172

Введение

Материаловедение – наука о материалах, их строении (составе и типе связи элементов образующих их структуру) и свойствах. В широком смысле материал – это любой вид (форма и уровень организации) материи, который может быть использован или используется природой или человеком для получения других его видов. В более узком практическом смысле материал – это вид вещества, который наиболее востребован в науке, технике и быту в качестве сырья для производства изделий и конструкций. Материаловедение и технология материалов, включая металлы, относится к числу основополагающих учебных дисциплин для специальностей энергетического и машиностроительного профиля. Это связано с разработкой новых материалов, а способы их обработки являются основой современного производства и во многом определяют уровень развития научно-технического и экономического потенциала страны.

Современное материаловедение представляет собой науку, опирающуюся на совокупность знаний, полученных теоретическим и экспериментальным путем в следующих основных дисциплинах: химия, физика, механика и технология. Материаловедение и технология конструкционных материалов служат базой для изучения многих специальных технологических дисциплин выпускающих кафедр.

Значительный вклад в развитие материаловедения внесли следующие ученые: П.П. Аносов (1799-1851 гг.), Д.И. Менделеев (1834-1907 гг.), А.М. Бутлеров, Д.К. Чернов (1839-1921 гг.), а также англичанин Роберт Аустен (1843-1902 гг.), немец А. Мартенс (1810-1914 гг.), А.А.Бочвара, Г.В. Курдюмова, В.Д. Садовский, В.А. Каргина и Н.В. Белов, открывший гибкость неорганических полимерных веществ и материалов.

Согласно историческим данным 3,5 тыс. лет до н. э. Египтяне впервые выплавили железо (видимо, в качестве побочного продукта рафинирования меди) и стали использовать его для изготовления украшений. Тем самым был раскрыт первый секрет получения главного металла цивилизации.

3 тыс. лет до н. э. Металлурги Ближнего Востока и Малой Азии обнаружили, что добавка оловянной руды к медной руде позволяет получать значительно более прочный материал, чем чистая медь или олово, — бронзу. Появилась концепция сплавления, идея о том, что смесь двух и более металлов дает вещество, свойства которого превосходят свойства каждого из компонентов.

2,2 тыс. лет до н. э. Жители Северо-Западного Ирана изготовили первое стекло. Появился второй (после керамики) основной неметаллический материал цивилизации.

1450 Иоганн Гутенберг создал сплав системы свинец-олово-сурьма, из которого можно было отливать в медных формах наборные шрифты для типографии. Создана технологическая основа средств массовой информации.

1688 Антон ван Левенгук разработал оптический микроскоп с 200-кратным увеличением. Начало изучения структур, невидимых человеческим глазом.

1755 Джон Смитон создал бетон. Появление главного строительного материала современности.

1863 Эмиль и Пьер Мартен разработали мартеновский процесс плавки стали. Начало крупномасштабного производства стали общего назначения из смеси лома и железной руды — благодаря этому сталь превратилась в материал, который можно перерабатывать так много раз, как никакой другой.

1864 Д.И.Менделеев открыл Периодическую систему элементов. Создано бесценное руководство, без которого немыслима работа материаловеда.

1886 Чарльз Мартин Холл и Пьер Херо одновременно и независимо открыли способ получения алюминия из его оксида с помощью электролиза. Алюминий превратился из драгоценной экзотики в конструкционный металл, который можно получать в промышленных масштабах.

1890 Адольф Мартенс исследовал микроструктуру твердой закаленной стали и обнаружил, что она отличается от структуры менее твердых сталей: зерна заполнены иголками и пластинками. Начало использования микроскопа для распознавания кристаллических структур и установления связи между структурой и свойствами.

1904 Леон Жиллет разработал состав первой нержавеющей стали. Начало использования стали в условиях высокой коррозии.

1906 Альфред Вильм обнаружил, что алюминиевые сплавы упрочняются за счет выделения мелких частиц. Появился первый высокопрочный алюминиевый сплав — дюралюминий.

1909 Лео Бейкланд синтезировал твердый термопластичный полимер — бакелит, он же фенолформальдегидная смола. Начало эры пластиков и появление промышленности пластмасс.

1911 Каммерлинг Оннес во время исследования металлов при сверхнизких температурах открыл сверхпроводимость. Первый шаг к современным успехам в области низко- и высокотемпературной сверхпроводимости и созданию изделий на их основе.

1927 Арнольд Зоммерфельд применил квантовую механику к теории металлов Друдэ и создал теорию свободных электронов в металлах. Означает появление простой, но близкой к реальности модели поведения электронов в кристаллической решетке, которая послужила основой развития всей последующей физики твердого тела.

1939 Отто Ган и Фриц Штрассман обнаружили расщепление ядра урана при его облучении нейтронами. Послужило основой для создания ядерной энергетики и ядерного оружия.

1939 Руссе ль Ол, Джордж Саутворт, Джек Скафф и Генри Тьюерер обнаружили в кремнии области с электронной и дырочной проводимостью. Без этого вряд ли через восемь лет был бы создан первый транзистор.

1959 Ричард Фейнман выступил на собрании Американского физического общества со знаменитым докладом "Внизу есть немало свободного места". Введена концепция нанотехнологии.

1964 Стефания Кволек создала высокопрочный, легкий пластик кевлар. Кевларовые волокна — непременный компонент современных композитов, из которых делают огромное количество вещей — от шин до бронежилетов.

1970 Джеймс Фергасон, используя полевой эффект перекрученных нематиков, создал первый работающий жидкокристаллический дисплей. Результат полностью преобразил множество изделий, начиная от компьютерных дисплеев и телевизоров и заканчивая медицинскими приборами.

1981 Генрих Рорер и Герд Карл Биннинг создали туннельный сканирующий микроскоп. Появилась возможность рассматривать структуру поверхности с атомной точностью.

Так 20 век ознаменовался крупными достижениями в теории и практике материаловедения: развивается теория химической связи в металлах (Н.В. Агеев, В.К. Григорович) и единая теория химической связи в металлах, керамике, полимерах (Сироткин О.С.Химия на пороге XXI века. Начала общего материаловедения. Казань: КГЭУ, 2002) и т. д. Были созданы функциональные и конструкционные материалы нового поколения на основе металлов (металлические стекла), органических полимеров и керамики, разработаны композиционные керамические и полимерные материалы, открыты сверхпроводники, новые полупроводники и изоляционные материалы, перспективные для применения в энергетике, и других отраслях техники.

Решение важнейших технологических задач, связанных с экономным расходованием энергии, уменьшением массы машин и приборов во многом зависит от уровня развития материаловедения. Непрерывный процесс создания новых материалов обогащает различные направления науки и техники.