Тенденции и перспективы развития материаловедения
ВВЕДЕНИЕ
Современное материаловедение представляем собой науку, опирающуюся на совокупность знаний, полученных теоретическим и экспериментальным путем в следующих основных дисциплинах: химия, физика, механика и технология. Материаловедение и технология конструкционных материалов служат базой для изучения многих специальных технологических дисциплин выпускающих кафедр.
Значительный вклад в развитие материаловедения внесли следующие ученые: П.П. Аносов, Д.И. Менделеев, A.M. Бутлеров, Д.К. Чернов, а также англичанин Роберт Аустен, немец А. Мартене, А.А. Бочвара, Г.В. Курдюмова, В.Д. Садовский, В.А. Каргин, В.В. Коршак, К.А. Андриянов и Н.В. Белов и др.
Хронология становления материаловедения включает в себя ряд исторических этапов:
28 тыс. лет до н.э. - первый искусственный материал, полученный человеком, - керамика. Вторым (после керамики) основным неметаллическим материалом цивилизации было стекло.
8 тыс. лет до н.э. - начало металлургии, так как люди неолита стали ковать украшения из самородной меди. Каменные инструменты сменились более надежными медными.
5 тыс. лет до н.э. - начало металлургии и открытие недр Земли как кладовой минералов. Люди, жившие в Малой Азии, обнаружили, что можно получить медь при обжиге малахита и лазурита и из нее можно отливать различные фигуры.
3,5 тыс. лет до н.э. - впервые выплавлено железо (видимо, в качестве побочного продукта рафинирования меди), в дальнейшем оно использовалось для изготовления украшений. Тем самым, был раскрыт первый секрет получения главного металла цивилизации. s
3 тыс. лет до н.э. — обнаружено, что добавка оловянной руды к модной руде позволяет получать значительно более прочный материал, чем чистая медь или олово, бронзу. Появилась концепция сплавления, идея о том, что смесь двух и более металлов дает вещество, свойства ко торого превосходят свойства каждого из компонентов.
2,2 тыс. лет до н.э. - изготовлено первое стекло. Появился второй (после керамики) основной неметаллический материал цивилизации.
В 400 г. индийские металлурги воздвигли недалеко от Дели железный столб высотой в семь метров. Столб, выдержавший без последствий полуторатысячелетние коррозионные испытания в весьма агрессивной атмосфере этого влажного региона, служит ярким примером торжества материаловедения и остается археологической загадкой.
В 1450 г. Иоганн Гутенберг создал сплав системы свинец-олово- сурьма, из которого можно было отливать в медных формах наборные шрифты для типографии. Создана технологическая основа средств массовой информации.
В 1688 г. Антон ван Левенгук разработал оптический микроскоп с 200-кратным увеличением.
В 1755 г. Джон Смитон создал бетон. Появление главного строительного материала современности.
В 1863 г. Эмиль и Пьер Мартен разработали мартеновский процесс плавки стали. Начало крупномасштабного производства стали общего назначения из смеси лома и железной руды - благодаря этому сталь превратилась в материал, который можно перерабатывать так много раз, как никакой другой. в
В 1864г. Д.И.Менделеев открыл Периодическую систему элементов. . Создано бесценное руководство, без которого немыслима работа материаловеда.
В 1886 г. Чарльз Мартин Холл и Пьер Херо одновременно и независимо открыли способ получения алюминия из его оксида с помощью электролиза. Алюминий превратился из драгоценной экзотики в конструкционный металл, который можно получать в промышленных масштабах.
В 1890 г. Адольф Мартене исследовал микроструктуру твердой закаленной стали и обнаружил, что она отличается от структуры менее твердых сталей: зерна заполнены иголками и пластинками. Начало использования микроскопа для распознавания кристаллических структур и установления связи между структурой и свойствами.
В 1904 г. Леон Жиллет разработал состав первой нержавеющей стали. Начало использования стали в условиях высокой коррозии.
В 1906 г. Альфред Вильм обнаружил, что алюминиевые сплавы упрочняются за счет выделения мелких частиц. Появился первый высокопрочный алюминиевый сплав — дюралюминий.
В 1909 г. Лео Бейкланд синтезировал твердый термопластичный полимер - бакелит, он же фенолформальдегидная смола. Начало эры пластиков и появление промышленности пластмасс.
В 1939 г. Руссель Ол, Джордж Саутворт, Джек Скафф и Генри Тыоерер обнаружили в кремнии области с электронной и дырочной проводимостью. Без этого вряд ли через восемь лет был бы создан первый транзистор.
В 1964 г. Стефания Кволек создала высокопрочный, легкий пластик кевлар. Кевларовые волокна - непременный компонент современных композитов, из которых делают огромное количество вещей, - от шин до бронежилетов.
В 1970 г. Джеймс Фергасон, используя полевой эффект перекрученных нематиков, создал первый работающий жидкокристаллический дисплей. Результат полностью преобразил множество изделий, начиная от компьютерных дисплеев и телевизоров и заканчивая медицинскими приборами.
В 1981 г. Генрих Рорер и Герд Карл Биннинг создали туннельный сканирующий микроскоп. Появилась возможность рассматривать структуру поверхности на уровне атомов.
XX век ознаменовался крупными достижениями в теории и практике материаловедения: развивается теория химической связи в металлах (Н.В. Агеев, В.К. Григорович) и единая теория химической связи в металлах, керамике, полимерах (Сироткин О.С. Начала единой химии. - Казань: изд-во АН РТ «ФЭН», 2003; Начала общего материаловедения. Казань: КГЭУ, 2002; Теоретические основы общего материаловедения. -
Казань, КГЭУ, 2007; Неорганические полимерные вещества и материалы (безуглеродные макромолекулы и полимеры). - Казань: КГЭУ, 2002) и т.д. Были созданы функциональные и конструкционные материалы нового поколения на основе металлов (металлические стекла), органических полимеров и керамики, наноматериалы, разработаны композиционные керамические и полимерные материалы, открыты сверхпроводники, новые полупроводники и изоляционные материалы, перспективные для применения в энергетике и других отраслях техники.
Решение важнейших технологических задач, включая создания Йаноматериалов и технологий, связанных с экономным расходованием энергии, уменьшением массы машин и приборов, во многом зависит от уровня развития материачоведения. Непрерывный процесс создания новых материалов обогащает различные направления науки и техники.
Конструирование, изготовление, эксплуатация и ремонт машин и приборов связаны с машиностроительными материалами и их использованием.
Материалы — это исходные вещества для производства продукции и вспомогательные — для проведения производственных процессов.
Различают следующие разновидности материалов:
— сырье, или сырые материалы, которые подлежат дальнейшей переработке (железная руда на металлургическом заводе, нефть на нефтеперерабатывающем комбинате);
— полуфабрикат — переработанный материал, который должен пройти одну или несколько стадий обработки для того, чтобы стать изделием, годным к потреблению.
Готовая продукция одного производства может служить полуфабрикатом для другого.
Для успешного решения многих практических задач необходимы сведения о современных способах получения и обработки материалов, их свойствах и рациональном применении. Вопросы строения и свойств металлов, сплавов, неметаллических материалов, смазочных материалов рассматривает материаловедение.
Материаловедение — наука, изучающая связь между строением (структурой) и свойствами материала, а также их изменения при внешних воздействиях (тепловом, механическом, химическом и т.д.).
Материаловедение позволяет правильно выбрать материал и технологию его переработки для обеспечения эксплуатации изделия в течение заданного времени.
Тенденции и перспективы развития материаловедения
Работоспособность машин тесно связана с достижениями материаловедения.
Развитие многих областей современной техники обусловлено применением высокопрочных материалов. Перед наукой стоит проблема сделать высокопрочные материалы такими же надежными и недорогими, как рядовые.
Тенденция машиностроения к уменьшению эффективной массы изделий, т.е. массы, приходящейся на единицу мощности или производительности машин, обусловливает необходимость разработки материалов, в которых высокая прочность сочетается с малой плот-ностью. Примером таких материалов служат сплавы магния и лития, изделия из которых по сопротивлению деформированию превосходят конструкции той же массы из стали и титана. В качестве легких заполнителей силовых конструкций; демпфирующих, тепло- и звуко-изолирующих элементов в современной технике используют большую группу газонаполненных материалов.
Низкие значения прочности стали при высоких температурах были барьером для дальнейшего развития двигателестроения. В настоящее время эта проблема решена путем переработки металлов в гранулы методом высокоскоростной кристаллизации и последующего прессования гранул в изделия.
Изучаются перспективы использования керамических деталей в двигателях внутреннего сгорания. Целью такого применения керамики является возможность повышения рабочей температуры в камере сгорания при одновременном снижении массы агрегата, что приводит к повышению коэффициента полезного действия двигателя.
Ужесточение технико-экономических требований к материалам и ограниченность сырьевых ресурсов обусловили рост потребления традиционных материалов на новом технологическом уровне — в сочетании с усиливающими их элементами из более прочных материалов. Такие материалы получили название композиционных. Использование их способствует повышению работоспособности техники, снижению себестоимости продукции, организации гибких производств.
Актуальной остается проблема защиты материалов от химического взаимодействия с окружающей средой. Рост агрессивности окружающей среды приводит к увеличению затрат на ликвидацию последствий изнашивания материалов в машинах. Для принятия мер по стабилизации свойств материалов, для прогнозирования работоспособности механизмов и машин необходимо знать закономерности строения материалов, т.е. происходящие во времени изменения их структуры и свойств.
Задача материаловедения — установление закономерностей взаимосвязи структуры и свойств материалов для того, чтобы целенаправленно воздействовать на них при переработке в изделия и эксплуатации, а также для создания материалов с заданным сочетанием свойств и прогнозирования их срока службы.
Материаловедение условно разделяют на теоретическое и прикладное. Теоретическое рассматривает общие закономерности строения материалов и процессов, происходящих в них при внешних воздействиях. Оно базируется на достижениях естественных наук (физики, химии, механики и др.), от развития которых зависят использование материалов в технике и эффективность методов переработки их в изделия.
Задача прикладного материаловедения — определить оптимальные структуры и технологии переработки материалов при изготовлении конструкций, деталей машин и других технических изделий.
Применение материалов в машиностроении
Номенклатура — перечень названий и терминов, употребляемых в определенной отрасли техники.
Номенклатура технических материалов служит для упорядочения описания огромной массы материалов, используемых для изготовления машин и других технических изделий. Знание номенклатуры материалов и принципов их классификации необходимо для обоснованного выбора материала, технологии его переработки и режимов эксплуатации в составе изделий. Установлены специальные правила изготовления и переработки материалов с соблюдением требований качества, безопасности труда и охраны окружающей среды — стандарты. Стандартизация материалов базируется на передовых достижениях техники и направлена на повышение эффективности промышленного производства.