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.