История и основные понятия науки о материалах презентация

инженерной деятельности. Роль материалов в технике и цивилизации. Развитие представлений о структуре и свойствах материалов. Вехи истории материаловедения. Наиболее яркие исторические примеры получения и обработки материалов.
2. Физические, механические, эксплуатационные свойства материалов. Понятие о конструкционных и функциональных материалах. Классификация материалов. Понятие о химическом, фазовом составе, о структуре материалов. Понятие о дефектах кристаллического строения, о поликристаллической структуре. Понятие об обработке материалов. Два основных способа изменения свойств материалов. Понятие о влиянии размеров на свойства материалов.

важнейшую роль играют материалы. Жизнь современной цивилизации невозможно представить себе без материалов, которые используются в каждой области ее деятельности – в быту, строительстве, автомобилестроении, авиации, космонавтике, энергетике и т.д.
Материаловедение – это наука, изучающая строение и свойства материалов и устанавливающая связь между их составом, строением и свойствами и поведение материалов в зависимости от воздействия окружающей среды.
Для изготовления из материалов изделий применяются технологии обработки материалов – литье, обработка давлением (прессование, прокатка, ковка…), сварка, резание и т.д. Во время технологических процессов обработки металлов различными методами меняются форма и размер металла, а также могут меняться физико-механические свойства металлов.
Материаловедение, технологии материалов, обработка металлов давлением, сварка – области технических наук и инженерной деятельности

век (до III тыс. до н.э.) )
Медный век (последний период каменного века)
Бронзовый век (с конца IV до начала 1 тыс. до н.э.)
Железный век (с 1 тыс. до н.э.)
……………
Век наноматериалов и нанотехнологий (XXI век)

Когда варвар, продвигаясь вперёд, шаг за шагом, открыл самородные металлы и научился плавить их в тигле и отливать в формы, когда он…создал бронзу, и, наконец, когда ещё большим напряжением мысли он изобрёл горн и добыл из руды железо – девять десятых борьбы за цивилизацию было выиграно.
Генри Льюис Морган, американский учёный, этнограф, социолог, историк.

С точки зрения современного индустриального общества исторический путь не освоивших металлургию человеческих сообществ оказался, по существу, тупиковым. Не перешагнув «металлический порог», они не смогли приблизиться к уровню современной цивилизации.

жаростойкости материалов и конструкций растут – нужны новые материалы, способы их обработки и изготовления из них деталей и конструкций

Появляются новые области техники, предъявляющие новые требования к материалам: появление самолетостроения вызвало необходимость легких сплавов, реактивных двигателей – жаропрочных сплавов, космической техники – жаростойкой керамики, прочных и легких сплавов, для термоядерной энергетики нужны материалы, выдерживающие высокие температуры и облучение нейтронами и т.д.

Наноматериалы – новый класс материалов, открывающий новые перспективы в развитии техники.

метеоритное железо
Освоение первого рудного металла – меди – 8-7-е тысячелетие до н.э. Более широкое распространение меди, разработка подземных рудных месторождений – 4-е тысячелетие до н.э. Медь не могла конкурировать с камнем по твердости: 4-е тысячелетие до н.э. называется медно-каменный век.
Бронзовый век - с конца IV до начала 1 тыс. до н.э. – сплавы меди с мышьяком, потом с оловом – более прочные, чем медь вытеснили камень. Хромой Гефест – отравление мышьяком. Использование бронзы привело к созданию колесного транспорта.
Железный век - Изобретение технологии выплавки железа легенды приписывают халибам – народу, жившему примерно в 1500-х гг. до н.э. в Малой Азии на побережье Черного моря. От их названия происходит греч. Χάλυβας — «сталь», «железо». Халибы берегли секрет технологии, поэтому только на рубеже II и I тысячелетий железо распространилось на Ближнем Востоке, Индии и Южной Европе.

Древнеславянское слово «смида» (металл) → современное название медь. В германских языках «смида» → Смит (англ.), Шмидт (нем.) – кузнец

Введение железа в каком-либо народе означает конец его дикого существования и начало образованности. Юлий Цезарь, «Записки о галльской войне».

(меч, клинок, разрезающий шелковый платок, пушинку) – Аристотель, после похода А. Македонского в Индию (329 г. до н.э.)
Сталь для мечей делалась в Индии и продавалась в виде лепешки, разрезанной пополам (диаметр 12.5, толщина 2.5 см) – вуцев.
В 1-м тысячелетии н.э. Дамаск славился кузнецами-оружейниками, которые и изготавливали ковкой клинки и мечи, и сталь получили название дамасской.
После походов Тамерлана секреты дамасской стали были потеряны
В XIX в. технология получения булата была вновь открыта П.П. Аносовым

нагревается до 1200°С, получается губчатое железо (мало угля) или чугун (много угля). Губчатое железо куется, получается сварочное железо, содержащее мало С. В дальнейшем к железу добавляется углерод и получается вуц. Второй этап – ковка оружия из вуца. Третий этап – закалка оружия.

многократно. При этом частицы цементита измельчались и распределялись равномерно по объему металла. Характерный узор на поверхности изделий (клинков, мечей) образуется именно этими частицами.

(клинок) до тех пор, пока он не засветится, как восходящее в пустыне солнце, затем охладить его до цвета царского пурпура, погружая в тело мускулистого раба. Сила раба, переходя в кинжал, и придает металлу твердость»

добавляется углерод. Для этого в Индии (ок. 500 г. до н.э.) мастера нагревали железную руду с древесным углем. В результате железо растворяло около 1,5-2 % углерода. При охлаждении образуются частицы цементита – карбида железа Fe3C, который очень прочен, но хрупок.

внутри матрицы, состоящей в основном из железа. Получается композитная структура, придающая материалу свойства и матрицы (пластичность), и упрочняющих частиц (прочность).

W., Patzke N., Meyer D.C. Carbon nanotubes in an ancient Damascus sabre. Nature. 2006, 16 Nov. V. 444.p. 286

Изогнутые нанотрубки

Многостенные нанотрубки

Нановолокно цементита
в нанотрубке

Дамасский меч, изготовленный в 17-м веке кузнецом Ассадо Уллой. Немецкие ученые обнаружили нанотрубки, а также нановолокна цементита, заключенные внутри нанотрубок, благодаря чему при травлении кислотой на растворяются

металлургом Павлом Петровичем Аносовым (1796-1851). Современные мастера, основываясь на современных данных науки, могут получать разнообразные свойства и узоры на изделиях из булата.

Современная наука – материаловедение – научилась получать огромное многообразие металлических материалов и разработало множество способов их обработки для изготовления изделий и деталей.

– все вещества состоят из атомов
Гассенди (фр. философ), 1647 - все тела состоят из атомов. В телах атомы объединяются в группы – молекулы. Если атомы соединяются друг с другом в нескольких точках, то образуется жидкое тело, если же точек соединения много, то образуется твердое тело .
Химики получили веское доказательство существования атомов и молекул после того, как Джоном Дальтоном в 1807 г. был открыт закон кратных весовых отношений.
К 1850 г. атомно-молекулярная теория стала господствующей и в химии, и в физике.
Накопление экспериментальных данных о химических и физических свойствах химических элементов позволило Д. И. Менделееву открыть периодический закон (1869 г.).
1895 г. – открытие рентгеновских лучей Рентгеном
1897 г. – открытие электрона Дж.Дж. Томсоном
1912 г. – открытие дифракции рентгеновских лучей Лауэ
1913 г. – исследование кристаллической структуры материалов Брэггами
1932 г. – изобретение электронного микроскопа М. Кноллем и Э. Руска
1934 г. – представление о дислокациях (Поляни, Орован, Тейлор)

Менделеевым
1864 г. – получение первых микрофотографий микроструктуры стали с помощью оптического микроскопа путем исследования изломов и шлифов (предварительная подготовка образцов путем шлифовки, полировки и травления кислотой), появление металлографии – раздела материаловедения, занимающегося выявлением и оценкой внутренней структуры металлов и сплавов.
1868 г. – обнаружение Дмитрием Константиновичем Черновым критических точек (точки Чернова) – температур, при которых происходят изменения фазового состояния и структуры при нагревании о охлаждении стали, что положило начало учению о термической обработке стали.
Курнаков Николай Семенович: Своими исследованиями (1893-1902) в области металлографии и термографического анализа положил начало новому разделу химии – физико-химическому анализу, впервые открывшему возможности систематического изучения сложных многокомпонентных систем – металлических сплавов. Правило Курнакова - связь между видом диаграммы состояния и свойствами сплавов связь между видом диаграммы состояния и свойствами сплавов
Байков Александр Александрович, 1902 – исследования закалки сплавов.

кристаллизации, литейных свойств, рекристаллизации и жаропрочности цветных металлов и сплавов, металловедения урана и плутония. В 1946 году привлечён к работам советского уранового проекта, работал на предприятии по производству топлива для АЭС (завод № 12, Электросталь), а в 1947 году был переведён в московский НИИ-9. В 1953 году вернулся в Москву и был назначен директором Всесоюзного научно-исследовательского института неорганических материалов (ВНИИНМ).
Курдюмов Георгий Вячеславович. В 30-е годы совершил революционное открытие в металловедении – им был обнаружен и объяснен бездиффузионный характер мартенситного превращения в сталях. Оно поставило имя Г.В. Курдюмова в один ряд с именами Королева, Курчатова, Капицы. Именно присутствие мартенситной фазы делает сталь более прочной. Работы Г.В. Курдюмова привели к созданию сталей с уникальным сочетанием прочности и вязкости. Во время ВОВ руководил разработкой сталей для деталей танков, танковой брони и бронебойных снарядов.   Работы Г.В. Курдюмова по укреплению оборонной мощи страны можно сравнить с  работами академика Курчатова по исследованиям распада атомного ядра.

и выставки общества минералов, металлов и материалов (TMS) в 2007 г.
Периодическая таблица элементов (1864)
Выплавка железа (примерно 3500 гг. до н.э.)
Изобретение транзистора (1848)
Изобретение стекла (ок. 2200 гг. до н.э.)
Изобретение оптического микроскопа (1668)
Создание бетона (1755)
Плавление стали в вагранках – вуца или дамасской стали (ок. 300 гг. до н.э.)
Добыча и обработка меди (ок. 5000 гг. до н.э.)
Открытие дифракции рентгеновских лучей в кристаллах (1912)
Бессемеровский процесс в производстве стали (1856)

Химический состав материала - это содержащиеся в нем элементы. Химсостав указывается в виде таблицы, показывающей процентное содержание каждого элемента.

Химический состав материалов определяется спектральным анализом, в том числе рентгеноспектральным анализов.

в растровом электронном микроскопе. Черный цвет – фаза α (Al), белый - η (Zn).

Микроструктура подшипниковой стали. Белый цвет – частицы цементита Fe3C, черный – ферритовая матрица (Fe)

Элементы или химические соединения, образующие сплав, называют компонентами. В зависимости от числа компонентов сплавы могут быть двойные, тройные и т. д. В зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов в сплавах образуются фазы, число и тип которых характеризуют состояние сплава. Фаза – это однородная часть сплава, характеризующаяся определенным составом, свойствами, типом кристаллической решетки и отделенная от других частей сплава поверхностью раздела. В сплавах возможно образование следующих фаз: 1) жидких растворов; 2) твердых чистых металлов; 3) твердых растворов; 4) химических соединений. В зависимости от количества фаз сплавы могут быть одно-, двух- и многофазными. Фазовый состав - второй важнейший фактор, определяющий свойства материалов.

Различают макро- и микроструктуру. Макроструктура – это структура, наблюдаемая невооруженным глазом, например, годичные кольца на срезе дерева.
Микроструктура весьма общее понятие, объединяющее формы, размеры и характер взаимного расположения фаз в сплаве, наличие и распределение различных дефектов кристаллического строения и т.д. Микроструктура наблюдается в оптическом и электронном микроскопе, исследуется методами РСА и т.д.

Микроструктура латуни, оптический микроскоп, х400

Дислокации и пластинчатая структура в интерметаллиде TiAl

и функциональные материалы.
Конструкционные материалы — материалы, из которых изготавливаются различные конструкции, детали машин, элементы сооружений, воспринимающих силовую нагрузку.
Функциональные материалы – это материалы, обладающие определенным уровнем физико - химических и механических свойств, которые в совокупности обеспечивают использование этих материалов в качестве рабочего элемента или детали в определенном устройстве, приборе или конструкции. Функциональные материалы делятся на электронные, электротехнические, медицинские, магнитные и т.д.
По структуре: монокристаллические, поликристаллические, нанокристаллические, аморфные, квазикристаллические и т.д.

химические свойства.
Химическая промышленность: химическая инертность, коррозионная стойкость и т.п.
Электротехнические материалы: проводимость (удельное сопротивление)
Магнитные материалы: магнитная восприимчивость, намагниченность насыщения, коэрцитивная сила
Теплофизические применения: коэффициент теплового расширения, теплопроводность, теплоемкость, коэффициент диффузии
Материалы для источников тока: суперионная проводимость

твердость, ударная вязкость и т.д.

Испытание растяжением. Характеристики прочности и пластичности

Испытание на ударную вязкость.

Прочностные характеристики: предел текучести (напряжение, при котором начинается пластическая деформация), предел прочности (напряжение, при котором материал разрушается). Характеристика пластичности: относительное удлинение до разрушения

способность металлов и сплавов подвергаться обработке различными способами – литьем, давлением, сваркой, резанием:
1. Литейные свойства – способность образовывать отливки без трещин, раковин и др. дефектов
2. Деформируемость, ковкость – способность обрабатываться давлением (ковкой, штамповкой, прокаткой, волочением), то есть способность принимать нужную форму при холодной или горячей деформации
3. Свариваемость – способность соединяться с одноименным или другими материалами путем сварки.
4. Обрабатываемость резанием – возможность обработки металлов и сплавов резанием. Трудно обрабатываются резанием твердые материалы или вязкие материалы с низкой твердостью

при высоких температурах
Жаростойкость – способность сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.
Износостойкость – способность сопротивляться разрушению (износу) поверхностных слоев материала при трении.
Коррозионная стойкость – способность сопротивляться коррозии в различных средах.
Усталостная прочность – способность сопротивляться разрушению при циклических нагрузках.
Хладостойкость – способность сохранять пластичность при низких температурах

γ – коэффициент поверхностного натяжения, a – параметр решетки

Для никеля: a ≈ 0.4 нм, E= 210 ГПа, γ ≈ 1.5 Дж/м2. σct ≈ 28 ГПа.

Экспериментальное значение предела прочности при растяжении – около 500 МПа – на порядок меньше

σ=P/S

меди: G= 46 ГПа. σcg≈ 7 ГПа.

Экспериментально пластическая деформация в меди наблюдается при напряжениях менее 7 МПа, то есть на три порядка ниже

друга Орован, Поляни и Тейлор предложили гипотезу о дислокациях в кристалле, которая получила экспериментальное подтверждение и легла в основу современной физики прочности и пластичности, физического материаловедения.

к сдвигу одной части кристалла по отношению к другой на величину межатомного расстояния.

два кристаллита (зерна) одной и той же фазы, имеющие разные ориентации решетки – граница зерен
Граница, разделяющая два кристаллита (зерна) двух разных фаз – граница зерен (межфазная граница)

Схема границы зерен

Электронномикроскопическая фотография высокого разрешения границы зерен

из зерен – кристаллитов с разной ориентацией решетки, разделенных границами зерен или фаз

Схематическое изображение поликристаллической структуры

ВРЭМ изображение поликристалла (нанокристалла)

металла других металлов или других элементов получают сплавы, которые могут обладать совершенно другими свойствами, чем те металлы, из которых они состоят

Изменение внутренней структуры: деформационно-термическая обработка

Для улучшения прочности и/или пластичности металлы подвергают ковке, прокатке, отжигу, закалке, старению и другим видам обработки

0,3 Tпл

Высокая прочность

p=2, n=2

T > 0,5 Tпл

Сверхпластичность

Соотношение
Холла-Петча