Открыть сервисСервис

Материаловедение и технологии материалов

Материаловедение и технологии материалов — междисциплинарная область науки и техники, изучающая состав, строение, свойства материалов, а также закономерности их изменения под воздействием внешних факторов, и разрабатывающая способы получения, обработки и применения материалов с заданными характеристиками. Область объединяет физику, химию, механику, кристаллографию и инженерные дисциплины; её практическая часть — технологии материалов — охватывает процессы синтеза, формообразования, термической, химической и механической обработки.

Предмет и задачи

Материаловедение устанавливает связи в цепочке «состав — структура — свойства — технология». Ключевая идея состоит в том, что эксплуатационные характеристики изделия определяются не только химическим составом, но и внутренним строением материала на разных масштабных уровнях: атомно-кристаллическом, микро- и макроструктурном. Задачи дисциплины включают:

  • описание строения материалов и дефектов кристаллической решётки;
  • прогнозирование механических, тепловых, электрических, магнитных и химических свойств;
  • разработку методов упрочнения, легирования и модифицирования;
  • выбор материала и технологии для конкретных условий эксплуатации;
  • создание новых классов материалов, включая композиционные и наноструктурированные.

Классификация материалов

По химической природе и строению выделяют основные группы.

ГруппаХарактерные представителиТипичные свойства
Металлы и сплавыстали, чугуны, алюминиевые, титановые, медные сплавывысокая прочность, тепло- и электропроводность, пластичность
Керамика и стеклооксиды, карбиды, нитриды, силикатные стёклатугоплавкость, твёрдость, хрупкость, химическая стойкость
Полимерытермопласты, реактопласты, эластомерылёгкость, коррозионная стойкость, низкая теплопроводность
Композитыстекло-, угле-, органопластики, металломатричныевысокая удельная прочность и жёсткость
Полупроводникикремний, германий, арсенид галлияуправляемая проводимость
Нано- и функциональные материалыуглеродные нанотрубки, графен, магнитные и пьезоэлектрикиспецифические физические эффекты

Строение и свойства

Основой металловедения служит теория кристаллического строения. Атомы в твёрдом теле располагаются в упорядоченных решётках (кубических, гексагональных и др.), а отклонения от идеального порядка — точечные (вакансии, примеси), линейные (дислокации), поверхностные (границы зёрен) и объёмные дефекты — определяют прочность и пластичность. Дислокационная теория объясняет, почему реальная прочность металлов на порядки ниже теоретической и как пластическая деформация и упрочнение связаны с движением дислокаций.

Фазовые превращения изучает диаграмма состояния: она показывает, какие фазы устойчивы при данной температуре и концентрации. Классический пример — превращения в системе «железо — углерод», лежащие в основе термической обработки стали.

Технологии материалов

Технологическая часть охватывает полный цикл превращения сырья в изделие.

Отдельное направление — поверхностное упрочнение и нанесение покрытий: гальванические, газотермические, вакуумно-плазменные методы позволяют придать изделию износо- и коррозионную стойкость без изменения объёма.

Методы исследования

Свойства материала оценивают механическими испытаниями (растяжение, твёрдость, ударная вязкость, усталость, ползучесть) и физическими методами. Структуру изучают с помощью оптической и электронной микроскопии, рентгеноструктурного и спектрального анализа, термографии. Неразрушающий контроль — ультразвуковая, радиографическая, магнитная и вихретоковая дефектоскопия — применяется для проверки готовых изделий.

История и развитие

Развитие дисциплины связано с практическими потребностями металлургии и машиностроения. В XIX веке были заложены основы металлографии, в начале XX века сформировалась дислокационная теория пластичности, а работы по диаграммам состояния превратили металловедение в точную науку. Во второй половине XX века появились композиционные материалы, полупроводниковая электроника потребовала сверхчистых монокристаллов, а с 1990-х годов активно развиваются нанотехнологии и методы компьютерного моделирования материалов.

В России исследования ведут научные институты и университеты металлургического и машиностроительного профиля; подготовка специалистов идёт по направлениям «Материаловедение и технологии материалов», «Металлургия», «Нанотехнологии и микросистемная техника».

Значение

Материаловедение определяет технический прогресс в авиастроении, энергетике, машиностроении, строительстве, медицине и электронике. Выбор материала задаёт массу, надёжность, ресурс и стоимость изделия. Современные тенденции — снижение материалоёмкости, ресурсосбережение, создание материалов с программируемыми свойствами, «умных» и биосовместимых материалов, а также цифровизация технологических процессов.

Источники: учебники по материаловедению и технологии конструкционных материалов, справочники по металловедению, научные публикации по физике твёрдого тела и наноматериалам.

Заметили ошибку или не согласны с информацией в статье? Напишите нам support@bfometr.ru