Размещено на http: //www. allbest. ru/

Основные направления в развитии материалов и технологий

Материаловедение как наука имеет много граней, но в общем случае состоит из двух больших направлений: металлические материалы и неметаллические материалы.

Материаловедение - это наука, устанавливающая связь между составом, структурой и свойствами материалов и сплавов, изучающая закономерности их изменения при тепловых, химических, механических, электромагнитных и радиоактивных воздействиях. Материаловедение изучает металлы и сплавы на их основе - это цветные металлы и сплавы на их основе, черные металлы (стали и чугуны) Важными направлениями материаловедения являются порошковые и композиционные материалы на металлической и неметаллической матрице. Определение зависимостей между составом и свойствами, обработкой и свойствами данных материалов позволяет найти наиболее рациональное применение их в промышленности, технике, строительстве, повседневной жизни.

К неметаллическим материалам относятся:

- органические материалы-полимеры, пластмассы, резиновые, клеящие материалы, герметики и т.д.;

- неорганические материалы - графит, ситаллы, керамика и т.д.;

- неметаллические порошковые материалы;

- композиционные материалы на неметаллической матрице.

Ускоренное развитие промышленности и техники требует от инженеров, ученых создания новых материалов, позволяющих удовлетворить все возрастающие потребности человечества. В настоящее время в машиностроительной промышленности используется около 2000 сплавов. Все машиностроительные материалы можно объединить в шесть классов: металлы, полимеры, керамика, стекла и эластомеры, которые в различных сочетаниях могут образовывать шестой класс - композиты или композиционные материалы (КМ). Эта классификация является универсальной, её корни находятся в самом начале деятельности человека, т.е. за 5000-10000 лет до н.э. С течением времени изменились лишь соотношение и качество материалов. Например, если за 5000 лет до н.э. в общем объеме применяемых материалов преобладали полимеры: эластомеры (дерево, шкура животных, волокна), керамика (камни, глина, кварц), составлявшие ~ 90 %, а на металлы и композиты приходилось менее 10 %, то к началу XX столетия доля металла возросла до 65 - 70 %, а полимеров и эластомеров снизилась до 12 - 15 %, керамики, стекол - до 8 - 10 %, композитов - до 2 - 5 %. Доминирующая роль металлов наблюдалась в конце 50-х-начале 60-х годов, когда их доля составила ~ 85 %, полимеров + эластомеров ~ 1 - 2 %, керамики и стекол ~ 4 - 5 %. Затем буквально с каждым пятилетием стало резко изменяться соотношение материалов в пользу полимеров (эластомеров), композитов, керамики и стекол с уменьшением доли металлов. Уже в 1990 г. Доля металлов уменьшилась до 60 - 65 %, т.е. стала почти такой, какой была в начале века, при этом увеличилась доля пластмасс и композитов. К 1990 г. США перешли в «век пластиков и композиционных материалов». В то время СССР продолжал оставаться в «веке стали» на уровне 50-х годов, что, безусловно, отрицательно сказалось на техническом уровне выпускаемых изделий и экономике.

Увеличение в XXI веке доли пластмасс, керамики и композитов сопровождается созданием качественно новых их видов, значительно превосходящих по свойствам многие металлические материалы: высокомодульные и высокотемпературные полимеры, композиты с металлической и неметаллической матрицей, керамические композиты, пирокерамика, вязкая керамика. Получение нанокристаллической керамики позволяет резко повысить ее пластичность, что дает основание говорить о возможности получения в промышленных масштабах сверхпластичной керамики («керамическая сталь»).

Уменьшение доли металлических материалов сопровождается также качественным их изменением: практически все новые материалы относятся к категориям с высоко-, сверх- или ультравысокими свойствами.

Современный уровень технологического и промышленного развития машиностроения, создал принципиально новые устойчивые тенденции изменения концепции выбора и применения материалов и технологий их изготовления, которые и будут определять подход к созданию материалов в настоящем тысячелетии.

Сущность изменения этой концепции базируется на следующих положениях:

- наблюдается интенсивный переход к применению материалов в метастабильном состоянии;

- резко усиливается роль синергизма механических свойств и экстремальных технологий:

- технологические процессы должны обеспечивать создание структуры материалов с высоким уровнем неравновесности и его самоорганизацию в неравновесных условиях;

- практически сформировалась тенденция создания так называемых «интеллектуальных» («разумных») материалов и технологий их изготовления, т.е. в процессе создания материалов должны закладываться принципы самовосстановления, саморегулирования, самодиагностики, что позволит исключить деградацию свойств в процессе эксплуатации изделий, а в отдельных случаях - даже их существенно улучшить (материалы с эффектом запоминания формы, функционально-градиентные и композиционные материалы);

- материал начинает рассматриваться не просто как вещество с заданным химическим составом, а как интегральное понятие, объединяющее в себе вещество, конструкцию и технологию его изготовления и обработки;

- сформировался и получает свое развитие новый подход в оценке роли материала в обеспечении конструкционной прочности: он предполагает ведущую роль поверхности и ее свойств (а не объемных свойств, как это общепринято) в обеспечении прочности и эксплуатационных свойств изделий; это привело к появлению нового направления - инженерии поверхности методами комбинированного энергетического и физико-химического воздействия.

Реализация этих особенностей концепции выбора материалов позволит существенно снизить материалоемкость изделий и при этом улучшить их эксплуатационные свойства. Ее осуществление предполагает развитие технологических процессов нового уровня, основными чертами которых являются ограниченное количество основных операций, обеспечивающих полный переход исходных материалов в целевой продукт (безотходность) с их глубоким переделом, при котором происходят радикальные изменения структуры и свойств материала.

Важное место занимает и термообработка в создании материалов и последующем их применении. Все виды термической обработки можно разбить на две большие группы: обеспечивающие получение стабильного и метастабильного структурных состояний. К первой группе относятся все виды отжига, ко второй - остальные способы обработки, обеспечивающие получение структур с различной степенью неравновесности. Причем вторую группу можно разделить на две подгруппы: термическую обработку, проводимую для получения объемных свойств, и термическую обработку для получения высоких свойств поверхности. На данный момент все большее предпочтение отдается методам управляемой обработки поверхности, использующим в качестве теплового источника концентрированные потоки энергии: ионные, лазерные, электронно-лучевые, плазменные.

Резко снижается роль термообработки в газовых и электрических печах, в соляных ваннах. Правильно подобранная термообработка позволяет снизить расход сырья и времени изготовления, повысить экономичность и технологичность изделий.

В области инженерии поверхности интенсивное развитие в начале XXI 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 методами химического и физического осаждения из паровой фазы. Эти методы достаточно хорошо апробированы, но не нашли должного применения в машиностроительной промышленности. В связи с этой проблемой нельзя исключить из рассмотрения необходимость широкого развертывания работ по проблеме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), обладающего значительным технологическим потенциалом. С его помощью могут быть получены различные дисперсные материалы (сверхтвердые соединения, гетерофазные и композиционные порошковые материалы для нанесения покрытий различных типов), а также компактные изделия как конструкционного, так и инструментального назначений. Уровень разработки этого процесса отечественными учеными таков, что возможна организация как среднесерийного, так и массового производства СВС-продукции. В последнем случае потребуется создание принципиально новых систем машин в виде автоматических роторных и роторно-конвейерных линий. материаловедение композиционный порошковый сплав

Несомненный интерес в XXI веке будет представлять космическое материаловедение, причем не только с точки зрения проведения фундаментальных исследований в области физики невесомости, но, прежде всего с точки зрения организации массового производства в космосе продукции, которая необходима в больших количествах и производство которой на земле экономически невыгодно. Но таких материалов еще немного. К ним, прежде всего относится монокристаллический арсенид галлия улучшенного стехиометрического состава, предназначенный для создания новой высокоскоростной полупроводниковой техники. Кроме того, возможно космическое производство продукции, требуемой лишь в небольших количествах, но имеющей высокую стоимость. К такой продукции относится первый космический коммерческий продукт -дисперсные латексные сферические частицы, принятые, например, Национальным бюро стандартов США в качестве эталонных образцов. Безусловный интерес представляет процесс электрофореза, используемый для очистки биомедицинских препаратов, которые находят применение в фармацевтике, а также получение кристаллов специальных полупроводниковых соединений для оптоэлектроники, используемой в технике связи или датчиках ИК (инфракрасного)-излучения.

Вопросы для самопроверки:

1. Какие основные металлические и неметаллические материалы существуют на сегодняшний день?

2. Каковы основные направления создания материалов в XXI веке?

3. Почему наука «Материаловедение» является очень важной? В чем это проявляется?

Перечень ссылок

1. Арзамасов Б. Н. Материаловедение / Б. Н. Арзамасов, И. И. Сидорин, Г. Ф. Косолапов и др.; под ред. Б. Н. Арзамасова. - М. : Машиностроение, 1986. - 384 с.

2. Лахтин Ю. М. Материаловедение / Ю. М. Лахтин, В. П. Леонтьева - М. : Машиностроение, 1990. - 528 с.

3. Прусаков Б. А. Проблемы материалов в ХХI веке / Б. А. Прусаков // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2001. - № 1.- С. 3-5.

Размещено на Allbest.ru