Современные проблемы материаловедения

Создатели техники всегда стремились, чтобы новые изделия по эффективности и качеству превосходили известные.

Развитие многих областей современной техники связано с применением

высокопрочных материалов. Перед наукой стоит проблема сделать

высокопрочные материалы столь же надежными и недорогими, как рядовые металлы.

Производство и потребление сверхтвердых материалов, к которым относят многие твердые сплавы, карбиды, бориды, технические алмазы и др., в значительной мере характеризуют промышленный потенциал и техническую мощь страны. Эти материалы настолько тверды и хрупки, что не поддаются обработке традиционными методами.

Технологические трудности удалось преодолеть, используя явление сверхпластичности, когда заготовкам из твердых материалов можно придавать нужную форму путем

деформирования под давлением.

В некоторых материалах при тепловом воздействии обнаруживается «эффект памяти» Восстановление первоначальной формы пластически деформированного образца в результате нагревания. Механизм этого явления обусловлен структурными превращениями материала. Основную группу материалов составляют сплавы на основе титана. В настоящее время их используют в раскрывающихся под действием солнечного тепла антеннах космических кораблей.

Переход авиации на реактивные двигатели придал актуальность проблеме создания материалов, выдерживающих механические нагрузки при высоких температурах. Резервы высокотемпературной прочности сплавов на основе железа, никеля, алюминия и других металлов ограничены и фактически исчерпаны. Это связано с тем, что температура эксплуатации многих деталей двигателей достигла 1200°С и приблизилась к температурам плавления сплавов. Так, верхний предел рабочих температур рядовых сталей не

превышает 770°С, сплавов никеля и кобальта - 1100°С и т. д. До недавнего времени низкие значения высокотемпературной прочности сталей были барьером для дальнейшего развития двигателестроения, поскольку эксплуатационные характеристики двигателей прямо зависят от температуры газов в турбине. В настоящее время эта проблема решена путем переработки металлов в гранулы методом высокоскоростной кристаллизации и последующего прессования гранул в изделия. Высокоскоростная кристаллизация происходит в результате быстрого охлаждения расплава, приводящего к образованию микрокристаллов исключительно малых размеров или даже аморфных материалов. При высоких температурах прочность мелкокристаллических и аморфных сплавов в 1,5 раза

выше, чем сплавов, полученных по традиционной технологии.

Криогенная техника, обеспечивающая получение и использование температур ниже 150°С, решает многие проблемы производства, связанные со сжижением газов и разделением газовых смесей, прежде всего воздуха. Ее достижения обусловили разработку полупроводников, которые применяются в энергетике.

Резко возросли требования к чистоте материалов. До недавнего времени чистые материалы соответствовали определениям технически чистые (содержание основного компонента - 99.9%) или химически чистые (99.99%).

Еще более высокие требования к чистоте материалов в полупроводниковой технике: норма примесей в большинстве материалов - менее 10-11 %.

Потребителями сверхчистых материалов стали квантовая электроника (рабочие элементы лазеров), космическая техника (солнечные батареи, топливо и т. д.). У многих сверхчистых материалов обнаружены неожиданные свойства. Так, железо и цинк, которые легко поддаются коррозии, в очищенном виде успешно противостоят ей; считавшиеся

твердыми и хрупкими хром, титан, вольфрам, молибден и другие тугоплавкие металлы после глубокой очистки становятся податливыми, и их можно прокатывать в фольгу.

Актуальной проблемой стала защита материалов от химического взаимодействия с окружающей средой, агрессивность которой существенно возросла вследствие усиления производственной деятельности человека. Колоссальных размеров достигли затраты на ликвидацию последствий изнашивания материалов в машинах. Знание закономерностей

старения материалов, т.е. происходящего во времени изменения их структуры и свойств, необходимо для принятии мер по стабилизации свойств материалов и прогнозирования работоспособности объектов техники.

К функциональным материалам, как правило, относят:

- аморфные материалы, для получения которых необходимо охлаждать металлы со скоростью более миллиона градусов в секунду, после чего они приобретают структуру стекла и удивительное сочетание физикомеханических и химических свойств;

· "интеллектуальные" или "умные" материалы, характерной особенностью которых является способность "запоминать", отслеживать и возвращать деформацию и форму конструкции;

· интерметаллические материалы;

· композиционные материалы на металлической, полимерной или углеродной матрице;

· ультрадисперсные и нанофазные материалы, элементарный размер фрагментов структуры в которых составляет менее сотых и тысячных долей микрона;

· алмазоподобные сверхтвердые пленки;

· функционально-градиентные покрытия и др.

Особенность новых и новейших материалов, в отличие от традиционных, состоит в их более тесной взаимосвязи с технологией переработки в изделие. В ряде случаев процесс изготовления материалов и изделия из него составляет единое целое.

Таким образом, даже такое краткое описание современных достижений и проблем материаловедения и технологии производства материалов свидетельствует, что эти научные дисциплины находятся в стадии революционных перемен и входят в число ключевых факторов научно-технического прогресса.