Системный подход к изучению строения, структуры и свойств материалов

Различные материалы можно рассматривать по происхожде­нию, виду сырья, способу получения, назначению, особым свойствам и другим признакам.

В настоящее время наибольшее распространение получила сис­тематизация материалов, которую можно назвать «отраслевой», так как в ее основу положено наименование одной из отраслей народно­го хозяйства, непосредственно связанной с производством или при­менением данного материала:

- полезные ископаемые;

- нефтяные продукты;

- металлы;

- электротехнические материалы;

- стройматериалы;

- силикатно-керамические и углеродные материалы;

- лесоматериалы; целлюлоза, бумага, картон;

- химические продукты и резиноасбестовые изделия;

- химические волокна;

- текстильные и кожевенные материалы и др.

К сожалению, данная систематизация не только не позволяет установить взаимосвязи состава, строения, структуры и свойств ма­териалов, но в ряде случаев даже однозначно отнести материал по принадлежности к той или иной группе.

Наибольшие возможности для решения задач материаловеде­ния предоставляет систематизация веществ по их агрегатным состоя­ниям в нормальных (по температуре и давлению) условиях. При этом внутри каждой группы (твердое, жидкое или газообразное вещество) есть возможность учесть вид образующих его частиц, состав, физиче­скую природу, строение и структуру, а также происхождение. Такая систематизация позволяет решать главную зада­чу материаловедения – выбор материала с заданными свойствами для наиболее эффективного использования в инженерной практике, так как положение вещества в схеме не только однозначно отвечает на вопрос о свойствах, но и дает возможность получить рекомендации по улучшению этих свойств стандартным набором технологических операций.

Именно такое системное представление положено в основу на­стоящего учебного пособия.

Глава 1. МЕТАЛЛЫ

Металловедением называется наука, изучающая внутреннее строение и свойства металлов и сплавов в их взаимосвязи.

Для истории металловедения характерны следующие три периода.

В первый период (до 1920 гг. ) были заложены основы металловедения и создано общее пред­ставление о металлах и сплавах. Это было сделано на основе иссле­дования их строения как невооруженным глазом, так и под металло­графическим микроскопом и путем обычных методов лабораторных испытаний их свойств.

Во втором периоде (с 1920-х по 1950-е гг.) удалось создать ясное представление о расположении атомов в идеальных кристаллах металлов и о процессах, происходящих в них, на основе результатов рентгеноструктурного анализа и более тонких и все­сторонних методов лабораторных исследований.

Однако оказалось, что наиболее важные свойства металлов оп­ределяются не идеальным расположением атомов в металлических кристаллах, а нарушениями такого расположения, т.е. дефек­тами их строения.

Третий период (с 1950-х гг.) связан с появлением го­раздо более эффективного, чем рентгеновские лучи, ядерного излу­чения (быстрые нейтроны, α-частицы и т. д.), что наряду с приме­нением электронной микроскопии и других совершенных методов лабораторного исследования обеспечило возможность более глу­бокого и всестороннего изучения строения реальных металлов. В кристаллах металлов удалось изменять расположение атомов, создавать там различные дефекты строения и изучать их взаимодей­ствие, от которого зависят важнейшие свойства реальных металлов.

Благодаря этому металловедение может не только объяснять строе­ние и свойства металлов и сплавов, но и предвидеть их, а также изме­нять их в желательном для производства и эксплуатации направлении.

Современное металловедение обобщает и использует практиче­ский опыт многочисленных научных и промышленных лабораторий на основе последних достижений физики и физической химии. Все это позволило создать в металловедении ряд теорий, позволив­ших не только усовершенствовать заводские технологические про­цессы, но и создать новые процессы, способствующие развитию машиностроения и металлургии.

Быстрое развитие металловедения в XIX в. явилось результа­том работы ученых в разных странах, например в России – П.П. Аносова, Д.К. Чернова, Н.В. Калакуцкого; во Фран­ции – Ф. Осмонда, А. Портвена; в Германии – Г. Таммана; в Ан­глии – В. Робертс-Аустена, В. Розенгейна; в США – Г. М. Хоу, А. Совера.

П.П. Аносов (1797–1851) организовал на Златоустовском заводе производство качественной литой стали и исследовал влия­ние на нее марганца, хрома, титана и других элементов. Имя П.П. Аносова связано с открытием утерянного секрета производства булатных клинков, изучением строения стальных слит­ков, применением в 1831 г. микроскопа для исследования стали и, наконец, с открытием газовой цементации (науглероживания) стали.

Основоположником металловедения является крупнейший рус­ский ученый Д.К. Чернов (1839—1921), который, работая на Обуховском заводе, в 1868 г. сделал замечательное открытие кри­тических точек стали и установил связь между ними и изменениями в структуре и свойствах стали. Впоследствии Д.К. Чернов развил учение о кристаллизации стали при затвердевании стальных слитков и о центрах кристалли­зации. Им еще в 1884 г. были описаны линии (полосы) скольжения на поверхности деформированной стали, установлено, что закалку стальных изделий можно производить не только в воде или масле, но и в горячих средах при температуре в 200° С и несколько выше, а также разработан вопрос о термической усталости на примере артиллерийских орудий.

Дальнейшие успехи металловедения как в нашей стране, так и за рубежом связаны с работой большого количества ученых и работ­ников производства и с развитием ряда научных школ и направлений.

Интенсивно развивается металловедение в настоящее время. Это объясняется потребностью в новых материалах для исследования космоса, развития электроники, атомной энергетики.

Основными направлениями в развитии металловедения является разработка способов производства чистых и сверхчистых металлов, свойства которых сильно отличаются от свойств металлов технической чистоты. Генеральной задачей материаловедения является создание материалов с заранее рассчитанными свойствами применительно к заданным параметрам и условиям работы. Большое внимание уделяется изучению металлов в экстремальных условиях (низкие и высокие температуры и давление).