Кафедра металловедения и термической обработки металлов (первоначальное название кафедры) была организована в 1925 г. известным уральским металлургом Сергеем Самойловичем Штейнбергом (1872-1940 гг.), впоследствии членом-корреспондентом АН СССР. Кафедра была одной из первых в стране металловедческих кафедр, создание и развитие которой обусловлено становлением и ростом промышленности Урала и Сибири. Обладая широкой эрудицией металлурга, большой склонностью и любовью к исследовательской работе, Сергей Самойлович сплотил вокруг себя единый коллектив сотрудников и студентов. Благодаря работе этого небольшого вначале коллектива кафедра превратилась в центр металловедческих исследований на Урале. Основной заслугой кафедры было создание перспективного научного направления исследований по изучению кинетики превращений переохлажденного аустенита, которое привело к решению ряда принципиальных вопросов теории закалки стали.
В результате, к концу 1930-х гг. под руководством С.С. Штейнберга сформировалась Уральская школа металловедов, которая остается до сих пор одной из ведущих в России. В этот период уже активно работали Виссарион Дмитриевич Садовский, Иван Николаевич Богачев, Константин Александрович Малышев, Александр Артемьевич Попов, Михаил Максимович Штейнберг, Константин Никандрович Соколов с именами которых связаны многие достижения науки о металлах. Деятельность кафедры в военный период характеризовалась сочетанием учебной работы с исследованиями для нужд обороны страны и помощью в перестройке уральской промышленности на военный лад.
В 1957 г. при кафедре организована проблемная лаборатории металловедения, научным направлением которой являлось изучение механизма разрушения металлической поверхности, находящейся в динамическом контакте с различными средами. В 1959 г. начата подготовка студентов по специальности «Физика металлов» и кафедра была разделена на две: общеинженерную – металловедения (зав. кафедрой профессор В.Я. Зубов) и выпускающую – термообработки и физики металлов (зав. кафедрой И.Н. Богачев). Заслуженный деятель науки и техники, лауреат Государственной премии, профессор, доктор технических наук. И.Н Богачев возглавлял кафедру термообработки и физики металлов 26 лет – с 1944 г. по 1970 г. Им было создано новое научное направление – кавитационное и контактное разрушение металлов и сплавов.
В 1970 г. заведующим кафедрой стал М.И. Гольдштейн, доктор технических наук, профессор, лауреат Государственной премии, который руководил подразделением до 1991 г. В этот период активно велись работы по изучению процессов упрочнения металлов и сплавов методами термической и деформационной обработки, кинетики фазовых превращений в сплавах на основе титана, железа и алюминия, по анализу процессов выделения вторых фаз: карбидов, нитридов, интерметаллидов и т. д., разработке различных способов поверхностного упрочнения и защиты.
С 1991 г. кафедру возглавляет А.А. Попов, доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ.
Кафедра активно ведет исследования по разработке новых материалов на базе титана, никеля, железа и технологий их обработки для авиационной и автомобильной промышленности, различных отраслей машиностроения, нефтегазовой отрасли, медицины и т. д.
С 1995 г. ведется подготовка бакалавров, инженеров и магистров по направлению «Материаловедение и технология новых материалов». Подготовка выпускников настолько широка, что они находят себя не только в научной или производственной работе, но и в административной, управленческой деятельности. Кафедра гордится своими выпускниками, среди которых мэр г. Екатеринбурга А.М. Чернецкий и председатель совета директоров «Трубной металлургической компании» Д.А. Пумпянский.
За годы существования кафедрой подготовлено свыше 4 000 инженеров, бакалавров и магистров, около 90 докторов наук и более 450 кандидатов наук.
Кафедра готовит бакалавров и магистров (4 и 2 года соответственно) по направлениям 150100 «Металлургия» (профиль 150105 «Металловедение и термическая обработка металлов»), 150600 «Материаловедение, технологии материалов и покрытий» (профиль 150601 «Материаловедение и технология новых материалов», а также инженеров по специальности 150702 «Физика металлов со сроком обучения» (обучение в течение 5,5 лет). Студенты «Экономика и управление на предприятии», «Переводчик технического инженерного профиля» и др. Спрос на инженеров – выпускников кафедры постоянно растет, особенно на предприятиях металлургического и машиностроительного комплекса таких, как ОАО «Трубная металлургическая компания», ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА», ОАО «УГМК-Холдинг» и др. При выполнении лабораторных работ, курсовых, дипломных проектов и особенно исследовательских работ, студенты широко используют современные информационные технологии и научно-исследовательские приборы мирового уровня. Студенты и аспиранты, активно занимающиеся научной работой, получают стипендии и гранты российских и зарубежных фондов и фирм, продолжают научно-образовательную деятельность в известных зарубежных университетах и научных центрах Западной Европы и Восточной Азии.
Основным научным направлением деятельности кафедры является разработка принципов и методов объемного и поверхностного упрочнения сплавов на металлической основе (Fe, Ti, Ni, Cu, Al и др.) для обеспечения необходимого комплекса служебных свойств. Кафедра активно ведет работу по созданию новых высокоэффективных материалов и технологий их обработки для космической, авиационной и автомобильной промышленностей, различных отраслей машиностроения, медицины и т. д. Налажено тесное сотрудничество с коллегами из США, Франции, Германии, Бельгии, Израиля и других стран. Кафедра постоянно участвует в международных проектах МНТЦ, CRDF.
По оснащенности современным научно-исследовательским оборудованием и программным обеспечением в области материаловедения, презентационным оборудованием для проведения учебных занятий кафедра занимает одно из первых мест в России. Общая стоимость оборудования превышает 100 миллионов рублей, в его состав входят новейшие приборы (2007-2008 года выпуска) для структурного анализа (просвечивающий электронный микроскоп JEM 2100 с приставкой для микроанализа Oxford Inca, растровый электронный микроскоп JSM 6490 с приставками Oxford Inca и EBSD HKL, рентгеновский дифрактометр Bruker D8 Advance с текстурной приставкой и высокотемпературной печью), механических испытаний (испытательная машина Instron 3382 для определения механических свойств при комнатной и повышенных температурах), уникальный комплекс для изучения теплофизических свойств, в который входят прибор синхронного термического анализа STA 449C, высокоскоростной дилатометр L78 RITA (оба прибора работают до температуры 1 600°С), приборы динамического механического анализа DMA 242 C и определения температуропроводности методом лазерной вспышки LFA 457 и другие.
Кафедра активно занимается инновационной деятельностью и является ведущим подразделением в научно-образовательном центре «Новые металлсодержащие материалы и технологии в металлургии», созданном при выполнении инновационной образовательной программы (ИОП) в ГОУ ВПО УГТУ-УПИ в рамках национального проекта «Образование».
В рамках ИОП на кафедре создана и реализуется многоуровневая система подготовки кадров, обладающих необходимыми компетенциями для инновационного развития в научной, производственной деятельности в сфере металлургии и материаловедения. Осуществлен ряд мероприятий (разработка учебных планов по ГОСам 3-го поколения, современных учебно-методических комплексов), обеспечивающих инновационные изменения системы подготовки кадров, научных исследований и инновационных разработок в области создания новых металлсодержащих материалов и технологий их производства. Сформирован комплекс профессиональных компетенций бакалавров и магистров по направлениям «Металлургия», «Материаловедение и технологии материалов» в области перспективных материалов на металлической основе. Создается материально-техническая инфраструктура образовательного, научного и инновационного процессов. На кафедре работает 37 преподавателей (включая совместителей), в том числе 10 докторов наук, 25 кандидатов наук, среди них один академик РАН, два заслуженных деятеля науки РФ, три лауреата государственных премий в области науки, пять почетных работников ВПО РФ, пять почетных выпускников УГТУ-УПИ, пять членов Российских общественно-профессиональных и международных академий, в составе кафедры один лауреат премии П.П. Аносова в области металловедения, три лауреата премии В.Е. Грум-Гржимайло в области металлургии, по два лауреата премий имени В.Я. Климова и П.А. Соловьева в области авиации и космонавтики.
В настоящее время на кафедре обучается 333 бакалавра, студента и магистранта. Активно ведется работа по развитию научных исследований для нужд промышленности и академической науки, организованы тесные контакты в этом направлении с предприятиями-партнерами: ООО «ВИЗ-Сталь», ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА», ОАО «СТЗ», ТМК и др., академическими институтами УрО РАН (ИФМ, ИМЕТ), зарубежными организациями (Институт металлофизики НАНУ (Украина), Гентский университет (Бельгия), Лос-Аламосская лаборатория (США) и др.