский словарь / Под ред. проф. А.И.Смирницкого. 8-е изд. М.: Сов. энцикл., 1969. 768 с.
20. Савицкий Е.М. Перспективы развития металловедения. М.: Наука, 1972. 128 с.
21. Смит С.С. Материалы // Современные материалы. М.: Мир, 1970. С. 90-120.
22. Солнцев Ю.П., Веселов В.А., Демьянцекевич В.П. и др. Материаловедение и технология конструкционных материалов. М.: МИСИС, 1996. 576 с.
23. Третьяков Ю.Д. Рецензия на книгу Р. В. Кана «Становление науки о материалах» // Физика и химия обработки материалов. 2002. № 5. С. 92-93.
24. Фетисов Г.П., Карпман М.Г., Матюнин В.М. и др. Материаловедение и технология металлов. М.: Высш. шк., 2001. 638 с.
25. Физическое материаловедение / Под ред. Р.Кана. В 3-х т. М.: Мир, 1968. 1307 с.
26. Физическое материаловедение в СССР: История, современное состояние, перспективы развития / Ответ. ред. В.И.Трефилов, И. Н. Францевич. Киев: Наук. думка, 1986. 584 с.
27. Физическое металловедение / Под ред. Р.В.Кана, П.Хаазена. В 3-х т. М.: Металлургия, 1987. 1810 с.
28. Фистуль В.И. Физика и химия твердого тела. М.: Металлургия, 1995. 480 с.
29. Францевич И.Н. Создание материалов с заданными свойствами // Неорганическое материаловедение в СССР. Киев: Наук. думка, 1983. С. 622-633.
30. Шмитт-Томас К.Г. Металловедение для машиностроения. Справ. / Под ред. В.А.Скуднова. М.: Металлургия, 1995. 512 с.
31. Юм-Розери В. Введение в физическое металловедение. М.: Металлургия, 1965. 266 с.
32. Cottrell A.H. Theoretical Structural Metallurgy. L.: Edvard Arnold (Publishers) LTD, 1956. 120 р.
33. Haasen P Physical Metallurgy. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1986. 217 р.
34. Hume-Rothery W. Atomic Theory for the Students of Metallurgy. L.: Inst. Metals, 1955. 280 р.
35. Hume-Rothery W. Elements of Structural Metallurgy. L.: Inst. Metals, 1961. 210 р.
36. Physical Metallurgy / Eds R.W.Cahn, P.Haasen. Amsterdam; Oxford; New York; Tokyo: North-Holland Physics Publ., 1983. 296 р.
37. Physical Metallurgy / Ed. R.W.Cahn. Amsterdam: Univ. Sussex, England: North-Holland Physics Publ., 1965. 323 p.
