Материаловедение

Материаловедение – обширная область знаний, наука, которая, базируясь на основных положениях физики твёрдого тела, физической химии и электрохимии, исследует и направленно использует взаимосвязь структуры и свойств для улучшения свойств применяемых материалов или для создания новых материалов с заданными свойствами. Главное в материаловедении – это научно обоснованное предсказание поведения применяемых в технике материалов.

Источник: Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение. Справ.изд. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1982, 480 с.
УДК 669.1+669.2+620.18+621.7(083) (430.2)

Материаловедение - научная дисциплина о структуре, свойствах и назначении материалов. Свойства технических материалов формируются в процессе их изготовления. При одинаковом химическом составе, но разной технологии изготовления, образуется разная структура, и вследствие - свойства.

Целью материаловедения является изучение закономерностей формирования структуры и свойств материалов методами их упрочнения для эффективного использования в технике.

Основная задача материаловедения - установить зависимость между составом, строением и свойствами, изучить термическую, химико-термическую обработку и другие способы упрочнения, сформировать знания о свойствах основных разновидностей материалов.

Началом развития материаловедения можно считать тот момент, когда человек впервые начал выбирать, что ему взять в руку - палку или камень, то есть зарождение материаловедения совпадает с началом каменного века. Следовательно материаловедение - это одна из старейших форм прикладной науки, прошедшая вместе с человечеством долгий путь от примитивной обработки камня и изготовления простейшей керамики и заканчивая современными сверхпопулярными нанотехнологиями. Долгое время металлургия и металловедение превалировали в материаловедении, то есть наука о материалах приравнивалась фактически к науке о металлах. Современное материаловедение также базируется на металловедении, однако помимо металлов и сплавов материаловедение изучает множество других разнообразных материалов как по назначению (пластики, полупроводники, биоматериалы), так и по составу (углеродные материалы, керамика, полимеры и т.д.).

Материаловедение в машиностроении

Материаловедение в машиностроении изучает разделы: металловедение и термическая обработка металлов, а также неметаллические материалы.

Спектр существующих материалов чрезвычайно широк и выбор оптимального материала для тех или иных условий применения может быть достаточно сложной задачей. К машиностроительным материалам прежде всего относятся сплавы на основе железа (сталь и чугун), а также цветные металлы и сплавы. К металлическим материалам относятся и материалы порошковой металлургии. Неметаллические материалы различают по основным классам: резина, керамика, стекло, пластические массы, ситаллы. Композиционные материалы - сложные или составные материалы, состоящие из двух разнородных материалов (например: стекла и пластмассы - стеклопластики) принято классифицировать по типу структуры, материалу матрицы, назначению и способу изготовления.

Структурные методы исследования в материаловедении

Материаловедение, как научная дисциплина, числено оперирует показателями свойств материала (временное сопротивление разрушению, прочность на сжатие, твердость и т.п.)

Кроме того, материаловедение обобщает в себе данные о технических и технологических испытаниях материалов. Показатели свойств, химический состав в материаловедении связываются с особенностями строения материала. Различают макростроение, микростроение и субмикростроение материалов. Первая структура выявляется визуально, вторая - при увеличении, достигаемым оптическими системами, третья - с помощью рентгеновских и электронных лучей. В материаловедении знания о морфологии структуры позволяет оптимизировать технологические процессы получения материала, дать объективное представление о рациональности его использования для изделия.

Физико-химический анализ материалов проводится в материаловедении для детального изучения свойств. Результаты его обычно выражаются в графической форме, иллюстрирующей зависимость показателей от химического состава. К физико-химическому анализу принадлежат резистивный метод, метод магнитного резонанса, термический анализ. В материаловедении результаты физико-химического анализа объединяют с результатами структурных исследований. Широко распространен термический анализ, применяемый для обнаружения критических точек стали и сплавов, построения диаграмм состояния.

Из истории развития материаловедения

Редакция американского научного журнала по материаловедению "The Minerals, Metals & Materials Society" (TMS) в 2007 году в ознаменование юбилея журнала провела "конкурс" величайших событий в истории материаловедения. Был подготовлен список из ста наиболее значительных событий, открытий и людей, внёсших вклад в историю материаловедения, который опубликовали в интернете. Затем было объявлено голосование среди читателей журнала и всех остальных желающих, после чего десятку событий истории материаловедения, набравших наибольшее количество голосов, рассматривал совет. В итоге "победителем" стал Дмитрий Иванович Менделеев, разработавший в 1864 году Периодическую систему элементов.

Ниже представлена "почётная десятка" людей и событий в истории материаловедения по мнению тех, кто принимал участие в голосовании:

1. Менделеев Д.И. и его периодическая таблица элементов (1864).
2. Египтяне, придумавшие плавить железо за 3500 до н.э., тем самым "подарившие" нам секрет обработки главного на сегодня металлургического материала.
3. Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли, которые в 1948 году создали транзистор (начало микроэлектроники и компьютерных технологий).
4. Жители Северо-Западного Ирана, изготовившие первое стекло - второй после керамики неметаллический материал цивилизованного мира (2200 лет до н.э.).
5. Разработка в конце XVII века оптического микроскопа с 200-кратным увеличением Антоном ван Левенгуком: начало исследования микроструктур.
6. Изобретение бетона Джоном Смитоном в 1755 году - главного современного строительного материала.
7. За 300 лет до н.э. индийские металлурги придумали способ плавления стали в вагранках (врытых в землю керамических сосудах). При этом была получена та самая сталь, которую спустя столетия назовут «дамасской» и секрет получения которой останется загадкой для многих поколений кузнецов и металлургов.
8. В Малой Азии за 5000 лет до н.э. было обнаружено, что из малахита и лазурита можно добывать медь, и что расплавленный металл может приобретать самые разнообразные формы (начало металлургии и освоения минералов).
9. Макс фон Лауэ в 1912 году открыл дифракцию рентгеновских лучей в кристаллах, что позволило давать характеристику кристаллическим структурам. Впоследствии Ю.В.Вульф и Уильям Генри Брэгг вывели основную формулу рентгеноструктурного анализа кристаллических материалов (правило Вульфа–Брэггов).
10. Десятку замыкает Генри Бессемер, который в 1856 году запатентовал конвертерный кислый процесс производства низкоуглеродистой стали.

Не совсем понятно, чем руководствовались американцы, создавая этот рейтинг, потому что в полном перечне есть большое количество событий, не уступающих по своей значимости вышеупомянутым. Подробно изучить список величайших событий в истории материаловедения можно на сайте [6], либо в журнале "Химия и жизнь" (2006, №11), а также - обратившись к нам.