Основные понятия материаловедения

Материаловедение – раздел научного знания, связанный с созданием материалов с заранее заданными рабочими характеристиками, а также изучением и целенаправленным изменением свойств существующих материалов. Фундаментальной базой этой дисциплины являются все разделы физики, химии, механики, которые включают теоретические основы современных наукоемких технологий получения, обработки и применения материалов.

Материалами называют твердые тела с известными свойствами, которые определяются их составом и строением. Под ними понимают исходный, необработанный предмет труда или полуфабрикат, используемый для производства изделия.

На практике следует различать вещество и созданный из него материал. Любой материал состоит из простых элементов (вещества) или их смеси, т. е. из соединений атомов, находящихся в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева. В отличие от вещества материал на его основе обладает комплексом свойств. Практическое применение находит именно материал, а не составляющее его вещество.

Свойства материала зависят от химического состава и пространственной ориентации его элементов – структуры. Материаловедение как наука исследует триединое сочетание состав – структура – свойство (С–С–С) и показывает, как на основании состава и строения материала следует управлять этими свойствами с целью получения нового материала с заданными характеристиками.

Будущее научно-технического прогресса определяется доступностью высокотехнологических процессов, обеспечивающих получение новых материалов. Развитие материаловедения требует предварительного моделирования свойств материалов. Цель исследований – описание свойств материалов на основе атомистических физических моделей, которые могут быть сформулированы с помощью уравнений состояния. Это позволяет предсказать свойства материалов и не требует проведения длительных и дорогостоящих экспериментов по исследованию поведения материалов в разных условиях. Для успешного применения моделей необходимы фундаментальные знания физических основ процессов и механизмов, определяющих микроструктуру и свойства на атомном уровне.

В промышленном масштабе производится широкий спектр материалов: металлы, сплавы металлов, керамика, стекла, пластмассы, композиты, материалы для электроники и др. В современных условиях необходимость разработки дешевых материалов и материалов, работающих в экстремальных условиях, привела к созданию многофункциональных керамических, пластических и композиционных материалов. Исследование конкретных материалов имеет свои особенности. Создание и производство новых многофункциональных материалов, их применение в технологиях приводит к появлению на мировом рынке новой, конкурентоспособной продукции, при этом решаются ключевые проблемы современного общества – рациональное использование природных ресурсов и охрана окружающей среды.

Последовательность получения материалов с заданными свойствами выражается простой схемой (рис. 1).

Рис. 1 Схема получения заданных свойств материала

К способам управления относятся выбор химического состава сырья и технологических этапов, в процессе которых получают изделие. Технологические этапы в общем виде включают: получение монолитного материала, деформирование, термическую (тепловую) обработку полуфабрикатов и изделий, обработку поверхности и др.

Основой правильного выбора и применения материалов является знание следующих связей:

- внешние факторы воздействия на материал на разных этапах технологического процесса → строение материала;

- строение материала (химический и фазовый состав, структура) → свойства, необходимые при эксплуатации: прочность, пластичность, жаропрочность, износостойкость, трещиностойкость и др.

Материаловедение дает основу для правильного выбора и назначения материалов не только по физической структуре и свойствам, но и по экономическим и экологическим показателям. Правильно выбранные материалы будут служить необходимое время, при этом стоимость изделия будет допустимой в данных условиях эксплуатации.

Товароведение изучает сущность, полезность и потребительскую стоимость изделий, которая определяется их себестоимостью и потребительскими свойствами. Потребительские свойства материалов – это сумма свойств, одна группа которых присуща исходному веществу (сырью), а другая формируется в процессе производства и последующей обработки материала. Первая группа свойств представляет собой фундаментальные физико-химические свойства: молекулярное или кристаллическое строение, виды и силы межмолекулярных взаимодействий (связей), фазовые превращения, все виды и характеристики проводимостей (тепло-, температуро-, электро-, магнито-, светопроводимости) и др. Ко второй группе потребительских свойств относятся те, которые зависят от качества сырья, способа производства материала, технологии дальнейшей обработки и хранения, условий эксплуатации и других внешних воздействий.

Материалы, как исходный ресурс для производства товаров и многих услуг, имеют большое значение для обеспечения необходимого технического и экономического эффекта. Они предопределяют технологию производства и качество готовой продукции. Основные характеристики определяют сферу применения материала.