Развитие материаловедения

Современные проблемы материаловедения

Конец XX века и начало XXI века характеризуются мощным развитием целого ряда отраслей новой техники. Создание реактивных двигателей и космических кораблей, установок непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую, электронно-вычислительной техники, разработка проблем ядерного синтеза – все это потребовало создания многих металлических и неметаллических материалов с улучшенными или принципиально новыми физическими, химическими и механическими свойствами.

Современные проблемы науки о материалах развиваются на стыке физики, химии, механики и информационных технологий.

Наше время характеризуется коренной “перестройкой отношений” между человеком и материалами. Экономические последствия этого процесса, вероятно, будут очень глубокими. Разработка новых материалов, создание сложных композитов, наряду с достижениями в технологии изготовления деталей, будет играть ключевую роль в развитии ведущих отраслей науки и техники будущего.

Актуальность данной темы заключается в том, что в основных направлениях экономического и социального развития страны подчеркнута необходимость обеспечения дальнейшего ускорения научно-технического прогресса благодаря созданию и внедрению в производство принципиально новой техники, материалов и прогрессивных технологических процессов.

Цель данной работы — изучить задачи материаловедения на современном этапе развития.

Задачи данной работы — рассмотреть развитие материаловедения в нашей стране, изучить важнейшие задачи различных отраслей материаловедения (машиностроения, металлургического комплекса, пластических масс).

Большой вклад в развитие науки о материалах внесли русские и советские ученые. Д. К. Чернов (1839 – 1921) является основоположником научного материаловедения. Работы Н. С. Курнакова (1860 – 1941) и его учеников имели большое значение для развития методов физико-химического исследования металлических сплавов. С именами С. С. Штейнберга (1872 –1940), Н. А. Минкевича (1883 – 1942) и Н. Т. Гудцова (1885 – 1957) связана разработка теории и технологии термической обработки стали. Крупные советские ученые С. Т. Конобеевский, Г. В. Курдюмов, В. Д. Садовский, А. А. Бочвар, С. Т. Кишкин, Н. В. Агеев и ряд других исследовали превращения в металлических сплавах.

Крупнейший химик А. М. Бутлеров (1828 – 1886) создал теорию химического строения органических соединений и научную основу для разработки синтетических полимерных материалов. Впервые в мире на основе работ С. В. Лебедева было создано промышленное производство синтетического каучука.

Увеличение в ХХI веке доли пластмасс, керамики и композитов сопровождается созданием качественно новых видов материалов, значительно превосходящих по свойствам многие металлические. Уменьшение доли металлических материалов сопровождается также качественным их изменением: практически все новые материалы имеют высоко-, сверх- или ультравысокие свойства.

В начале третьего тысячелетия наиболее распространенными среди металлических материалов останутся железные сплавы и прежде всего –стали.

Конец ХХ столетия характеризовался переходом к применению материалов в метастабильном состоянии, увеличился удельный вес обработки поверхности стали, использования в качестве теплового источника концентрированного потока энергии: наибольшее развитие получили вакуумные, ионные, лазерные и другие процессы.

В новом столетии будут продолжать развиваться на хорошем уровне плазменная, высокочастотная, индукционная, электронная термическая обработка.

В области инженерии поверхности интенсивное развитие в начале ХХI века получат комбинированные процессы, которые резко повышают эксплуатационные свойства поверхности. К ним прежде всего нужно отнести сочетание классических диффузионных процессов насыщения поверхности с нанесением на них покрытий толщиной 3-5 мкм методом химического и физического осаждения и паровой фазы.

Задачей курса «Материаловедение» (раздел металлов и сплавов) является возможность дать студентам - машиностроителям сведения о металлах и сплавах, путях улучшения их механических и эксплуатационных свойств.

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О МАТЕРИАЛАХ И ИХ СВОЙСТВАХ

Материаловедение – наука, изучающая металлические и неметаллические материалы, применяемые в технике, объективные закономерности зависимости их свойств от химического состава, структуры, способов обработки и условий эксплуатации и разрабатывающая пути управления свойствами (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Положение металловедения в общей структуре наук

Цель – познание свойств материалов в зависимости от состава и обработки, методов их упрочнения для наиболее эффективного использования в технике, а также создание материалов с заранее заданными свойствами: высокая прочность и пластичность, высокая электропроводность или высокое сопротивление, специальные магнитные свойства, сочетание различных свойств в одном материале (композиционные материалы).

Основные задачи материаловедения:

- раскрыть физическую сущность явлений, происходящих в материалах при воздействии на них различных факторов в условиях производства и эксплуатации;

- установить зависимость между составом, строением и свойствами материалов;

- изучить теорию и практику различных способов упрочнения материалов для повышения высокой надёжности и долговечности деталей, инструмента и изделий;

- изучить основные группы современных материалов, их свойства и области применения;

- дать понятия о современных методах исследования структуры и прогнозирования эксплуатационных свойств материалов и изделий.

Знакомство с основами материаловедения необходимо не только инженерам и научным работникам, но и любому современному человеку.

Как показывает практика и обширные научные исследования в области физики твердого тела (ФТТ) и материаловедения, наличие тех или иных свойств определяется внутренним строением сплавов. В свою очередь, строение сплава зависит от состава и характера предварительной обработки. Таким образом, можно установить следующие связи между характеристиками материала (рис. 1.2):

Рис. 1.2. Схема связей между характеристиками материала

Изучение представленных связей составляет предмет материаловедения. В результате изучения предмета студент должен уметь:

- правильно выбрать материал для изделия;

- назначать его обработку с целью получения заданной структуры и свойств;

- оценивать поведение материала при воздействии на него различных эксплуатационных факторов;

- определять опытным путем основные характеристики материалов.

Основную часть всех материалов составляют металлы.

В физике деление на металлы и неметаллы определяется по поведению электросопротивления материала: у металлов оно определяется электронным строением оболочек и при Т ® 0 К r ® 0, в то же время у неметаллов, т.е. полупроводников и диэлектриков при Т ® 0 r ® ¥.

Все металлы делятся на две большие группы: черные металлы и цветные металлы. В свою очередь, эти две группы делятся на подгруппы (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Классификация металлов: а- черных; б- цветных

В зависимости от температуры и давления (для металлов в основном от температуры, Р-соnst) все вещества могут находиться в четырёх агрегатных состояниях: плазмообразном, газообразном, жидком и твердом.

Плазма – ионизированный газ, в котором объёмные плотности положительных и отрицательных электрических зарядов равны.

В газообразном состоянии атомы практически не связаны друг с другом и хаотически перемещаются в пространстве.

В жидком состоянии атомы слабо связаны друг с другом, существует ближний порядок, вещество занимает форму сосуда, части легко отделимы друг от друга.

В твердом состоянии атомы взаимодействуют друг с другом по определенному закону, в структуре имеется как ближний, так и дальний порядок, атомы образуют кристаллическую решетку того или иного вида.

Переход между агрегатными состояниями сопровождается изменением свободной энергии:

F = U – TS,

где U – внутренняя энергия;

T – температура;

S = q / T – энтропия (связана с теплом).

Исторически сложились два подхода к трактовке свойств и явлений, происходящих в твердых веществах, в частности в металлах:

- макроскопический или феноменологический;

- микроскопический или атомистический.

В макроскопическом подходе характерна трактовка твердого тела как сплошной среды без детализации его внутреннего строения. Подход взят на вооружение сопротивлением материалов и другими науками.

В микроскопическом подходе описание и объяснение свойств твердых тел основано на законах взаимодействия составляющих его частиц, т.е. на атомном уровне. В этом подходе реализуется цепочка: структура – свойство. Микроскопический подход на сегодня является единственным строго научным подходом к интерпретации наблюдаемых свойств и явлений в твердых телах.

Дата добавления: 2014-11-18