Металлове́дение, наука о строении и свойствах материалов на основе металлов (металлических сплавов); раздел материаловедения. Основные задачи металловедения – создание металлических материалов с заданными свойствами и технологий их получения. Требования металловедения к структуре и чистоте сплавов определяют пути развития современной металлургии.

В середине 19 в. для изучения структуры металлов и сплавов металлурги начали применять микроскоп, что поспособствовало возникновению металлографии (впоследствии – раздела металловедения).

В 1868 г. Д. К. Чернов установил зависимости структуры и свойств стали от её механической и термической обработки, что впоследствии определило становление металловедения как науки, основанной на законах термодинамики, физической химии, физики и химии твёрдого тела.

В 1-й трети 20 в. открыты фазовые и структурные превращения в твёрдом состоянии [Н. С. Курнаков, У. Ч. Робертс-Остен (Великобритания), Э. Бейн (США)], изучены процессы кристаллизации [Г. Тамман (Германия)], систематизированы связи «состав – свойства» сплавов [Н. А. Минкевич, Э. Гудремон (Германия), А. А. Бочвар, Г. Закс (Германия), У. Юм-Розери (Великобритания)], обнаружено существование кристаллической решётки (М. Лауэ) и её дефектов (Я. И. Френкель), выявлены атомные механизмы фазовых превращений [Г. В. Курдюмов, А. Гинье (Франция)] и явлений пластичной деформации [Э. Орован (Великобритания)], установлены закономерности упрочнения металлических материалов [А. Ф. Иоффе, Н. Н. Давиденков, С. Т. Конобеевский, Э. Шмид (Австрия), В. Боас (Швейцария)] и др.

Металловедение исследует структуру металлов и их сплавов, состоящую из зёрен (кристаллов неправильной формы). Внутри зёрен могут быть частицы иных фаз (например, структура белого чугуна может быть представлена зёрнами аустенита с вкраплениями фазы цементита). Микроструктуру (в масштабах 100–0,1 мкм) и наноструктуру (100–0,1 нм) образуют зёрна и частицы разных размеров, формы и ориентации; их неоднородность в масштабах 1000–0,1 мм – макроструктура. Каждый тип зёрен или частиц составляет термодинамическую фазу, имеющую свой химического состав, свою кристаллическую решётку. В сплавах существуют фазы со структурой металла, интерметаллида или соединения металл – неметалл (бориды, карбиды, оксиды, нитриды, гидриды, сульфиды). Металл может включать некоторое количество иных элементов в свою кристаллическую решётку, образуя твёрдый раствор замещения (в котором примесный атом замещает атом растворителя) или внедрения (примесь занимает междоузлия решётки). Диаграммы состояния описывают температурную зависимость фазовых превращений от состава сплава. Кинетику превращений изучают по зависимостям «температура – время – количество новой фазы».

Структурные превращения при неизменном фазовом составе меняют строение, размеры, форму зёрен (рекристаллизация) и частиц (коалесценция). Пластичная деформация (скольжением, двойникованием и перемещениями в границах зёрен) осуществляется движением дислокаций с упрочнением за счёт их размножения, а рекристаллизация – за счёт их уничтожения.

Для наблюдения и изучения структур с размером элементов более 1 мкм применяют световые микроскопы. Для структур размером от 1 нм – атомно-силовые, туннельные, электронные микроскопы, а также ионные проекторы. Фрактография (макро- и микроскопия поверхности излома) используется для анализа процессов разрушения и диагностики эксплуатационных повреждений и разрушений, технологических дефектов металла. Параметры решётки и объёмную долю фаз измеряют с помощью методов рентгенографии, характер связи в соединениях – мёссбауэровской спектроскопии и спектроскопии рассеяния нейтронов. Химический состав элементов структуры выявляют локальным спектральным анализом.

Металловедение изучает следующие свойства металлов и их сплавов:

• механические (твёрдость, упругость, сопротивление пластичной деформации и распространению трещин, хладноломкость, жаропрочность и др.);

• физические (электрические, магнитные, тепловые);

• химические (способность к окислению, приводящая к формированию поверхностных плёнок, возникновению коррозионных микродефектов и др.);

• технологические;

• эксплуатационные.

Для изменения структуры и свойств сплавов в нужном направлении применяют термическую обработку. Превращения в циклах «нагрев – выдержка – охлаждение» при закалке, отпуске, отжиге и других воздействиях создают в сплаве необходимую конечную структуру. Для каждого конкретного изделия размерами от 10 мкм (фольга, проволока) и до 10–40 м (корпуса реакторов, роторы генераторов, гребные валы супертанкеров) режимы термической обработки проектируют на основе законов теплопередачи и диаграмм превращений сплава. Термомеханическая обработка (сочетание нагревов и деформаций) изменяет структуру и свойства материала. Химико-термическая обработка изделий нагревом в газовой или жидкой среде создаёт в материале поверхностный слой глубиной 0,01–10 мм иного состава с особыми свойствами (твёрдый или особо мягкий, антифрикционный, износостойкий, коррозионно-стойкий и т. п.).

Технологические свойства сплавов характеризуются совокупностью литейных свойств (для изготовления отливок), способностью к обрабатываемости давлением (ковкой, экструзией, горячей и холодной прокаткой, штамповкой, волочением), свариваемости, обрабатываемости резанием. На разных стадиях изготовления металлического материала (для обеспечения заданного состава и не менее 10 нормируемых показателей свойств и структуры) необходимо поддерживать около 100 параметров технологии. По всей технологической цепочке обосновываются нормы контроля, выявляются причины сбоев и потерь. Исходя из заданных долговечности, надёжности и безотказности металлического изделия нормируется потеря несущей способности, допустимая за время жизни конструкции.

Металловедение изучает изменения эксплуатационных свойств, проводит диагностику состояния материала (и причин его разрушения) при испытаниях и эксплуатации конструкции. Для мониторинга конструкций и сооружений используются дефектоскопия, тензометрия, видеозапись полей напряжений, перемещений и температур, виброчастотный анализ, течеискание, статические и гидравлические испытания. Прогнозируя развитие докритических повреждений, металловедение обосновывает принятие решений об остаточном ресурсе, продлении эксплуатации или объёмах ремонта.

Помимо металлических сплавов, к объектам металловедения также относятся композиционные материалы на основе металл – металл (например, армированные проволокой отливки, биметаллические листы), металл – карбид (твёрдые сплавы типа ${WC–Co}$) и металл – оксид (${Mo–SiO_2}$; ${Cu–Al_2O_3}$). Впоследствии методы металловедения распространились на создание композитов с неметаллами (магний – углеродное волокно, вольфрам – нитевидные кристаллы сапфира, металлическая фольга – стекловолокно), а также металлических материалов, форма или свойства которых изменяются под действием задаваемого силового, теплового, светового или магнитного полей (см. Интеллектуальные материалы, Функционально-градиентные материалы).