Лекция 1. Введение

Введение. Задачи курса. Роль материалов в современной технике. Работы отечественных и зарубежных ученых в области материаловедения. Классификация технических материалов. Критерии оценки и выбора материала.

Материаловедение – дисциплина изучающая строение и свойства металлов и сплавов.

Цель дисциплины – изучение закономерностей формирования структуры и свойств материалов методами их упрочнения для эффективного использования в технике. Основная задача дисциплины – установить зависимость между составом, строением и свойствами (металлов), изучить термическую, химико-термическую обработку и другие способы упрочнения, сформировать знания о свойствах основных разновидностей материалов.

Особенно интенсивно развивается металловедение в последние 10-20 лет. Основными направлениями в развитии металловедения является разработка способов производства чистых и сверхчистых металлов, свойства которых сильно отличаются от свойств металлов технической чистоты. Большое внимание уделяется изучению металлов в экстремальных условиях (низкие и высокие температуры и давление).

Важное значение для повышения эффективности производства в нашей стране является использования новых материалов взамен традиционных (металлических) – пластмасс, керамики, материалов порошковой металлургии, особенно композиционных материалов, что экономит дефицитные металлы, снижает затраты энергии на производство материалов, уменьшает массу изделий.

Ученые внесшие вклад в развитие металлургии.

ЛОМОНОСОВ Михаил Васильевич (1711-1765) – великий русский ученый, уделял значительное внимание развитию в России геологии и минералогии, придавая важное значение развитию русского металлургического производства. В 1763 опубликовал руководство «Первые основания металлургии или рудных дел», в котором подробно рассмотрел свойства различных металлов и практически применяемые способы их получения.

Создание научных основ металловедения принадлежит Чернову Дмитрию Константиновичу (1839-1921), российскому ученому, основоположнику металловедения и теории термической обработки стали. Он открыл критические точки фазовых превращений стали, установил влияние термической обработки стали на ее структуру и свойства, создал стройную теорию кристаллизации стального слитка и т.д.

Другой известный ученый, российский металлург – АНОСОВ Павел Петрович (1799-1851) известен работами по высококачественной литой стали. Создал новый метод ее получения, объединив науглероживание и плавление металла. Раскрыл утерянный в средние века секрет изготовления булатной стали. Автор книги «О булатах» (1841). Впервые применил микроскоп для исследования строения стали (1831).

Гиббс Джозайя Уиллард (1839-1903) – американский физик-теоретик, один из создателей термодинамики и статистической механики, изложивший основные законы фазового равновесия и, в частности, правило фаз, основываясь на законах термодинамики.

ЛАУЭ Макс фон (1879-1960)  немецкий физик в 1912 г (Нобелевская премия (1914)) разработал теорию дифракции рентгеновских лучей на кристаллах и предложил метод, с помощью которого она была открыта, поэтому стало возможным определение атомного строения фаз.

БЕССЕМЕР Генри (1813-1898)  английский изобретатель. Первым разработал (патент 1856 года) конвертерный способ передела чугуна в сталь (бессемеровский процесс).

ЛЕДЕБУР Альфред (1837-1906)  немецкий металлург. Разработка теории закалки стали.

МАРТЕН Пьер (1824-1915)  французский металлург. Разработал способ получения литой стали в пламенной регенеративной печи (1864).

В общем случае классификация материалов включат в себя три основных разновидности материалов: металлические материалы, неметаллические материалы, композиционные материалы.

1 Металлические материалы принято классифицировать по основному компоненту. Различают черную и цветную металлургию (черные и цветные металлы).

Черные металлы делят на 5 групп:

• металлы группы железа (железо, кобальт, никель);

• тугоплавкие металлы (вольфрам, титан);

• урановые металлы – актиноиды (уран, плутоний, торий);

• редкоземельные (лантан, церий, иттрий);

• щелочноземельные (калий, натрий).

К материалам цветной металлургии принадлежат важнейшие цветные металлы (особенности цветной окрас – красный желтый, низкая твердость низкая температура плавления, высокая пластичность) – алюминий, медь, цинк, свинец, никель, олово и сплавы на их основе.

Группы цветных металлов:

• легкие (алюминий, магний, бериллий);

• благородные (золото, серебро, платина);

• легкоплавкие (олово, свинец, цинк).

К металлическим материалам относятся и материалы порошковой металлургии.

2 Неметаллические материалы различают по основным классам: резина, керамика, стекло, пластические массы, ситаллы.

3 Композиционными материалы  сложные или составные материалы, состоящие из двух разнородных материалов (например: стекла и пластмассы  стеклопластики) принято классифицировать по типу структуры, материалу матрицы, назначению и способу изготовления.

Материалы классифицировуют по назначению: материалы приборостроения, машиностроительные материалы, и более подробно, например, стали для судостроения или мостостроения. По типу структуры: аморфные, кристаллические, гетерофазные. По геометрическим признакам (по виду полуфабрикатов): листы, профили, гранулы, порошки, волокна и т.п..

При выборе материала для той или иной детали или конструкции учитывают потребности техники, стоимость (рис. 1.1), распространение в природе.

Исторически наиболее важными были металлы и сплавы, в первую очередь стали и чугуны, медь.

Содержание металлов и элементов в Земной коре: медь 0,01 %, серебро =4×10^-6 %, олово =6×10^-4%, титан =0,58 %, магний =1,94 %, золото =5×10^-7%, бериллий = 5×10^-4 %, цинк = 2×10^-2 %, железо =4,7 %, алюминий =7,5 %, кремний =25,7 %, свинец =8×10^-4 %, хром =3,3×10^-2 %, никель = 1.8×10^-2 %.

Элементы, преимущественно металлические, находятся в Земной коре в виде окислов, нитридов, гидридов и т.п., для превращения минерального сырья в полуфабрикакты необходимы значительные затраты энергии и дополнительных видов минералов и веществ. Наименьшими потерями среди технических материалов обладает производство стали и чугуна. Мировой объем производства основных материалов составляет: стали ~ 700 мл. тон, конструкционного чугуна ~ 46 мл.тонн, пластических масс ~ 100 мл. тонн, конструкционных стекла и керамики ~ 180 мл.тонн. Однако необходимо отметить, что плотность пластмасс в 2-3 раза ниже, чем металлов, и в объемных процентах пластмасс выпускается в 2 раза больше других материалов.Среди металлических материалов мировой объем производства следующий: алюминий ~ 12 мл.тонн, медь ~ 7 мл.тонн, цинк ~ 4 мл.тонн, свинец ~ 4 мл.тонн, никель ~ 0,5 мл.тонн.

Рисунок 1.1  Зависимость цены химических элементов от обьемов их производства (данные 80-х)

Относительная стоимость элементов: железо – 1, алюминий – 6, кобальт – 35; вольфрам – 120; золото –11000.

Если судить по параметрам удельной прочности и энергозатратам производства материала и др., то одним из наиболее перспективных элементов для использования в технике является алюминий.