Материалы, их строение и свойства, классификация, области применения

1.

Материалы, их строение и свойства,
классификация, области применения
1. Предмет материаловедения. Классификация материалов.
2. История материаловедения (хронология событий).
3. Современные керамические материалы.
4. Современные биоматериалы.
5. Дисперсные материалы.

2.

Предмет материаловедения. Классификация материалов
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 свойства.
Назначение материала определяется:
требованиями
конструкции
(конструкционные
критерии
прочность,
долговечность, коррозийные свойства и т.п.),
возможностью переработки в изделие (технологические критерии - коэффициент
обрабатываемости резанием, сварки и обработки давлением и т.п.).
Стоимость технического материала связана с затратами на его производство и
уровнем запасов его в промышленном и государственном резервах, с содержанием в
Земной коре веществ и элементов, необходимых для его производства. Поэтому так
важно знание о содержании элементов и веществ в земной коре. В последние годы в
классификации машиностроительных материалов применяют параметры удельной
прочности и энергрозатрат производства материалов. Они показывают, что
наилучшими сочетаниями свойств для машин обладают титан и алюминий.

3.

Содержание металлов и элементов в Земной коре:
- алюминий 8%;
- железо 5%;
- магний 2,1%;
- титан 0,6%;
- медь 0,01%;
- олово 0,004%;
- цинк 0,004%;
- свинец 0,0016%;
- серебро 0,00001%;
- золото 0,0000005%
Анализ приведенных данных показывает, что
наиболее
перспективным
элементом
для
использования в технике является алюминий, это
совпадает
с
общемировой
тенденцией
машиностроения.
Усилия разработчиков новых материалов
направлены на создание материалов на основе
тугоплавких соединений: нитридов и боридов в
кристаллической и аморфной формах, пригодных
для применения.

4.

Классификация материалов
Неметаллические материалы
различают по основным классам:
резина, керамика, стекло,
пластические массы, ситаллы
Металлические материалы
- Черная металлургия
(стали, чугуны, ферросплавы и
сплавы на основе железа);
- Цветная металлургия
(алюминий, медь, цинк, свинец,
никель, олово и сплавы на их
основе);
- Материалы порошковой
металлургии;
Композиционные материалы
По геометрическим
признакам
материалы и
вещества принято
классифицировать
по виду
полуфабрикатов:
листы, профили,
гранулы, порошки ,
волокна и т.п.
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
Технические материалы принято классифицировать по назначению:
материалы приборостроения, машиностроительные материалы, и более подробно, например стали
для судостроения или мостостроения.
В научном аспекте материалы разделяют по типу структуры: аморфные, кристаллические,
гетерофазные.

5.

Композиционные материалы
Композиционные
материалы
(композиты)
–
искуственные материалы, полученные из двух
и более компонентов с сохранением индивидуальности
каждого отдельного компонента.
Композиционные материалы классифицируют:
- по природе матрицы и упрочнителя;
- характеру их взаимодействия;
- форме элементов упрочнителя;
- конструктивному признаку упрочнения;
- назначению.

6.

Кристаллическая
решетка
представляет
собой
воображаемую пространственную сетку, в узлах которой
располагаются атомы (ионы), образующие твердое
кристаллическое тело. Наименьший объем кристалла,
дающий представление об атомной структуре металла во
всем объеме называется элементарной кристаллической
решеткой.
Элементарная ячейка
кристаллической
решетки - это
минимальный по объему
параллелепипед,
перемещением которого
вдоль его ребер можно
воспроизвести всю
кристаллическую решетку.

7.

Кристаллизацией называется процесс перехода металла из
жидкого состояния в твердое.
Переход «жидкость твердое тело»
при допущениях:
1. Энергия на границе раздела
изотропна;
2.Отсутствует теплообмен между
кристаллизующейся системой и
внешней средой.
Жидкость –
ближний порядок
Кристалл –
дальний порядок
Изотропные
свойства
Анизотропные
свойства
Т = Тo-Тs степень переохлаждения

8.

Фазой называется однородная обособленная часть системы (металла и сплава),
имеющая одинаковый состав, строение и свойства, отделенная от других частей
поверхностью раздела. При переходе поверхности раздела хотя бы одно свойство
изменяется на конечную величину.
Однофазная система называется гомогенной, двух или более фазная система –
гетерогенной системой.
Компоненты – химические элементы, в результате взаимодействия которых
образуются все фазы сплавов (системы). Компонентами могут быть не только
химические элементы, но и соединения.
В зависимости от характера взаимодействия между атомами компонентов, в
особенности от типа химической связи (ковалентной или металлической), в
сплавах образуются твердые растворы или промежуточные соединения.
Твердый раствор – фаза переменного состава, сохраняющая однородность при
изменении соотношения компонентов, образующих фазу.
Промежуточные фазы – очень разнообразны по своим свойствам и строению и
могут резко отличаться от металлов-компонентов.

9.

История материаловедения
1831 г. — П. П. Аносов, работавший на Златоустовской оружейной фабрике и
стремившийся раскрыть тайну получения древнего булата, впервые применил
микроскоп для исследования строения отполированной поверхности стали,
предварительно протравленной кислотой.
1864 г. — английский естествоиспытатель К. Сорби провел подобные исследования
макроструктуры железных метеоритов и образцов стали, применив при этом
микрофотографию.
1868 г. — Д. К. Чернов указал на существование температур, при которых сталь
претерпевает превращения при нагревании и охлаждении (критические точки).
1888 г. — французский инженер Ф. Осмонд измерил эти температуры при помощи
термоэлектрического термометра, изобретенного его соотечественником Ле Шателье.
1895 г. — А. А. Ржешотарский создал металловедческую лабораторию на Обуховском
заводе в Петербурге.
1897 г. — Ле Шателье сконструировал металлографический микроскоп, значительно
расширивший возможности изучения структуры металлов.

10.

1897 г. — английский ученый У. Робертс-Остен исследовал методами термического
анализа микроструктуры нескольких двойных металлических систем, в том числе
железоуглеродистых сплавов.
1900 г. — нидерландский физико-химик Г. В. Розебом уточнил и обобщил
экспериментальные данные о железоуглеродистых сплавах, создав диаграмму Fe-С.
1902 г. — А. А. Байков исследовал явления закалки сплавов. В последующие годы он
основал в Петербургском политехническом институте первую в России учебную
лабораторию металловедения и создал крупную научную школу металловедов.
1903 г. — Н. С. Курнаков сконструировал самопишущий пирометр, позволивший
значительно усовершенствовать методику термического анализа металлов и сплавов.
1904 г. — Н. И. Беляев организовал металловедческую лабораторию на Путиловском
заводе в Петербурге.

11.

1906-1913 гг. — Н. С. Курнаков и С. Ф. Жемчужный установили зависимости между
составом двойных систем и их свойствами — электропроводностью, твердостью и др.
1908 г. — А. М. Бочвар организовал в Высшем техническом училище первую в Москве
металлографическую лабораторию.
1918 г. — французские ученые А. Портевен и М. Гарвен установили зависимость
критических точек стали от скорости охлаждения.
20-е гг. XX в. — в различных странах начались исследования изотермических
превращений в стали (Э. Давенпорт, Э. Бейн, Р. Мейл в США, С. С. Штейнберг, Н. А.
Минкевич в СССР, Ф. Вефер в Германии и др.).
Одновременно
развивалась
физическая
теория
кристаллизации
металлов,
экспериментальные основы которой были заложены в начале XX в. немецким физикохимиком Г. Тамманом (Я. И. Френкель, В. И. Данилов в СССР, М. Фольмер в Германии,
И. Странский в Болгарии).

12.

Важную роль в развитии металловедения начал играть рентгеноструктурный анализ,
позволивший определить кристаллическую структуру различных фаз, описать ее
изменения при фазовых переходах, термической обработке и деформации (структуру
мартенсита, изменения структуры твердых растворов при их распаде и т. д.). В этой
области большое значение имели работы Г. В. Курдюмова, С. Т. Конобеевского, Н. В.
Агеева (СССР), А. Вестгрена (Швеция), У. Юм-Розери (Великобритания), У. Делингера,
В. Кестера (Германия).
1935 г. — А. А. Бочваром изучен механизм эвтектической кристаллизации сплавов.
40-е гг. — Н. Т. Гудцов основал в Московском институте стали новую научную школу в
области металловедения и термической обработки стали.
2-я половина XX в. — разработка и внедрение в практику металловедения электронной
микроскопии, методов электронной дифракции, нейтронографии, радиоизотопных
индикаторов, внутреннего трения, микрорентгеноспектрального анализа, калориметрии,
магнитометрии и др.

13.

Павел Петрович Аносов
П.П. Аносовым впервые было введено в
практику и распространено понятие о
макроструктуре как о показателе качества
металла, а также обосновано выявление
макроструктуры травлением и применение
микроскопа для изучения макроструктуры как
метода исследования.
П.П. Аносов - зачинатель производства
специальных сталей - титановых,
марганцевых, хромистых и других.
В 1837 г. из выплавленного булата Павел
Петрович изготовил первый клинок. С этого
времени на Златоустовской фабрике
началось массовое производство булатных
сабель и шашек.

14.

Дмитрий Константинович Чернов
[20. 10(1.11). 1839, Петербург, - 2.1.1921, Ялта], русский
учёный в области металлургии, металловедения,
термич. обработки металлов.
В 1866-68 в результате практич. изучения причин брака
при изготовлении орудийных поковок, а также глубокого
анализа работ своих предшественников П. П. Аносова,
П. М. Обухова, А. С. Лаврова и Н. В. Калакуцкого по
вопросам выплавки, разливки и ковки стальных слитков
Чернов Д. К. установил зависимость структуры и
свойств стали от её горячей механич. и термич.
обработки. Чернов Д. К. открыл критич. температуры,
при которых в стали в результате её нагревания или
охлаждения в твёрдом состоянии происходят фазовые
превращения, существенно изменяющие структуру и
свойства металла.

15.

Современные керамические материалы
Приоритетные направления развития науки, технологий и техники РФ:
• Информационно-телекоммуникационные технологии и электроника.
• Космические и авиационные технологии
• Новые материалы и химические технологии.
• Перспективные вооружения, военная и специальная техника.
Перспективные технологии:
•Высокопроизводительные вычислительные системы.
• Информационно-телекоммуникационные системы.
• Компьютерное моделирование.
• Лазерные и электронно-ионно-плазменные технологии.
• Материалы для микро- и наноэлектроники.
• Нетрадиционные возобновляемые экологически чистые источники энергии и новые
методы ее преобразования и аккумулирования.
• Синтез лекарственных средств и пищевых добавок.

16.

Перспективные керамические материалы:
- Твердофазные электролиты и электродные материалы (топливные ячейки, источники
тока, сенсоры, кардиохирургия, электрический транспорт, сотовые телефоны)
- Новые оптоволоконные стекла (проект транстихоокеанского волоконного кабеля)
- Материалы на основе нитрида кремния (автомобильные двигатели и пр.)
- Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП томографы, системы генерации,
хранения и передачи энергии, поезда на магнитной подушке, сверхбыстрые
компьютеры, ядерные реакторы и пр.)
- Материалы со сверхвысокими температурами плавления (новые высокотемпературные
технологические процессы)
- Наноматериалы
(сверхтвердые
компьютеры и пр.)
композиционные
материалы,
молекулярные

17.

Кремниевая подложка (d=200, 250, 300 мм) с нанесенными
процессорами (порядка нескольких десятков)
231 млн. транзисторов/190 мм2
(AMD Athlon 64 X2)
Транзистор в разрезе
21 млрд. транзисторов

18.

Наноэлектроника
Сейчас уже ведутся работы, чтобы размеры транзисторов сделать ещё на порядок
меньше, заменяя их наноструктурами.
Гипотетическая схема цепочки из нанотранзисторов, состоящая из параллельных
полосок проводников толщиной в несколько атомарных слоёв.

19.

Современные биоматериалы
Основная черта нового тысячелетия – возрастающий интерес к увеличению
качества и продолжительности человеческой жизни. Достижение подобной цели
предполагает, в частности, создание материалов для искусственных органов и тканей.
За последние 30 лет использовано более 40 различных материалов (керамика,
металлы, полимеры) для лечения, восстановления и замены более 40 различных частей
человеческого тела, включая кожные покровы, мышечную ткань, кровеносные сосуды,
нервные волокна, костную ткань.
Разработка заменителей костной ткани знаменует, по словам проф. Л. Хенча,
революционный этап в развитии человечества:
«Тысячелетия тому назад открытие того, что огонь может превратить бесформенную
глину в керамическую утварь, привело к возникновению земледельческой цивилизации
и радикально улучшило качество и продолжительность жизни. Другая революция
произошла уже в наши дни в области использования керамики в медицинских целях.
Это инновационное применение специально спроектированных керамических
материалов для замены и лечения больных или поврежденных частей тела»

20.

Эту область современного материаловедения именуют биокерамикой, она
охватывает материалы для эндопротезов в травматологии и ортопедии, пломбировочные
материалы в стоматологии, имплантаты в челюстно-лицевой хирургии, медикокосметические средства.
Динамика продвижения идеи на рынок биоматериалов имеет ряд особенностей,
связанных с прохождением длительных тестов и сертификаций, в силу этого
обстоятельства лишь немногие из рассматриваемых ниже материалов могут считаться
рекомендованными к применению.
Биокерамика должна обладать определенными химическими свойствами:
- отсутствие нежелательных химических реакций с тканями и межтканевыми
жидкостями, отсутствие коррозии,
- механическими характеристиками (прочность, трещиностойкость, сопротивление
замедленному разрушению, износостойкость),
- биологическими свойствами (отсутствие реакций со стороны имунной системы,
срастание с костной тканью, стимулирование остеосинтеза).

21.

По характеру отклика организма на имплантат биоматериалы классифицируют
следующим образом:
1)токсичные (если окружающие ткани отмирают при контакте) – большинство
металлов;
2) биоинертные (нетоксичные, но биологически неактивные) - керамика на основе
Al2O3, ZrO2 ;
3) биоактивные (нетоксичные, биологически активные, срастающиеся с костной
тканью) - композиционные материалы типа биополимер/фосфат кальция, керамика на
основе фосфатов кальция, биостекла.
Основной недостаток биоинертной керамики – низкая долговечность вследствие
экранирования механических нагрузок, приводящее к резорбции костной ткани,
прилегающей к имплантату, и утрату последнего. Тем не менее, подобные материалы,
по-видимому, не имеют пока альтернативы, как заменители тазобедренного сустава.

22.

Перспективны для применения в медицинских целях и углеродные материалы.
Так, например, использование материалов на основе композитов углеродных
трубок с полимерами позволяет создавать биосовместимые имплантаты. Упругие
модули углеродных материалов близки к костным, а в ходе тестов не наблюдается
ухудшения прочностных свойств.
Другой перспективный "кандидат" на роль полного заменителя сустава углеродный композит, армированный углеродными волокнами. Его механические
свойства близки к характеристикам кости.
На сегодняшний день углеродные композиты – наиболее вероятные материалы,
которые прейдут на замену Тi протезам.
Кальций фосфатные костные цементы.
Гидроксилапатит может быть синтезирован в водной среде из смеси различных
фосфатов.
К достоинствам фосфатных цементов следует отнести их высокую биоактивность,
биосовместимость.

23.

Дисперсные материалы
Основные методы синтеза наноматериалов:
• Получение кластеров, кластерные серии («сборка»)
• Пиролиз (термическое разложение) / сажа (фулерены), механо-, электро-,
криодиспергирование и пр.
• Методы химической гомогенизации (молекулярное смешение)
• Микрореплики, литография, самосборка
• Полимеризация
• Золь-гель (трехмерные структуры) - технология материалов, включающая получение
золя (жидкая среда) с последующим переводом его в гель (вязкая среда), то есть в
коллоидную систему, состоящую из жидкой дисперсионной среды, заключенной в
пространственную сетку, образованную соединившимися частицами дисперсной фазы.
• Нанореакторы (нанотрубки, мезопористые матрицы.

24.

Основные методы получения
наноматериалов
Методы порошковой
металлургии
Комплексные
методы
Поверхностные
технологии
Методы с
использованием
аморфизации
Методы интенсивной
пластической деформации
24

25.

Важнейшей составной частью нанотехнологий
являются наноматериалы – это материалы,
созданные с использованием наночастиц и/или
посредством
нанотехнологий,
обладающие
какими-либо уникальными свойствами.
К наноматериалам относят объекты, один из
характерных размеров которых лежит в интервале
от 1 до 100 нм.

26.

27.

Углеродные нанотрубки
Слева – схематическое изображение однослойной углеродной
нанотрубки; справа (сверху вниз) – двухслойная, прямая и
спиральная нанотрубки.

28.

Нить, сделанная из нанотрубок,
толщиной с человеческий волос
способна удерживать груз в
сотни килограмм.
Структура графита - слои из атомов
углеродов, соединённых друг с другом.

29. Фантастические замыслы

Космический лифт
Нанотросы.Нить диаметром 1 мм – грузоподъемность 20 Т.
Нанокабели – ток 107 А/см2.

30. Углеродные нанотрубки

Известная компания Honda вновь занялась
проектом углеродных нанотрубок, которые
ранее считались бесперспективными, даже
учитывая их феноменальные свойства:
В 100,000 раз тоньше человеческого
волоса
Прочнее стали
Проводят электричество лучше, чем медь
Проводят тепло лучше, чем алмаз
Лёгкие как вата
Хонда предполагает использование этих материалов во всех
своих производствах, включая корпуса автомобилей, элементы
электропитания, солнечные батареи и новая сверх компактная
электроника.

31.

Наноэлектроника
Матрица гибкого дисплея, сделанная на основе нанотрубок

32.

33.

Покрытие на основе наночастиц оксида
титана:
а) структура поверхности, б) смачиваемость
цементной плиты с покрытием растительным
маслом, дистиллированной водой и спиртовым
раствором
33