История и основные понятия науки о материалах

1. Лекция 5

История и основные
понятия науки о
материалах

2. Содержание раздела

1. Материалы, технологии их обработки как важнейшая часть
научной и 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.

3. Материалы и технологии их обработки

С момента зарождения человечества в его жизни 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

4. Роль материалов в цивилизации

Периодизация истории человечества осуществлялась по названиям
используемых материалов:
1. Каменный век (до III тыс. до н.э.) )
2. Медный век (последний период каменного века)
3. Бронзовый век (с конца IV до начала 1 тыс. до н.э.)
4. 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.

5. Роль материалов в современном мире

Требования к прочности, технологическим свойствам, жаропрочности и
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
перспективы в развитии техники.
материалов,
открывающий
новые

6. Краткая история освоения человечеством материалов

1. Каменный век: обнаруживались самородные металлы (медь, золото), метеоритное
железо
2. 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.
3. 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.
4. 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».

7. Легендарная сталь: вуц, дамаск, булат

Первое упоминание о легендарной высококачественном стальном оружии (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

8. Этапы изготовления дамасского оружия

В каменном горне смесь железной руды и угля 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.

9. Деформационная обработка - ковка

Для придания формы и новой структуры сталь ковалась многократно. При этом частицы
цементита измельчались и распределялись равномерно по объему металла. Характерный
узор на поверхности изделий (клинков, мечей) образуется именно этими частицами.

10. Термообработка - закалка

Методы закалки дамасской стали:
1. В моче рыжего мальчика
2. «Нагреть (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»

11. Секреты булата. Металлургическая часть

Диаграмма состояний сплава железа и углерода
К железу 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.

12. Композитная структура булата

При многократной ковке частицы цементита измельчаются, выстраиваются
определенным образом внутри матрицы, состоящей в основном из железа.
Получается композитная структура, придающая материалу свойства и
матрицы (пластичность), и упрочняющих частиц (прочность).

13. Дамасская сталь и нанотехнология (?)

Reibold M., Paufler P., Levion A.A., Kochmann W., Patzke N., Meyer D.C. Carbon
nanotubes in an ancient Damascus sabre. Nature. 2006, 16 Nov. V. 444.p. 286
5 нм
Изогнутые нанотрубки
10 нм
Многостенные нанотрубки
5 нм
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

14. Достойны ли современные кузнецы древних мастеров?

Секреты булата были разгаданы еще русским 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.

15. Развитие представлений о структуре материалов

1. Демокрит (род. ок. 460 г. до н.э.) – все вещества состоят из атомов
2. 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 .
3. Химики получили веское доказательство существования атомов и молекул после
того, как Джоном Дальтоном в 1807 г. был открыт закон кратных весовых
отношений.
4. К 1850 г. атомно-молекулярная теория стала господствующей и в химии, и в физике.
5. Накопление экспериментальных данных о химических и физических свойствах
химических элементов позволило Д. И. Менделееву открыть периодический закон
(1869 г.).
6. 1895 г. – открытие рентгеновских лучей Рентгеном
7. 1897 г. – открытие электрона Дж.Дж. Томсоном
8. 1912 г. – открытие дифракции рентгеновских лучей Лауэ
9. 1913 г. – исследование кристаллической структуры материалов Брэггами
10. 1932 г. – изобретение электронного микроскопа М. Кноллем и Э. Руска
11. 1934 г. – представление о дислокациях (Поляни, Орован, Тейлор)

16. О

Секреты

17. Развитие материаловедения как науки

1. 1864 г. – составление периодической таблицы элементов Д.И. Менделеевым
2. 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.
3. 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.
4. 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
5. Байков Александр Александрович, 1902 – исследования закалки сплавов.

18. Развитие материаловедения как науки

6. Бочвар Андрей Анатольевич. Основные работы — в области 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).
7. 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.

19. 10 основных событий в истории материаловедения

Опрос в время ежегодного Симпозиума 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)

20. Химический состав материалов

Свойства материалов в первую очередь определяются химическим составом.
Химический состав материала - это содержащиеся в нем элементы. Химсостав
указывается в виде таблицы, показывающей процентное содержание каждого
элемента.
Пример: химсостав стали 40
Химический состав материалов определяется спектральным анализом, в том числе
рентгеноспектральным анализов.

21. Фазовый состав материалов

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.
Микроструктура
сплава
Zn-22%Al,
сверхпластичного при комнатной температуре,
наблюдаемая в растровом электронном микроскопе.
Черный цвет – фаза (Al), белый - (Zn).
Микроструктура подшипниковой стали.
Белый цвет – частицы цементита Fe3C,
черный – ферритовая матрица (Fe)

22. Структура материалов

Структура материалов – это третий важнейший фактор, определяющий их свойства.
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

23. Классификация материалов

По химической природе: металлы, неметаллы, композитные материалы (композиты)
По назначению: конструкционные 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.

24. Физические, химические свойства материалов

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

25. Механические свойства материалов

Для конструкционных материалов главными являются механические свойства:
прочность, пластичность, 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

26. Технологические свойства конструкционных материалов

Для конструкционных материалов также важны технологические свойства –
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

27. Эксплуатационные характеристики конструкционных материалов

1. Жаропрочность – способность металла или сплава выдерживать
нагрузку при высоких температурах
2. Жаростойкость – способность сопротивляться окислению в
газовой среде при высокой температуре.
3. Износостойкость – способность сопротивляться разрушению
(износу) поверхностных слоев материала при трении.
4. Коррозионная стойкость – способность сопротивляться
коррозии в различных средах.
5. Усталостная прочность – способность сопротивляться
разрушению при циклических нагрузках.
6. Хладостойкость – способность сохранять пластичность при
низких температурах

28. Теоретическая прочность металлов на разрыв

=P/S
ct K
E
a
K 1, E – модуль Юнга, – коэффициент поверхностного натяжения, a – параметр
решетки
Для никеля: a 0.4 нм, E= 210 ГПа, 1.5 Дж/м2. ct 28 ГПа.
Экспериментальное значение предела прочности при растяжении – около 500 МПа –
на порядок меньше

29. Теоретическая прочность металлов на сдвиг

Френкель Яков Ильич, 1926
G
cg
2
G E / 2(1 ) – модуль сдвига.
Для меди: G= 46 ГПа. cg 7 ГПа.
Экспериментально пластическая деформация в меди наблюдается при напряжениях
менее 7 МПа, то есть на три порядка ниже

30.

31. Линейные дефекты в кристаллах - дислокации

В 1934 г. независимо друг от 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.

32. Дислокация как переносчик пластической деформации

Скольжение дислокации в своей плоскости скольжения приводит к сдвигу одной части
кристалла по отношению к другой на величину межатомного расстояния.

33. Планарные (двумерные) дефекты в кристаллах – границы зерен и фаз

Схема границы зерен
Электронномикроскопическая фотография
высокого разрешения границы зерен
Граница, разделяющая 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)

34. Поликристаллическая структура металлов и сплавов

Схематическое
изображение
поликристаллической структуры
ВРЭМ изображение
поликристалла (нанокристалла)
В обычном состоянии металлы и сплавы состоят из зерен – кристаллитов с разной
ориентацией решетки, разделенных границами зерен или фаз

35. Способы изменения свойств материалов

1. Металлургический (химический): получение сплавов
определенного состава
Путем добавления в металла других металлов или
других элементов получают сплавы, которые могут
обладать совершенно другими свойствами, чем те
металлы, из которых они состоят
2. Изменение внутренней структуры: деформационнотермическая обработка
Для улучшения прочности и/или пластичности металлы
подвергают ковке, прокатке, отжигу, закалке, старению
и другим видам обработки

36. Влияние размера зерен на свойства материалов

Высокая прочность
T < 0,3 Tпл
Соотношение
Холла-Петча
y= 0 + k d -1/2
Сверхпластичность
T > 0,5 Tпл
D0e
Q / RT
p
n
Gb b
,
kT
d G
p=2, n=2