Новые материалы в машиностроении

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра технологии и компьютеризации литейного производства

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

курса «Новые материалы»

для студентов специальности 6.090400 - «Литейное производство черных и цветных металлов» дневной и заочной форм обучения

А.И.ТРОЦАН

Мариуполь ПГТУ 2008



МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра технологии и компьютеризации литейного производства

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

курса «Новые материалы»

для студентов специальности 6.090400 - «Литейное производство черных и цветных металлов» дневной и заочной форм обучения

А.И.ТРОЦАН

Утвержден

на заседании кафедры протокол № от 2008 г

на заседании методсовета факультета протокол № от 2008г

Мариуполь ПГТУ 2008



УДК 669.621.785

Конспект курса «Новые материалы» для студентов специальности 6.090400 - «Литейное производство черных и цветных металлов» дневной и заочной форм обучения.

Целью преподавания дисциплины является ознакомление студентов с основными исследованиями и разработками относительно создания и получения новых материалов с специальными свойствами, а также повышения свойств существующих металлических материалов массового применения. Подаются знания для самостоятельного выбора и применения современных технологий получения, исходя из условий эксплуатации, необходимых металлических материалов и изготовления из них литых заготовок.



ВВЕДЕНИЕ

Материально-технический прогресс человеческого общества связан с прогрессом науки. По мере развития науки не только ускоряются темпы познания, но и расширяются ее горизонты.

Материально-технический прогресс человечества во все эпохи определялся созданием новых энергетических ресурсов (век пара, электричества, атомная энергия и т.д.), новых технических материалов (каменный век, бронзовый век, век железа, алюминия, синтетических материалов), новых методов воздействия на окружающий мир (технология), обеспечивающих более высокую производительность труда. Известному английскому физику Дж.Томсону принадлежат слова «В техническом прогрессе участвуют три основных элемента - знание, энергия и материал». Любая техническая проблема не может быть решена, если нет соответствующих для этого материалов. Без них не было бы энергетики, связи, телевидения, транспорта, космонавтики и многого другого, что нас окружает и к чему мы привыкли.

Развитие энергетики, строительства, сельского хозяйства, автоматики, всех видов новой техники и техники вообще, здравоохранения, усовершенствования быта и обеспечения питания человека в первую очередь требуют производства материалов, веществ и препаратов с определенным комплексом механических, физических, химических и биологических свойств. Превращение одних веществ (сырья, полуфабрикатов) в другие, обладающие полезным и заданным комплексом свойств, главная задача науки.

На протяжении всей истории человечества материалы неорганического происхождения всегда играли очень важную роль. В течение многих тысячелетий огромное значение имел необработанный и обработанный камень естественный. Из него первобытный человек начал изготовлять орудия труда и строить жилища. Позднее появился кирпич, керамика, стекло, вяжущие материалы, металлы. Открытие способа производства портландцемента и изобретение железобетона явилось новой эпохой в строительстве. Сейчас мы являемся свидетелями того, как в строительстве зданий и сооружений применяется алюминий и стекло.

В истории материальной культуры большую роль играли металлы и другие материалы. В последние десятилетия развиваются многочисленные органические материалы, полимеры и др., без которых немыслима современная цивилизация.

Однако за те же десятилетия бурное развитие новой техники, особенно с успехами физики, поставило перед неорганическими материалами совсем новые исключительно ответственные требования в отношении механических, электрических свойств и устойчивости к действию высоких температур и агрессивных сред. Прогресс техники требует непрерывной работы по повышению прочности, жаропрочности, жаростойкости и химической стойкости конструкционных материалов. В ряде областей науки и техники осуществление разработанных там принципов, сулящих революционизировать человеческую практику, упирается в отсутствие подходящих материалов.

Главной проблемой, над решением которой работают сейчас ученые в области материаловедения, является обеспечение устойчивой работы материалов при высоких параметрах. Техника экстремальных параметров предъявляет к материалам исключительно высокие требования.

Способность металлов к взаимному растворению, образованию многочисленных соединений различного типа создает благоприятные условия для получения большого числа сплавов, отличающихся различной структурой и самыми разнообразными сочетаниями полезных свойств. Все это делает металлические сплавы важнейшими материалами, значение которых непрерывно возрастает.

К числу важнейших металлов относятся: железо - главный материал современной техники, основа всех видов стали и чугуна; алюминий и магний, являющиеся главными компонентами легких сплавов и имеющих особое значение для авиации; марганец, хром, никель, кобальт и др. как легирующие элементы в производстве специальных сплавов и сталей; медь, свинец, цинк, олово, кадмий, сурьма, имеющие разнообразное техническое применение; ванадий и вольфрам - основа жаростойких материалов и твердых сплавов, значительная группа редких металлов (гафний, ниобий, тантал, рений), а также драгоценные металлы - серебро, золото, платина и др.

После второй мировой войны начало развиваться производство титана и его сплавов как нового конструкционного материала, а также урана, тория, циркония, молибдена, ниобия, тантала, бериллия, германия и др.редких металлов необходимых для атомной, авиационной и электронной техники. Появились новые материалы - керметы и новые металлокерамические методы их изготовления. Спеканием металлических порошков с окислами, например металлического алюминия (САП), можно менять материалы и технологию их изготовления.

Огромное значение для современной техники имеют различные неорганические строительные материалы - цемент и изделия на его основе, керамика, стекло и прочие силикатные материалы.

Самый универсальный материал для человека является стекло. Кажется, мы на протяжении нескольких тысячелетий уже все о нем знаем. Однако современная наука открывает все новые свойства и возможности использовать его. Сегодня увеличивают его прочность и гибкость в несколько раз, делают стекло гибким материалом.

Созданные новые стеклокристаллические материалы получили название силиталлов или стеклокерамов. Это материалы гетерогенной микрокристаллической структуры, отличающиеся от исходных стекол более высокой ударной прочностью, твердостью, сопротивлением сжатию и изгибу, а также жаропрочностью. Они характеризуются малыми диэлектрическими потерями и обладают ценными свойствами, которые можно менять в зависимости от химического состава и условий кристаллизации.

Субмикроскопическая кристаллизация расплавленных металлургических шлаков открывает возможность получения путем вытягивания, литья, горячей штамповки, проката и другими методами стекольной техники стеклокристаллических материалов с перспективой полного использования металлургических отходов и полной механизацией и автоматизацией производства. Шлакосиликаты находят широкое применение в строительстве и во многих случаях заменят чугун, сталь в машиностроении, в производстве труб, сантехнических изделий и т. д.

Современная наука создала способы получения, а промышленность производить и широко использует многочисленные керамические материалы, в том числе строительную и электротехническую керамику, огнеупоры, сверхогнеупоры на основе чистых окислов, синтетические камни вплоть до искусственных рубинов и сапфиров, превосходящие по полезным свойствам естественные.

Большим успехом физики и химии является решение проблемы превращения графита в алмаз, получение абразивных порошков, крупных кристаллов, пригодных для использования в буровой технике и для других целей.

Большое развитие получила химия редких элементов и их комплексных соединений. Возможности широкого варьирования характера химической связи в соединениях редких металлов с неметаллами обеспечивают соответственные возможности изменения физических и химических свойств этих соединений и получения материалов с заранее заданными свойствами - электрофизическими, магнитными, оптическими, механическими, огнеупорными, химическими для различных областей новой техники.

Многие из редких элементов обладают высокой термической устойчивостью.

Так, например, гафний, ниобий, тантал, рений плавятся выше 2000-3000 С. Высокой огнеупорностью обладают их оксиды, а карбиды некоторых из них имеют температуру плавления до 4000 0С и выше. Многое можно сказать об огнеупорных керамических материалах, содержащих редкоземельные элементы, специальных жаростойких и коррозионностойких сплавах с ниобием, танталом, рением и др. редкими элементами.

Редкоземельные элементы нашли широкое применение в качестве легирующих добавок при производстве специальных сталей, повышающих их механические и термические свойства.

Одна из основных задач материаловедения (базирующаяся на физике и химии) состоит в том, чтобы найти зависимость свойств тел от их состава и строения. Среди этих чрезвычайно многообразных свойств первое место занимают механические характеристики тел. В самом деле, именно они непосредственно зависят от взаиморасположения частиц (атомов, ионов, молекул), особенностей их теплового движения и от сил, действующих между ними и связующих молекулы, атомы или ионы в ту сторону, которая и образует данное тело. Вместе с тем именно механические свойства - прочность, упругость, вязкость или, наоборот, обрабатываемость твердых тел, податливость их по отношению к различным механическим воздействиям - являются теми качествами, которые определяют поведение твердых тел как технических материалов в деталях зданий, сооружений, машин, приборов, в изделиях бытового назначения.

Неизмеримо актуально направление, которое нацелено на решение задач активного вмешательства в производственно-технологические процессы приготовления твердых тел и структурированных дисперсных систем со свойствами, определяемыми заданной дисперсной структурой.

Такова, например, задача получения из давно известных веществ (например, цемента, различных синтетических полимеров, металлов и сплавов) деталей для строительства зданий, для новых конструкций машин, строительных и конструкционных материалов с использованием всех качеств сырья, которые оно может дать. Решение этой задачи дает возможность получить с наименьшим расходом сырья и наибольшей производительностью материалы наивысшего качества, иначе говоря, осуществить синтез уже не вещества, а твердого тела - носителя прочности, носителя сложной совокупности механических свойств.

Под веществом понимают вид материи, который в отличие от поля, обладает массой покоя; то, из чего состоит физическое тело, а материал - это вещество, идущее на изготовление чего-нибудь.

Такой синтез тел, в дополнение к синтезу веществ - является важнейшей проблемой науки. Перед наукой стоит задача синтеза новых веществ как сырья для материалов и синтеза материалов. Если будут получены только новые вещества - избыток сырья, но не будет оптимальных технологических процессов, позволяющих переработать вещества в материалы, то будет решена только половина задачи.

Т. е. «активное» направление науки о материалах призвано изменить представление о материаловедении как описательной науке. Разработка путей активного вмешательства в структуру материалов уже давно вытесняет созерцательное направление в материаловедении. Здесь больше всего сделано металлургами, металловедами, специалистами по обработке металлов и сплавов. Хуже обстояло дело с полимерами, так как путалось понятие «вещество» и «материал»; поскольку считали, что если синтезировали ценное вещество, то значит, получили новый материал.

Важнейшая задача современной науки - обоснование оптимальной технологии производства новых высокопрочных и долговечных дисперсных (мелкозернистых) материалов различного назначения. Такая технология должна отвечать и требованиям экономичности производства и высокому качеству продукции - конкурентно способная.

Теоретической основой материаловедения являются соответствующие разделы физики и химии, однако наука о материалах развивается в основном экспериментальным путем. Поэтому разработка новых методов исследования строения (структуры) и физико-механических свойств материалов способствует дальнейшему развитию материаловедения.

Электронная микроскопия тончайших металлических фольг и нейтронография позволяют изучать элементы кристаллографической структуры, ее дефекты и закономерности превращений под воздействием внешних факторов (температура, давление и др.).

Изучение физических (плотность, электропроводность, теплопроводность, магнитная проницаемость и др.), механических (прочность, пластичность, твердость, модуль упругости и др.), технологических (жидкотекучесть, ковкость, обрабатываемость резанием и др.) и эксплуатационных свойств (сопротивление, коррозия, изнашивания и усталости, жаропрочность, хладостойкость и др.) позволяет определять области рационального использования различных материалов с учетом экономических требований.

Для создания новых материалов привлекаются ученые разных специальностей - физики, химики, механики, математики, материаловеды и др. В Украине, в частности, в Национальной академии наук работают мощные институты в области физики, твердого тела, металлофизики, механики и прочности материалов, физико-химической механики материалов, сваривания, специальной электрометаллургии, порошковой металлургии, технологии и техники высоких давлений, литейных технологий и в др. направлениях.

Ученые - материаловеды Украины достигли больших успехов в создании конструкционных и функциональных материалов, новых процессов, технологий и техники для производства таких материалов, изучения их эксплуатационных свойств в заданных условиях и т.д.

В создании и развитии материаловедческого центра Украины особенная роль принадлежит выдающемуся ученому и организатору науки Б.Е.Патону.

Большой вклад в развитие науки о материалах внесли русские и советские ученые. П.П.Аносов (1799-1851 г.г.) впервые установил связь между строением стали и ее свойствами. Д.К.Чернов (1839-1921 г.г.) открыл полиморфизм стали, всемирно признан основоположником научного металловедения.

Большое значение в развитии методов физико-химического исследования и классификации сложных фаз в металлических сплавах работы Н.С.Курнакова (1860-1941 г.г.) и его учеников.

Разработка теории и технологии термической обработки стали связана с именами С.С.Штейнберга (1872-1940 г.г.), Н.А.Минкевича (1883-1942 г.г. Исследованию механизма и кинетики фазовых превращений в металлических сплавах посвящены работы крупных советских ученых С.Т.Конобеевского, А.А.Байкова, Г.В.Курдюмова, В.Д.Садовского, А.А.Бочвара, Н.В.Агеева и многих др.

Работы крупнейшего русского химика А.М.Бутлерова (1828-1886 г.г.), создавшего теорию химического строения органических соединений, создали научную основу для получения синтетических полимерных материалов. На основе работ С.В.Лебедева впервые в мире было создано промышленное производство синтетического каучука. Большое значение для развития полимерных материалов имели структурные исследования В.А.Каргина и его учеников.

Среди зарубежных ученых большой вклад в изучение железоуглеродистых сплавов внесли А.Ле-Шателье (Франция), В.Аустен (Англия), Ф.Осмонд (Франция) и др.

Важнейшие рентгеноструктурные исследования сплавов провели М.Лауэ; П.Дебай (Германия), У.Г.Брэгг и У.Д.Брэгг (Англия); Бейна, Мейла (США), Циглер (ФРГ), Натта (Италия).

Традиционное управление свойствами материалов базируется на триаде Н.С. Курнакова: состав - структура - свойства. Сегодня к этой триаде «С» можно добавить еще одно «с» - способ синтеза (или воздействие). Таким образом, заданные свойства материала можно получить, взяв определенный состав компонентов, выбрав способ синтеза материалов (т. е. технологию его получения), позволяющей создать такую структуру, которая обеспечит требуемые свойства. В этой цепочке структура материала играет одну из важнейших ролей. Поэтому оптимизация технологии получения и обработки материалов сводится к созданию условий формирования заданной структуры материалов на различных уровнях.

Структура (лат. struktura - строение, расположение) - это определенная взаимосвязь, взаиморасположение составных частей; строение. При этом структуру материала следует рассматривать как сложную систему, состоящую из иерархии подсистем или уровней.

Рассмотрим отдельные уровни структуры, элементы которых различаются по природе, механизмам формирования и размерам.

Макроструктура - это строение материала, видимое невооруженным глазом или с помощью лупы, т.е. при увеличениях до 25 раз. Основными элементами этого уровня структуры являются зерна первичной кристаллизации (для кристаллических твердых тел), нарушение сплошности (раковины, рыхлости, газовые пузыри, расслоение, трещины и т.д.). Размер таких элементов 10-1- 5?10-3 м. Средствами воздействия на макроструктуру служат регулирование технологических параметров (скорости охлаждения, давления и т.д.), обработка давлением, модифицирование и т.п. Изучение макро структуры позволяет сделать заключение о правильности ведения технологического процесса.

Микроструктура - это строение материла, выявляемое с помощью микроскопа (светового или электронного). Основными элементами микроструктуры являются кристаллиты (зерна вторичной кристаллизации для металлических материалов), их размер - 5 10-3 - 10-5 м. Форма, размеры и взаимное расположение кристаллитов, а также их ориентировка зависят от условий их образования. От микроструктуры зависят многие механические и физические свойства материалов.

Субструктура материалов - это внутреннее строение кристаллитов (зерен). Кристаллиты (зерна) состоят из блоков (субзерен), развернутых друг относительно друга на углы порядка минут. Эти блоки разделены субграницами. Важными характеристиками субструктуры являются форма и размеры субзерен и их угловая разориентировка, а также протяженность субграниц. В субзернах имеются дислокации, образующие скопления либо расположенные беспорядочно. Основными элементами субструктуры, размер которых 10-5 - 10-8 м., являются блоки, разграничиваемые скоплениями дислокаций, мелкие выделения, возникающие в процессе той или иной обработки материала. Субструктура изучается с помощью электронной микроскопии и рентгенографии.

Атомная структура - конкретное расположение атомов, входящих в состав данного материала, в пространстве. Элементами атомного уровня структуры являются атомы, их размер - 10-10 - 10-13 м. Атомная структура изучается с помощью рентгено-, электроно- и нейтронографии.

Под мезоструктурой понимают структурные образования, промежуточного масштаба между микроструктурой и атомной структурой. Если рассматривать твердое тело в мезоскопическом аспекте, то в нем обнаруживается существование дисперсных участков или зон тонкой неоднородности. Эти неоднородности образованы атомными группировками, более или менее отличными от матрицы, как по пространственному расположению, так и по составу атомов. Они обладают определенной автономностью по отношению к окружающей их основной кристаллической среде (матрице), но не отделены от нее четко выраженными границами. Наличие таких неоднородностей обусловливает неравномерное распределение механических напряжений. Элементами мезоструктуры являются атомно-кристаллические ячейки, атомные группировки, дислокации в твердом теле. Размер этих элементов - 10-8 - 10-10 м. Методы их изучения - рентгенография и электронная микроскопия высокого разрешения, ожеспектроскопия.

Таким образом, структура материала представляет собой иерархическую систему, разделяющуюся на пять подсистем - уровней: макро-, микро-, суб-, мезо- и атомный. На каждый из этих уровней можно воздействовать, например, легированием.

Суб-, мезо- и атомный уровень структуры объединяются одним понятием тонкая структура. Следовательно, говоря о тонкой структуре материала, мы имеем в виду размер, форму и распределение субзерен- блоков мозаики, величину и распределение микроискажений, плотность и распределение дислокаций, выделения и т. п.

Информацию о тонкой структуре материалов можно получать с помощью дифракционных методов.

В последние десятилетия структурное состояние конденсированных сред пополнилось новым понятием - фрактальная структура или фрактал. Фрактальная структура - это расползающаяся, разреженная структура, которая имеет повторяющиеся на разных уровнях одинаковые элементы. Фракталы напоминают узоры из снежинок. Сходство со снежинками объясняется их повторяющимся узором в различных (метровом, миллиметровом, микронном и т. д.) масштабах. Фрактальные структуры формируются в результате протекания неравновесных термодинамических процессов. Такие структуры склонны к самоорганизации. Движущей силой самоорганизации формирующемся объёме с сохранением свойств самоподобия (масштабной инвариантности).

является стремление к снижению энергии. Отличительным	свойством	фрактальных
структур является уменьшение по мере роста средней	плотности	вещества в

При рассмотрении фрактальных структур невозможно использовать классические представления, разработанные для кристаллических твердых тел. Фрактальные системы в большинстве своем являются неупорядоченными. Примерами таких систем могут служить агрегаты, образующиеся в неравновесных условиях, при слипании движущихся по определенному закону частиц, дислокационные структуры, образующиеся при пластической деформации материала вблизи точки фазового перехода I рода.

Развитие физического материаловедения в последние два десятилетия привело к формированию нового подхода к управлению свойствами материалов путем управления фрактальной мезоструктурой. Новый подход связывает свойства материалов не с исходной микроструктурой, а с динамической мезоструктурой, самоорганизующейся в неравновесных условиях. Неравновесная система способна к самовыбору оптимальной фрактальной структуры, необходимой для дальнейшего функционирования системы как целого. Использование теории фрактала даёт возможность устанавливать связь между процессами, протекающими на различных масштабных уровнях (микро-, мезо-, макро-).

Сейчас одно из перспективных научных направлений в области физического материаловедения связано с созданием кластерных материалов, т. е. материалов, структура которых состоит из фрагментов (кластеров), содержащих 102… 104 атомов. Размер этих фрагментов порядка 1…10 нм. Отличительные особенности кластерного состояния вещества обусловлены тем, что доля поверхностных атомов фрагмента (кластера) соизмерима с количеством атомов в его объёме. В кластерном состоянии могут находиться металлы, сплавы, бориды, карбиды, нитриды и др. Кластерные соединения присутствуют в парах многих веществ, существуют в жидкостях и в твёрдой фазе материалов, придавая им уникальные физико-химические свойства, которые имеют зачастую аномальный характер. Материалы кластерного типа можно получать в виде массивных изделий сложной формы, нитей, тканей, лент, защитных, износо-, и коррозионностойких, а также специальных покрытий и т. п.

Повышенный интерес к кластерным материалам обусловил интенсивное развитие исследований как с целью формирования представлений о природе кластерного состояния вещества, так и в связи с необходимостью объяснить необычные физико- химические свойства систем кластерного типа. Особое место при этом занимает изучение электронной и атомной структуры данного класса материалов, поскольку большинство важнейших в практическом отношении свойств в значительной степени определяются их особенностями.

В последние десятилетия в промышленно развитых странах сформировалось новое научно-техническое направление «нанофизика, наночастицы, наноматериалы, нанотехнологии и наноустройства», программами которого предусмотрено изучение дву- и трёхмерных наноструктур. Под наноструктурами понимают такие структуры, у которых размер отдельных кристаллов или фаз, составляющих их основу, не превышает 100 нм хотя бы в одном измерении.

В наноструктурных материалах существенную роль в формировании свойств играют размерные эффекты, атомы, находящиеся в поверхностных слоях зёрен, размер которых не превышает 10…15 нм, и межфазные границы, в пределах которых, как правило, дальний порядок расположения атомов нарушен.

Наноструктурные материалы являются высокоэффективными катализаторами.

Система с беспорядочным распределением высокодисперсных металлических частиц в диэлектрической матрице может служить в качестве поглотителя электромагнитных волн. Керамика с зёрнами нанометрового размера является пластичной и её можно раскатывать в ленты.

Наноструктурные образцы из сталей и сплавов на основе Al, Ti и др. металлов имеют предел текучесть, превышающий в 1,5…2 раза этот параметр для образцов с обычными зернами.

Значительный всплеск исследований в области наноматериалов обусловлен двумя обстоятельствами. Во-первых, уже на первых порах выявились возможности реализации высокого уровня физических и физико-химических свойств в наносостоянии; во-вторых, эта проблематика выявила ряд пробелов не только в понимании природы особенностей этого состояния, но и в его технологической реализации. Всё перечисленное вызвало широкий фронт исследований, многочисленные конференции и мощный поток публикаций.

Одно из новых направлений в материаловедении связано с открытием в 1985 г. новой молекулярной формы углерода-фуллеренов. Одним из интересных направлений в физике фуллеренов являются эндоэдральные структуры, формируемые путём заполнения внутренней полости молекулы фуллерена одним или несколькими атомами другого элемента. Внедрение атомов в фуллереновую полость придает эндоэдральной молекуле постоянный дипольный момент, что позволяет осуществлять ориентацию молекул электрическими полями.

В 1991 г. впервые синтезированы углеродные нанотрубки - тонкие протяжённые нити, прочность которых более чем на порядок превышает прочность высоколегированных сталей. Нанотрубки можно использовать в качестве источников тока, аккумуляторов водорода, оптических фильтров. Уже сейчас, например, углеродные нанотрубки используют в качестве оптических затворов, в частности, для защиты от интенсивного лазерного излучения. Способность нанотрубок к холодной эмиссии электронов под действием приложенного напряжения легла в основу новых электроннолучевых трубок с плоским экраном.

Таким образом, необходимо развивать современные представления и методы исследования микро-, суб- и мезоструктуры, роль дефектов, их взаимодействия между собой и с примесями в структурообразовании и формировании свойств материалов. В отечественной и зарубежной литературе отсутствуют обобщающие работы по анализу взаимосвязи процессов структурообразования и формирования свойств материалов, в частности, металлических, начиная с жидкого состояния, перехода их в кристаллическое состояние и затем в процессах обработки. При этом наименее освещены процессы генетической связи структуры и свойств жидких и твердых металлов и сплавов. А без достаточно глубокого анализа этих вопросов невозможно подойти к коренному усовершенствованию существующих и созданию новых технологий получения материалов с заданными свойствами.

Явления сегрегации примесей (межкристаллитной внутренней адсорбции) на границах зёрен механизм их воздействия на прочность границ зёрен изучены недостаточно, хотя их существенное влияние на свойства материалов, особенно охрупчивание, известно хорошо. Встречающиеся в литературе теоретические и экспериментальные данные по межкристаллитной внутренней адсорбции часто носят противоречивый характер. Чтобы глубже проникнуть в сущность явления межкристаллитной внутренней адсорбции, требуется систематизация имеющихся данных, их совместный анализ, выяснение физической природы этого явления, движущих сил адсорбции, её зависимость от температуры.



1. ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

К началу ХХI века в традиционной, фундаментальной науке произошли заметные перемены. Взамен анализа и дробления наук на смену детерминизму, линейности, обратимости и континуальности приходит синтез наук, осознание реальности структур, синергетика эволюции сложных, нелинейных, динамических систем.

Принципиально новые, систематические, синергетические подходы к явлениям природы и социума позволили определить основные изменения в фундаментальной науке: 1) развивается иерахичность и фрактальность сложных реальных структур материалов и природных объектов; 2) наблюдается стохастичность и вероятностность хода эволюции сложных реальных систем взамен детерминизма; 3) определена необратимость, неравновесность, нелинейность и непредсказуемость в реальных термодинамических открытых системах; 4) вскрыта автоволновость в развитии любых живых и природных объектов, социума и Вселенной; 5) установлена общность единых парадигм для макро-, мезо- и микромира; 6) развивается междисциплинарный подход к явлениям природы, основанный на интеграции наук: кибернетики, синергетики, экологии; 7) создана глобалистика - наука об общечеловеческих проблемах выживания людей на Земле.

Главная парадигма современного материаловедения - «от микроструктуры материала к его макросвойствам» (рисунок 1.1) приобрела новое содержание благодаря синтезу иерархии структур и моделей пластической деформации и разрушения на макро-, мезо- и микроуровнях.



Рис.1.1 Основная парадигма современного материаловедения - «От реальной структуры материала к его физико-механическим свойствам»

Верхний ряд - примеры моделей дефектов микро- и мезоструктуры материала:

- упругая деформация кристаллической решетки растворенными примесными атомами;

- торможение движущейся дислокации дисперсными избыточными фазами (частицами);

- торможение дислокационных нагромождений границами зерен.

Нижний ряд - примеры, отражающие изменение некоторых физико-механических свойств под воздействием структурных дефектов, изображенных на верхнем ряду.

Микроуровень реальной структуры материала (рисунок 1.2) учитывает динамику точечных дефектов и отдельных дислокаций.

Макроуровень анализируется классической механикой с учетом реальности макроструктуры объекта.

Связующим звеном служит мезоуровень структуры, в котором изучаются дислокационно-дисклинационные ансамбли, блоки, фрагменты, ячейки, полигоны внутри зерен. Для этого уровня характерно сочетание дислокационного скольжения и дислокационной ротации при развитии пластической деформации.

Рис.1.2. Структурные уровни деформации и разрушения материалов:

dg скорость пластической деформации скольжением, b вектор Бюргерса дислокации, скорость пластической деформации ротацией, D - число дисклинационных диполей, W вектор ротации (Франка), VI - средняя скорость ротации, 2а - ширина дисклинационного диполя, Е - модуль упругости Юнга, Т - предел текучести материала, - макродеформация материала при изгибе, оп - допускаемое напряжение, n - коэффициент запаса прочности.

Большое развитие получает физическая мезомеханика материалов как аппарат синтеза физических моделей и количественных расчетов (численное моделирование процесса пластической деформации и упрочнения на мезоуровне).

Современная металлофизика вскрыла волновой характер самоорганизации мезоструктур при внешнем энергетическом воздействии на материал - вслед за хаотическим нагромождением свежих дислокаций наступает период самоорганизации ячеистых субструктур, сменяемый при дальнейшей деформации сложными дисклинационными диполями (возникновение полосовых мезоструктур).

Реальный факт самоорганизации в структуре материалов позволил расширить это фундаментальное представление на все масштабные уровни окружающей природы и социума (рисунок 1.3).

Современное материаловедение как междисциплинарная наука о связях реальной структуры материала с его физико-механическими свойствами в ХХI веке будет развиваться как в фундаментальном плане, так и в создании новых функциональных и гибридных материалов, сочетающих в себе различные типы металлов, керамик и полимеров.

Рис. 1.3. Новая иерархия структур в современном материаловедении.

Верхний ряд - традиционная классификация структур, нижний ряд - новая классификация (размерный ряд) на основе синтеза физики конденсированного состояния и механики.

Будет развиваться поиск новых материалов для работы в экстремальных условиях:

- высокого вакуума (для космических полетов и новой техники),

- сверхнизких температур (для криогенной техники),

- сверхвысоких температур (для ракетных двигателей),

- агрессивных сред (для новых химических технологий),

- сверхвысокого давления (для синтеза алмазов),

- радиационного облучения (для атомной энергетики),

- невесомости (для космических кораблей и полетов),

- мощных вибраций (для ракет и транспортных машин),

- интенсивного износа (для скоростных двигателей).

Развитие научных исследований в области современного материаловедения в ХХI веке будет, вероятно, ориентировано на решение пяти наиболее важных проблем:

1) повышение конструктивной прочности массовых материалов;

2) создание новых композиционных материалов;

3) конструирование новых материалов на атомно-молекулярном уровне;

4) модифицирование поверхности высокоэнергетическими воздействиями;

5) изучение и использование новых наноструктурных углеродных кластеров- фуллеренов и нанотруб.

Проблема первая (рисунок 1.4) включает улучшение физико-механических характеристик материалов, имеющих широкое применение. Типичным примером этого направления может служить повышение конструктивной прочности стали для деталей машин и различных конструкций.



Рис.1.4. Проблема 1. Повышение конструктивной прочности массовых материалов.

Подпроблема 1.1. представлена структурной теорией конструктивной прочности материалов, основанной на интеграции современных достижений металлофизики, нелинейной механики пластической деформации и разрушения, на теории диссипативных структур, синергетике и нелинейной динамике, на фрактальности и самоорганизации микро- и мезоструктур при неравновесных фазовых переходах. Структурная теория конструктивной прочности позволяет вскрывать эффективные дислокационно-диклинационные модели упрочнения материала в каждом конкретном случае его использования. Эти оптимальные модели позволяют получить необходимую реальную структуру материала, путем конструирования новых, высоких технологий упрочнения для повышения эксплуатационных характеристик (для повышения конструктивной прочности материала) изделий из выбранного материала (стали).

Созданная структурная теория конструктивной прочности подтвердила общность парадигм современного материаловедения для микро-, мезо- и макроструктурных уровней пластической деформации, упрочнения и разрушения материалов.

Подпроблемы 1.2 и 1.3 (см. рисунок 1.4) развивают структурную теорию конструктивной прочности в приложении к реальным технологическим процессам улучшения качества материалов.

Идея сочетания наиболее эффективных дислокационно-дисклинационных (двух или даже трех) моделей упрочнения была реализована при разработке новой высокой технологии - регулируемого термопластического упрочнения (способ РТПУ) для повышения конструктивной прочности стали.

Так, в РТПУ значительное измельчение зерен аустенита удачно сочетается с другой эффективной моделью создания в мелком зерне организованных дислокационно-дисклинационных построений (ансамблей) ячеисто-полигонального типа.

Синергетический эффект от суммарного действия этих двух моделей упрочнения позволяет, по сравнению с традиционными способами термической обработки стали (закалка и отпуск), либо повысить показатели прочности (предел текучести и предел прочности) при равной пластичности и трещиностойкости, либо повысить трещиностойкость при сохранении равного уровня прочности.

Способ РТПУ назван регулируемым, так как ряд параметров этого процесса (температура аустенитизации, степень деформации в предпоследнем и последнем проходе в прокатных валках, время междеформационного интервала, скорость охлаждения и другие) могут легко регулироваться для получения требуемой структуры и, следовательно, достижения необходимого уровня конструктивной прочности стали.

В ближайшие годы перспективная структурная теория конструктивной прочности и основанная на этой теории технология регулируемого термопластического упрочнения стали (способ РТПУ), вероятно, будут востребованы как исследователями в научных лабораториях, так и практиками в металлургической промышленности.

Проблема вторая (рисунок 1.5) включает различные аспекты конструирования новых композиционных материалов, сочетающих в себе несущие волокна (стержни) с основой (матрицей).

Подпроблема 2.1. предусматривает расширение использования в композиционных материалах различных керамик. Обладая целым комплексом положительных свойств (высокие твердость и прочность, жаростойкость и жаропрочность, антикоррозийность и другие) керамики весьма хрупки и это сдерживает их использование для деталей машин и конструкций.

Решение этой проблемы возможно путем использования керамик при конструировании композиционных материалов, как в качестве несущих элементов, так и для материала матриц.

Подпроблемы 2.2 и 2.3. развивают теорию и технологию композиционных материалов главным образом при использовании углеродных материалов и керамик.

Рис 1.5. Проблема 2. Разработка новых композиционных материалов.

Проблема третья (рисунок 1.6) охватывает новые возможности в конструировании принципиально новых материалов с модулированными структурами, которые открываются последними достижениями материаловедения в микроэлектронике.



Рис.1.6. Проблема 3. Конструирование новых материалов на атомно-молекулярном уровне.

Высокая технология молекулярно-лучевой эпитаксии (подпроблема 3.1.) позволяет создавать любые новые материалы путем конденсации атомов на подложке в условиях глубокого вакуума. Пока такие экспериментальные установки («Катунь» в Институте физики полупроводников СО РАН) используются для получения интерметаллических соединений определенного состава и структуры в микроэлектронике. Но совершенствование этой технологии в будущем позволит распространить идеи целенаправленного конструирования материалов и для других объектов техники, информатики, биотехнологии.

Развитие опто-волоконных систем связи потребует новых источников когерентного излучения (подпроблема 3.2.). Субмикролазеры с квантовыми эффектами будут иметь моделированную мезоструктуру, полученную с помощью технологии молекулярно-лучевой эпитаксии.

Особое место (подпроблема 3.3.) в создании неизвестных ранее, сложных материальных композиций занимают сверхпроводящие материалы.

Неожиданный прорыв в эволюции повышения пороговой температуры для ряда известных сплавов типа ниобий-титан в 1986 году, когда эффект сверхпроводимости был открыт для керамики уже при температуре жидкого азота, только активизировал многочисленные исследования в развитых странах мира. В ближайшие десятилетия следует ожидать как новых теорий (взамен теории парных электронов), так и новых сверхпроводящих материалов, обеспечивающих развитие уникальных ускорителей заряженных частиц в ядерной физике, новых измерительных систем и т.д.

Проблема четвертая (рисунок 1.7) охватывает значительные изменения в свойствах поверхности изделий, что вместе с особыми характеристиками объема, составляет смысл комбинированного упрочнения деталей машин и конструкций, работающих в условиях высоких контактных напряжений, интенсивного износа и коррозионных воздействий. Интересы исследователей будут направлены как на изменение химического состава в поверхностном слое, так и на изменение структуры, которые обеспечат улучшение эксплуатационных характеристик детали в целом.

Рис.1.7. Проблема 4. Модифицирование поверхности высокоэнергетическими воздействиями.

Высокоэнергетическое воздействие на поверхность электронами (подпроблема 4.1) активизируется благодаря созданию мощных ускорителей с выводом электронного пучка из вакуумной камеры на воздух. Будут развиваться исследования активного нагрева поверхности (для поверхностной термической обработки) и поверхностного оплавления изделий с дополнительным вводом легирующих элементов.

Высокодозная ионная имплантация (подпроблема 4.2.) получит дальнейшее развитие в направлении создания в тонком поверхностном слое изделия неравновесных, высокодефектных мезоструктур, направленных на повышение конструктивной прочности изделия.

Защитные и износостойкие покрытия (подпроблема 4.3.) сохраняют свое значение для защиты поверхности изделий от термического воздействия, от различных видов износа, от агрессивных воздействий среды. Проблема пятая (рисунок 1.8) связана с получением и использованием принципиально новой структурной формы (модификации) углерода - с наноструктурными кластерами- фуллеренами и нанотрубами.

Рис.1.8. Проблема 5. Новые наноструктурные кластеры, фуллерены и нанотрубы

Вероятно, усилия исследователей будут направлены на разработку технологии получения кластеров, пригодной для массового и дешевого получения нанокристаллического материала (подпроблема 5.1.), на изучение физико-химических и механических характеристик фуллеренов и нанотруб, зависящих от дефектов микроструктуры и от степени очистки от примесей (подпроблема 5.2.), на поиск новых областей применения этих новых материалов (подпроблема 5.3.).

Все пять вышеперечисленных проблем современного материаловедения не исключают и другие, возможные, важные направления исследований в начале ХХI века как фундаментального, так и прикладного плана. Все эти научные поиски будут основываться на:

-главной парадигме современного материаловедения - «от реальной структуры материала - к его свойствам» (см. рисунок 1.1);

- принципиальной классификации реальной структуры (см. рисунок 1.3) и общности парадигмы для микро-, мезо- и макроуровней эволюции структуры;

- изучение развития упругой, пластической деформации и разрушения материала (см. рисунок 1.2).

Современное материаловедение, как наука о структуре и свойствах различных материалов, существенно модернизируется за счет интеграции идей физики конденсированного состояния, химии и технологии неорганических веществ, механики твердого деформируемого тела и нелинейной механики разрушения.

Единый синергетический подход к явлениям первичной и вторичной кристаллизации, упругой и пластической деформации и разрушению стал возможен благодаря новому пониманию реальной структуры материалов на всех иерархических уровнях.

Синергетика, самоорганизация, нелинейная динамика и теория единой блочности структур позволили создать структурную теорию конструктивной прочности и разработать новые, прогрессивные технологии упрочнения материалов.



2. НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

Ключевые технологии и материалы всегда играли большую роль в истории цивилизации, выполняя не только узкопроизводственные функции, но и социальные. Достаточно вспомнить, как сильно отличались каменный и бронзовый век, век пара и электричества, атомной энергии и компьютеров. По мнению многих экспертов, XXI век будет веком нанонауки и нанотехнологий, которые и определят его лицо.

Нанонауку можно определить как совокупность знаний об особенностях поведения вещества в нанометровом масштабе размеров, а нанотехнологии - как искусство создавать и оперировать объектами с размерами в диапазоне от долей до сотен нанометров (хотя бы в одном или двух из трех измерений).

Основные компоненты нанотехнологии представлены на рис. 2.1. Ее принципиальным фундаментом является физика, химия и молекулярная биология искусственных и естественных объемов, состоящих из счетного числа атомов, т.е. таких объектов, в которых уже в значительной степени проявляйся сильная зависимость всех свойств от их размеров (размерные эффекты), дискретная атомно-молекулярная струк- тура вещества и/или квантовые закономерности его поведения.

Другой важнейшей составной частью нанотехнологии является умение целенаправленно создавать или находить в природе наноструктурированные материалы и объекты с наперед заданными свойствами. Следующая составляющая нанотехнологии

- создание готовых продуктов, многокомпонентных изделий с новыми потребительскими качествами и назначением (сверхъемкая память, сверхскоростные процессоры, интеллектуальные нанороботы и др.). Наконец, средства контроля, аттестации и исследования наноизделий и наноструктурированных материалов на всех стадиях изготовления и использования - также необходимая компонента нанотехнологии.

Уже сейчас в области нанонауки и нанотехнологии реализуются десятки крупных программ во всех развитых странах мира. Нанотехнологии используются в таких значимых для общества сферах как здравоохранение и медицина, биотехнологии и охрана окружающей среды, оборона и космонавтика, электроника и вычислительная техника, химическое и нефтехимическое производство, энергетика и транспорт. Темпы роста инвестиций и внедрения нанотехнологии в индустриально развитых странах мира сейчас очень высоки, и в ближайшие 10 - 20 лет она будет определять уровень экономического развития и в значительной мере - социальный прогресс в обшестве.

Такая перспектива ставит новые задачи и всей системе образования, в первую очередь - профессионального. Поскольку нанотехнология подразумевает интеграцию фундаментальных знаний и высокотехнологичных способов производства наноструктурированных материалов и готовых изделий, в западных университетах наметилась тенденция сокращения объемов подготовки как «чистых» физиков, математиков, химиков, биологов, так и инженеров традиционных направлений: металлургов, механиков, энергетиков, технологов, и увеличения доли «синтетических» специальностей в области физического материаловедения и нанотехнологии.

За последние несколько лет в мировой периодике опубликовано около 10 тыс. статей по нанопроблематике и начало издаваться около десятка ежемесячных специализированных журналов по отдельным направлениям нанонауки.

Итак, что же сейчас понимают под нанотехнологиями? Сама десятичная приставка «нано» означает одну миллиардную часть чего-либо. Таким образом, чисто формально в сферу этой деятельности попадают объекты с характерными размерами R (хотя бы вдоль одной координаты), измеряемыми нанометрами (1 нм = 10-9 м=10Е).



Реально диапазон рассматриваемых объектов и явлений гораздо шире - от отдельных атомов (R < 0,1 нм) до их конгломератов и органических молекул, со- держащих более 109 атомов и имеющих размеры гораздо более 1 мкм в одном или двух измерениях (рис.2.2). В силу действия различных причин (как чисто геометрических, так и физических) вместе с уменьшением размеров падает и характерное время протекания разнообразных процессов в системе, т.е. возрастает ее потенциальное быстродействие, что очень важно для электроники и вычислительной техники. Реально уже сейчас достигнутое быстродействие - время, затрачиваемое на одну элементарную операцию в серийно производимых компьютерах, составляет около 1 нc (10-9 с), но может быть еще уменьшено на несколько порядков величины в ряде наноструктур.

Наивно было бы думать, что до наступления эры нанотехнологии человек не сталкивался и не использовал объекты и процессы на наноуровне. Так, биохимические реакции между макромолекулами, из которых состоит все живое, получение фотографических изображений, катализ в химическом производстве, бродильные процессы при изготовлении вина, сыра, хлеба и другие происходят на наноуровне. Однако «интуитивная нанотехнология», первоначально развившаяся стихийно, без должного понимания природы используемых объектов и процессов, не может быть надежной основой в будущем. Поэтому первостепенное значение имеют фундаментальные исследования, направленные на создание принципиально новых технологических процессов и продуктов. Возможно, нанотехнологии смогут заменить некоторую часть морально устаревших и неэффективных технологий, но все-таки, ее главное место - в новых областях, в которых традиционными методами в принципе невозможно достигнуть требуемых результатов.

Таким образом, в громадном и пока еще слабо освоенном зазоре между макроуровнем, где действуют хорошо разработанные континуальные теории сплошных сред и инженерные методы расчета и конструирования, и атомарным, подчиненным законам квантовой механики, находится обширный мезоиерархический уровень структуры материи (техоs - средний, промежуточный с греческого). На этом уровне протекают жизненно важные биохимические процессы между макромолекулами ДНК, РНК, белков, ферментов, субклеточных структур, требующие более глубокого понимания. Вместе с тем здесь могут быть искусственно созданы невиданные ранее продукты и технологии, способные радикально изменить жизнь всего человеческого сообщества. При этом не потребуется больших затрат сырья и энергии, как и средств для их транспортировки, уменьшится количество отходов и загрязнение окружающей среды, труд станет более интеллектуальным и здоровым.

2.1 Смена основной технологической парадигмы

Гениальные люди предчувствовали возможность радикальной смены подхода к производству необходимых человеку вещей задолго до наших дней. Так, еще в XVII в. французский мыслитель П. Гассенди предлагал использовать отдельные атомы (о существовании которых тогда можно было только догадываться) в качестве строительных модулей для создания самых разных полезных предметов, подобно тому, как из одинаковых кирпичей можно выложить дом любой заданной конфигурации. В 1959 г. Нобелевский лауреат в области физики Ричард 1 Фейнман прочел публичную лекцию, впоследствии ставшую знаменитой и цитировавшуюся в серьезных изданиях несколько тысяч (!) раз. Ее название аллегорично - «Внизу полным-полно места: приглашение шагнуть в новую область физики»: (Тhеге's рlеnty room аt the bottom an invitation to enter a new field of physics). В ней обращалось внимание на то, что законы физики не препятствуют получению изделий методом поатомной (или полимолекулярной) сборки, а скорее, даже способствуют этому.

В результате родилась новая стратегия в технологии: вместо обработки «сверху - вниз» (т.е. получения деталей или готовых изделий из заготовки путем отделения ненужных частей) сборка или самосборка (self-аssеmbly) «снизу-вверх» (т.е. безотходный молекулярный дизайн изделия из элементарных «кирпичиков» природы - атомов и молекул (рис. 2.3).

Здесь уместно также вспомнить и легенду о первом русском «нанотехнологе», лесковском Левше - тульском мастере, сумевшем подковать «аглицкую» блоху «наногвоздями», которые можно было разглядеть только в «мелкоскоп» с увеличением 5000000 раз (кстати, это как раз соответствует возможностям современных атомно-силовых микроскопов с атомным разрешением).

...