Материаловедение. Занятие №1.. Введение. Литература. Характеристики металлических и неметаллических материалов.

Материаловедение. Занятие №1.

Введение. Литература. Характеристики металлических и неметаллических материалов.

Материаловедение — наука, определяющая уровень развития цивилизации. Вся история развития человечества связана с освоением и использованием материалов, технологий их производства и изготовления из них изделий, при этом развитие материалов и технологий их обработки взаимосвязано. Часто научные достижения в одной из этих областей приводят к открытию новых возможностей в другой.

Отметим важные этапы развития материаловедения и технологии материалов.

Материалы дали названия целым историческим эпохам — каменный век, бронзовый век, железный век.

На ранней стадии развития человечества использовались природные материалы — дерево, кость, камень. Особое место занял камень, из которого изготавливались орудия труда — каменные топоры, каменные ножи. Следует отметить, что именно с помощью камня около 500 тыс. лет назад люди научились добывать огонь. Использование огня для обжига глины при изготовлении предметов домашней утвари положило начало керамической технологии.

На следующем этапе развития цивилизации стали использоваться металлы, естественно, что в первую очередь металлы, встречающиеся в природе в чистом, самородном виде. Прежде всего это медь, начало ее применения относят к VII тысячелетию до н. э. В IV тысячелетии до н. э. начали применять сплавы. Используются изделия из бронзы — сплава меди с другими металлами, в первую очередь с оловом, имеющие лучшие свойства, чем чистая медь. Это означает, что в историю техники вступила технология металлургии.

С самых ранних времен использовались прообразы композиционных материалов. О том, что малые добавки волокна значительно увеличивают прочность и вязкость хрупких материалов, было известно с древнейших времен. В Древнем Египте рабы добавляли солому в кирпичи, чтобы они были прочнее и не растрескивались при сушке на жарком солнце. Еще один композит Древнего Египта использовался в облачениях египетских мумий, которые делали из полос папируса (наполнитель), пропитанного смолой (матрица).

Важнейшим, взрывным этапом технологического развития стало использование железа и его сплавов. XIX в. знаменуется появлением и развитием промышленных методов производства стали — конвертерный метод к середине века, к концу века — мартеновский. Сплавы на основе железа и в настоящее время являются основным конструкционным материалом.

Промышленная революция середины XIX в. стала мощным побудительным мотивом развития и материаловедения, и технологии металлов. Остановимся на важнейших этапах развития этих наук.

Основоположником металловедения является выдающийся русский ученый Д.К. Чернов (1839—1921). Работая на Обуховском заводе, он провел исследования превращений, происходящих при нагреве стали. В результате этих работ, опубликованных в 1868 г., было показано, что существуют температуры, при которых происходят превращения в сталях. Эти температуры позднее были названы критическими точками (точки Чернова). Именно Д.К. Чернов впервые изобразил очертания важнейших линий диаграммы состояния «железо — углерод». Французский исследователь Ф. Осмонд (1849—1912) определил с помощью пирометра температуры критических точек, описал характер превращений при этих температурах и дал названия основным структурам. Спустя 10 лет Д.К. Чернов изложил основы теории кристаллизации сплавов, развитые затем Г. Тамманом (1861 — 1938).

Важный вклад в теорию науки внес американец Д. Гибсс (1839—1903), который, используя принципы термодинамики, разработал теорию равновесия фаз. На основании этой теории, а также с помощью металлографического анализа рядом ученых — русские исследователи Н.Т. Гудцов (1885—1957), А.А. Байков (1870—1946) и англичанин Р. Аустен (1843—1902), было доказано наличие твердых растворов в металлических сплавах.

Большой вклад в разработку научных основ металловедения внес Н.С. Курнаков (1860—1941), применивший методы физико-химического анализа для исследования сплавов. Он, в частности, установил закономерности изменения свойств сплавов в зависимости от их типа и химического состава.

В.Д. Садовский установил факты измельчения зерна в результате полиморфных превращений, И.Н. Фриддяндер разработал сплавы цветных металлов, упрочняемые дисперсионным твердением.

В XX в. бурно развивалось и материаловедение, и технологии производства материалов, появились новые материалы. В 1960-х гг. был осуществлен промышленный синтез алмаза, а также созданы синтетические вещества, не встречающиеся в природе, в частности, кубический нитрид бора, свойства которого близки к алмазу.

В первой половине XX в. появились полимеры - новые материалы, свойства которых резко отличаются от свойств металлов. Полимеры широко применяют в различных областях техники: машиностроении, химической и пищевой промышленности и др. Полиэтилен называют материалом, который позволил выиграть войну, так как его высокие диэлектрические свойства во многом определили эффективность радара.

XX в. характеризуется разработкой и промышленным использованием большого количества типов и составов композитов — материалов, обладающих комплексом свойств, принципиально отличающих их от традиционных конструкционных материалов - металлических и неметаллических. Более того, композиты - это материалы, свойства которых можно задавать, т.е. «конструировать» материалы.

Применение композитов открывает широкие возможности для совершенствования конструкций самого разнообразного назначения - от медицины до космоса.

Для развития техники требуются материалы с новыми уникальными свойствами. Для атомной энергетики и космической техники необходимы материалы, которые могут работать как при весьма высоких температурах, так и при температурах, близких к абсолютному нулю. Компьютерные технологии стали возможными только при использовании материалов с особыми электрическими свойствами. Таким образом, материаловедение — одна из важнейших, приоритетных наук, определяющих технический прогресс.

Технология материалов. На ранних этапах развития технологий изделия производились индивидуально, в натуральных хозяйствах. Затем возникло разделение труда — появились ремесленники. Знание ремесла передавалось от отца к сыну, от мастера к ученику, оставаясь закрытым для посторонних.

Переход от ремесленного к промышленному производству был невозможен без разработки научных основ обработки материалов и создания высокопроизводительных технологий.

Не случайно поэтому проведение в 1868—1869 гг. исследований, посвященных обработке материалов, проведенных И.А. Тиме, итог которых описан в его книге «Сопротивление металлов и дерева резанию».

Повышение производительности обработки резанием было важнейшей задачей, и она решалась созданием высокопроизводительных инструментальных материалов — быстрорежущих сталей (1914 г.), твердых сплавов (1930-е гг.). В 1950—1960-е гг. получили промышленное использование режущая керамика и сверхтвердые материалы на основе алмаза и нитрида бора. Это позволило резко увеличить скорость резания и повысить производительность обработки. При этом получение твердых сплавов и керамики стало возможным только в результате разработки в промышленных масштабах порошковой технологии производства материалов.

Были разработаны технологии высокопроизводительной обработки материалов методами пластической деформации, литья.

Создание электрохимических и электрофизических технологий позволило выполнять обработку, т.е. изготавливать изделия из материалов, которые раньше обработать было невозможно - например, обработка непластичных материалов высокой твердости, даже алмаза.

Производство композиционных материалов и изделий из них требует использования самых разнообразных технологий. Это традиционные технологии, используемые для производства металлических и неметаллических материалов, а также новейшие плазменные, электрофизические, электрохимические и др.

Взаимное влияние материаловедения и технологии материалов можно проследить на некоторых прорывных технологиях.

Металлургия освоила производство сверхчистых сплавов, необходимых для электронной промышленности, космической отрасли.

Промышленное производство твердых сплавов и керамики стало возможным только в результате разработки порошковой технологии производства материалов.

Производство синтетических алмазов и нитрида бора не могло быть реализовано без мощного технологического прорыва - создания технологий высокого давления.

Создание материалов с памятью формы решило проблему надежных соединений трубопроводов, позволило создать самораскрывающиеся антенны космических аппаратов.

Материалы с высокими значениями удельной прочности и жесткости востребованы авиационной и космической промышленностью.

Таким образом, материаловедение и технология получения и обработки материалов являются приоритетными науками.

ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Лахтин Ю.М. Основы металловедения. – М.: Металлургия, 2014.

2. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. – М.: Металлургия, 2013.

3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 2013.

4. Фетисов Г.П., Карпман М.Г. и др. Материаловедение и технология металлов. – М.: Высшая школа, 2014.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯЛИТЕРАТУРА

5. Никифоров В.М. Технология металлов и конструкционные материалы. – М.: Машиностроение, 2013.

6. Кузьмин Б. А. Технология металлов и конструкционные материалы. – М.: Высшая школа, 2014.

Задание: 1. Подготовить конспект лекции в печатном word-документе.

2. Предоставить список чёрных и цветных металлов. Указать свойства металлов.

Срок выполнения 14.01.2021.