Понятие и предмет материаловедения

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Материаловедение относится к числу основополагающих дисциплин для машиностроительных специальностей. Это связано с тем, что получение, разработка новых материалов и способы их обработки являются основой современного производства и во многом определяют научно-технический уровень своего развития и экономический потенциал страны. Проектирование рациональных, конкурентоспособных изделий, организация их производства невозможны без достаточного уровня знаний в области материаловедения.

Материаловедение является основой для изучения многих специальных дисциплин.

Разнообразие свойств материалов является главным фактором, предопределяющим их широкое применение в технике. Материалы обладают отличающимися друг от друга свойствами, причем каждое зависит от особенностей внутреннего строения материала. В связи с этим материаловедение как наука занимается изучением строения материала в тесной связи с их свойствами. Основные свойства материалов можно подразделить на физические, механические, технологические и эксплуатационные.

 Целью материаловедения является изучение закономерностей формирования структуры и свойств материалов методами из упрочнения для эффективного использования в технике.

Основная задача материаловедения –установить зависимость между составом ,строением и свойствами ,изучить термическую ,химико-термическую обработку и другие способы упрочнения ,сформировав знания о свойствах основных разновидностей материалов.

Объектом изучения материаловедения являются металлы, сплавы, стеклообразные и керамические материалы, композиционные материалы.

 Материаловедение условно разделяют на теоретическое и прикладное. Теоретическое материаловедение изучает общие закономерности взаимосвязи структуры и свойств материалов и процессов, приводящих к изменению их строения и свойств при внешних воздействиях. Оно базируется на интеграции достижений физики, химии, физической химии, электрохимии, металлофизики и других естественных наук.  
Прикладное материаловедение изучает частные вопросы изменения и формирования структуры и свойств различных материалов в процессе из получения, обработки и эксплуатации.

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

     

Материаловедение или наука  о материалах получила свое развитие с древнейших времен. Первый этап развития материаловедения начинается со специализированного изготовления керамики. Особый вклад в становление материаловедения в России был сделан М.В. Ломоносовым (1711–1765) и Д.И. Менделеевым (1834–1907). Ломоносов разработал курс по физической химии и химической атомистики, подтвердил теорию об атомно-молекулярном строении вещества. Менделееву принадлежит заслуга разработки периодической системы элементов. Оба ученых немалое внимание уделяли проблеме производства стекла.

    В XIX в. вклад в развитие  материаловедения внесли Ф.Ю. Левинсон-Лессинг, Е.С. Федоров, В.А. Обручев, А.И. Ферсман, Н.Н. Белелюбский. Начинают производиться новые материалы: портландцемент, новые гипсы, цементные бетоны, полимерные материалы и т. д.

    В машиностроении широкое  применение получили металлы  и сплавы металлов, именно поэтому металловедение является важной частью материаловедения.

    Металловедение как наука  возникло в России в XIX в,  оно является научной основой  для разработки новых оптимальных  технологических процессов: термической  обработки, литья, прокатки штамповки сварки. Сочетание высокой прочности и твердости с хорошей пластичностью, вязкостью и обрабатываемостью, не встречающееся у других материалов, явилось причиной использования металлов в качестве основного конструкционного материала во всех областях техники.

    Впервые установил существование  связи между строением стали  и ее свойствами выдающийся  русский ученый П.П. Аносов (1799–1851 гг.), раскрывший давно утраченный  секрет изготовления и получения  древними мастерами Востока булатной  стали, которая идет для производства клинков. Булатная сталь Аносова славилась во всем мире и даже вывозилась за границу. Клинки, которые были изготовлены из этой стали, отличались высокой твердостью и вязкостью. П.П. Аносов считается «зачинателем» производства высококачественной стали, он впервые применил микроскоп для определения строения стали и положил начало изучению закономерной связи между структурой и свойствами сплавов.

    Основоположник научного  металловедения Д.К. Чернов (1839–1921 гг.), который открыл в 1868 г. фазовые превращения в стали. Открытие Д.К. Черновым критических точек а и b (по современному обозначению А1 и A3) совершило революцию в познании природы металлических сплавов и позволило объяснить ряд «таинственных» явлений, которые происходят при термической обработке сталей.

    Огромный вклад в развитие  науки о металлах внесли Н.С.  Курнаков, А.А. Байков, Н.Т. Гудцов, А.А. Бочнар, Г.В. Курдюмов, С.С.  Штейиберг, А.П. Гуляев, а также  другие советские ученые.

    Большое значение в  развитии металловедения и термической обработки имели работы Осмонда (Франция), Зейтца, Бейна и Мейла (США), Таммана и Ганемана (Германия).

    В XX веке были достигнуты  крупные достижения в теории  и практике материаловедения, созданы  высокопрочные материалы для  инструментов, разработаны композиционные материалы, открыты и использованы свойства полупроводников, совершенствовались способы упрочнения деталей термической и химико-термической обработкой.a

 

 История развития общества связана с историей освоения материалов, технологии их получения и обработки (каменный, бронзовый ,железный века). Материаловедение, как прикладная наука, сформировалась на рубеже 18—19 веков. В 19 в. материаловедение достигло теоретического уровня естественных наук, переплетаясь с их прикладными областями — кристаллографией , металлофизикой. Материаловедение 19 в. — это, в первую очередь, материаловедение металлов — металловедение .         Важнейшую роль в развитии этого направления сыграли русские инженеры П. П. Аносов  и Д. К. Чернов . 20 век — век открытия и создания новых материалов, обладающих уникальными свойствами. Появляются новые направления прикладного материаловедения, изучающего закономерности, определяющее строение и свойства различных материалов (полупроводников и диэлектриков, конструкционных материалов и материалов, различных композитов и полимеров и т. д.), возникает космическое материаловедение и т. д. В 30-е – 40-е годы 20 в. начало формироваться материаловедение полупроводников. Успех развития полупроводниковой техники и связанных с ней отраслей (электроники, энергетики и др.) в значительной мере определяется достижениями в области разработки и получения полупроводниковых сплавов с определенными стабильными электрофизическими, механическими и другими свойствами. Успехи современного материаловедения способствуют разработке высокоэффективных методов улучшения характеристик различных материалов, повышение их эксплуатационных свойств.

ПРЕДМЕТ ИЗУЧЕНИЯ МЕТАЛОВЕДЕНИЯ

 

Основной задачей материаловедения является  экспериментальное изучение зависимостей физических свойств материалов от структуры материалов , фазового состава, особенностей электронной подсистемы материала.

 На основе  указанных экспериментальных материалов  материаловедение формулирует закономерности  влияния структуры, фазового состава и электронного строения на физические свойства. Данные закономерности являются основой для разработки новых материалов с заданными физическими свойствами.

Классификация материалов: металлические, неметаллические и композиционные материалы. Металлические материалы подразделяются на цветные металлы, порошковые материалы. Неметаллические материалы: резина, стекло, керамика, пластические массы, ситаллы. Композиционные материалы являются составными материалами, в состав которых входят два и более материалов (стеклопластики)

Металы и их сплавы. Основными материалами, используемыми в машиностроении, являются и еще долго будут оставаться металлы и их сплавы. Поэтому основной частью материаловедения является металловедение, в развитии которого, ведущую роль сыграли российские ученые: Аносов П.П., Чернов Д.К., Курнаков Н.С., Гуляев А.П. и другие.

Металлы составляют около 4/5 всех известных  химических элементов. В свою очередь  металлические материалы делятся на черные и цветные. К черным относятся железо и сплавы на его основе — стали и чугуны. Все остальные металлы относятся к цветным. Чистые металлы обладают низкими механическими свойствами по сравнению со сплавами и поэтому их применение ограничивается теми случаями, когда необходимо использовать их специальные свойства (например, магнитные или электрические).

Практическое значение различных  металлов не одинаково. Наибольшее применение в технике приобрели черные металлы. На основе железа изготавливают более 90 % всей металлопродукции. Однако цветные металлы обладают целым рядом ценных физико-химических свойств, которые делают их незаменимыми. Из цветных металлов наибольшее промышленное значение имеют алюминий, медь, магний, титан и др. Применение чистых металлов в промышленности крайне ограничено. Их использование не всегда экономически выгодно, часто они не отвечают требуемым свойствам. В металлах не всегда сочетаются одновременно несколько необходимых свойств. Их прочность невысока, электрические свойства зависят от изменения температуры, они имеют высокий коэффициент теплового расширения и т.д. Сплавы в отличие от чистых металлов можно получить почти с любыми заданными свойствами.

Сплавом называется материал, полученный сплавлением двух или более веществ. Металлический сплав получают сплавлением металлов или преимущественно металлов с неметаллами. При этом металлический сплав обладает комплексом характерных металлических свойств. По числу компонентов различают двухкомпонентные (двойные), трехкомпонентные (тройные), четырехкомпонентные и многокомпонентные сплавы

Неметалические материалы – это органические, и неорганические полимерные материалы: различные виды пластических масс, композиционные материалы на неметаллической основе, каучуки и резины, клеи, герметики, лакокрасочные покрытия, а также графит, стекло, керамика. В качестве конструкционных материалов они служат важным дополнением к металлам, в некоторых случаях с успехом заменяют их, а иногда сами являются незаменимыми. Достоинством неметаллических материалов являются такие их свойства, как достаточная прочность, жесткость и эластичность при малой плотности, светопрозрачность, химическая стойкость, диэлектрические свойства, делают эти материалы часто незаменимыми. Также следует отметить их технологичность и эффективность при использовании.       Трудоемкость при изготовлении изделий из неметаллических материалов в 5–6 раз ниже, они в 4–5 раз дешевле по сравнению с металлическими. В связи с этим непрерывно возрастает использование неметаллических материалов в машиностроении автомобилестроении, авиационной, пищевой, холодильной и криогенной технике и др.

К неметаллическим материалам относятся:

 

• а) полимерные материалы органические и неорганические;
• б) различные виды пластических масс;
• в) композиционные материалы на неметаллической основе;
• г) каучуки и резины;
• д) клеи и герметики;
• е) графит;
• ж) стекло неорганическое;
• и) керамика.

Неметаллические материалы нашли  и находят все большее применение в различных отраслях машиностроения. Основой многих неметаллических ма- териалов являются синтетические полимеры. В их разработке, получении и внедрении громадную роль сыграли российские ученые: Бутлеров А.М. создал теорию структурного строения органики, Петров Г.С. организовал промышлен- ное производство пластмасс, Лебедев С.В. осуществил промышленный синтез каучука, Семенов Н.Н. разработал теорию цепных реакций при полимеризации, Медведев С.С., Андрионов К.А. получили термостойкие полимеры.

Основными факторами, влияющими на физические  свойства  материала с точки зрения материаловедения  являются структура материала и его фазовый состав. Особенности электронного строения материала привлекаются лишь для более глубокого понимания причин изменения физических свойств материала. К структурным особенностям материла в материаловедении относятся:

1. Наличие или отсутствие упорядочения в расположении атомов (кристаллические или аморфные тела).

2.Тип кристаллической структуры для кристаллов или наличие ближнего порядка (для аморфных тел).

3.Точечные или линейные дефекты в твердом теле (вакансии, дислокации и т.д.).

4.Макродефекты (поры, границы зерен)

5.Макрокристаллическая структура (монокристалл, поликристалл, текстурированный материал).

Фазовые особенности материала  базируются на фундаментальном понятии фаза, более широком, чем понятие агрегатное состояние.  
Фазой называется часть системы, ограниченная замкнутой поверхностью, обладающая определенным набором физических и химических свойств и отличающаяся хотя бы по дному из этих параметров от свойств системы вне замкнутой повети. 
К фазовым особенностям материала в материаловедении относят:

1.фазовый состав (однофазный или многофазный).

2.тип фаз, входящих в состав материала (фазы пост. или пер. состава)