Розділ 1. Матеріалознавство. Особливості атомно-кристалічної будови металів

1. Загальні поняття про матеріалознавство

Матеріалознавство – це наука про взаємозв'язки електронної будови, структури матеріалів з їх складом, фізичними, хімічними, технологічними й експлуатаційними властивостями.

Створення наукових основ металознавства по праву належить Д. К. Чернову, який встановив критичні температури фазових перетворень у сталях і їх зв'язок із кількістю вуглецю в сталях. Цим були закладені основи для найважливішої в металознавстві діаграми стану залізовуглецевих сплавів.

Відкриттям алотропічних перетворень у сталі Д. К. Чернов заклав фундамент термічної обробки сталі. Критичні точки фазових перетворень у сталі, дозволили раціонально вибирати температуру її гартування, відпуску і пластичної деформації у виробничих умовах.

У своїх роботах із проблем кристалізації сталі і будови злитка Д. К. Чернов виклав основні положення теорії лиття, що не втратили свого наукового і практичного значення в даний час.

Великий російський металург П. П. Аносов уперше застосував мікроскоп для дослідження структури металів. Йому належить пріоритет у створенні легованих сталей. Він розробив теорію і технологію виготовлення клинків із булатної сталі. З його робіт стало зрозуміло, що так званий булатний узор на поверхні сталі безпосередньо залежить від її внутрішньої структури.

У 1873–1876 роках Джозія Уіллард Гіббс виклав основні закони фазової рівноваги і, зокрема, правило фаз, ґрунтуючись на законах термодинаміки. Для вирішення практичних завдань знання фазової рівноваги в тій або іншій системі необхідне, але не достатнє для визначення складу і відносної кількості фаз. Обов'язково потрібно знати структуру сплавів, тобто атомну будову фаз, складових сплавів, а також розподіл, розмір і форму кристалів кожної фази.

Визначення атомної будови фаз стало можливим після відкриття Макс фон Лауе (1912 р.), який довів, що атоми в кристалі регулярно заповнюють простір, утворюючи просторові дифракційні решітки, і що рентгенівські промені мають хвилеву природу. Дифракція рентгенівських променів на таких решітках дає можливість досліджувати будову кристалів.

Останнім часом для структурного аналізу окрім рентгенівських променів використовують також електрони і нейтрони. Відповідні методи дослідження називаються електронографією і нейтронографією. Електронна оптика дозволила удосконалити мікроскопію. В даний час на електронних мікроскопах корисне максимальне збільшення доведене до 100000 разів.

У п'ятидесятих роках, коли почалося дослідження природи властивостей металевих матеріалів, було доведено, що більшість найважливіших властивостей, зокрема опір пластичній деформації і руйнуванню в різних умовах вантаження, залежать від особливостей тонкої кристалічної будови. Цей висновок сприяв залученню фізичних теорій про будову реальних металів для пояснення багатьох незрозумілих явищ і для конструювання сплавів із заданими механічними властивостями. Завдяки теорії дислокацій вдалося отримати достовірні відомості про зміни в металах за їх пластичних деформацій.

Особливо інтенсивно розвивається металознавство в останні десятиліття. Це пояснюється потребою в нових матеріалах для дослідження космосу, розвитку електроніки, атомної енерґетики.

Основними напрямами в розвитку металознавства є розробка способів виробництва чистих і надчистих металів, властивості яких значною мірою відрізняються від властивостей металів технічної чистоти, з яких переважно виготовляють вироби. Головним завданням матеріалознавства є створення матеріалів із заздалегідь розрахованими властивостями стосовно заданих параметрів і умов роботи. Велика увага приділяється вивченню металів у екстремальних умовах (низькі і високі температури, тиск).

До теперішнього часу основною матеріальною базою машинобудування була чорна металургія, що застосовує сталі і чавуни. Ці матеріали мають багато позитивних якостей і, в першу чергу, забезпечують високу конструкційну міцність деталей машин. Проте ці класичні матеріали мають такі недоліки як велика щільність, низька корозійна стійкість. Втрати від корозії складають 20 % річного виробництва сталі і чавуну. Тому, за даними наукових досліджень, через 20–40 років усі розвинені країни перебудуються на масове використання металевих сплавів на базі титану, магнію, алюмінію. Ці легкі і міцні сплави дозволяють у 2–3 рази полегшити верстати і машини, в 10 разів зменшити витрати на їх ремонт.

За даними інституту імені А. Н. Байкова, в наший країні є всі умови для того, щоб протягом 10–15 років машинобудування могло перейти на випуск алюмінієво-титанової рухомої техніки, яка відрізняється легкістю, корозійною стійкістю і великим безремонтним ресурсом.

Важливе значення має усунення відставання нашої країни в галузі використання нових матеріалів замість традиційних (металевих) – пластмас, кераміки, матеріалів порошкової металургії, особливо композиційних матеріалів, що економить дефіцитні метали, знижує витрати енергії на виробництво матеріалів, зменшує масу виробів.

Розрахунками встановлено, що заміна ряду металевих деталей легкового автомобіля на вуглепластики з епоксидної смоли, армованої вуглецевими волокнами, дозволить зменшити масу машини на 40 %; вона стане міцнішою; зменшиться витрата палива, різко зросте стійкість проти корозії.