История развития материаловедения как науки

Введение

На сегодняшний день наука и техника имеют очень широкое развитие. Создаются новые аппараты и изделия в самых разных отраслях индустрии для более качественной и продуктивной работы, для их более долговечной службы. А для создания таких аппаратов и изделий необходимы надежные и высококачественные материалы, работа над поиском которых ведется и по настоящее время. Для решения проблемы поиска существует такая наука как материаловедение, которая изучает строение и свойства материалов.

Материаловедение существует с древнейших времен, когда люди использовали еще только природные материалы и не могли задумываться о создании новых, более качественных. Но человек развивался, и увеличивались его потребности, в том числе потребность к более прочным изделиям. Как наука материаловедение сформировалась только в ХIХ веке. Дальнейшее ее развитие неотъемлемо связано с получением новых высококачественных материалов, которые необходимы для создания продуктов более стойких в эксплуатации. Развитие производства являлось следствием возрастающих потребностей в материалах у общества.

Поэтому в своей работе я хотела бы осветить наиболее яркие этапы развития материаловедения в древнейшие времена и как науки уже в настоящее время, упомянуть ученых, чьи труды внесли немалый вклад в это развитие, так как считаю, что материаловедение ведет большую работу по изучению материалов в помощь производству.

Глава I. Общие сведения о науке материаловедение

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. Воздействие бывает тепловым, электрическим, магнитным и т. д.

Материаловедение можно отнести к тем разделам физики и химии, которые занимаются изучением свойств материалов. Кроме того, эта наука использует целый ряд методов, позволяющих исследовать структуру материалов. При изготовлении наукоемких изделий в промышленности, особенно при работе с объектами микро- и нано- размеров необходимо детально знать характеристику, свойства и строение материалов. Решить эти задачи и призвана наука – материаловедение.

Классификация материалов: металлические, неметаллические и композиционные материалы.

Металлические материалы подразделяются на группы в соответствии с тем компонентом, который лежит в их основе. Материалы черной металлургии: сталь, чугуны, ферросплавы, сплавы, в которых основной компонент – железо. Материалы цветной металлургии: алюминий, медь, цинк, свинец, никель, олово. Металлы и металлические сплавы составляют основу современной техники. Сегодня металлы являются самым универсальным по применению классом материалов. Для того чтобы повысить качество и надежность изделий, требуются новые материалы. Для решения этих проблем применяются композиционные, полимерные, порошковые материалы.

Неметаллические материалы: резина, стекло, керамика, пластические массы, ситаллы.

Композиционные материалы являются составными материалами, в состав которых входят два и более материалов (например, стеклопластики).

Существует классификация материалов в зависимости от вида полуфабрикатов: листы, порошки, гранулы, волокна, профили и т. д.

Знание структуры и свойств материалов приводит к созданию принципиально новых продуктов и даже отраслей индустрии. Однако и классические отрасли также широко используют знания, полученные учеными-материаловедами для нововведений, устранения проблем, расширения ассортимента продукции, повышения безопасности и понижения стоимости производства.

Методы, используемые материаловедением: металлографический анализ, электронная микроскопия, зондовая микроскопия, рентгеноструктурный анализ, механические свойства, калориметрия, ядерный магнитный резонанс, термография и т. д.

Направления исследований материаловедения:

1. Нанотехнология – создание и изучение материалов и конструкций размерами порядка нескольких нанометров.

2. Кристаллография – изучение физики кристаллов, включает:

дефекты кристаллов – изучение нарушений структуры кристаллов, включения посторонних частиц и их влияние на свойства основного материала кристалла;

технологии дифракции, такие как рентгеноструктурный анализ, используемые для изучения фазового состояния вещества.

3. Металлургия (металловедение) – изучение свойств различных металлов.

4. Керамика, включает:

создание и изучение материалов для электроники, например, полупроводники;

структурная керамика, занимающаяся композитными материалами, напряжёнными веществами и их трансформациями.

5. Биоматериалы – исследование материалов, которые можно использовать в качестве имплантантов в человеческое тело.

Глава II. Исторические этапы  развития материаловедения

Наука о материалах имеет глубочайшую историю развития. Условно можно выделить три основных по своей продолжительности не равных этапа в ее истории. Возникновение науки и каждый этап ее развития всегда были обусловлены производством, практикой. В свою очередь, развитие производства являлось следствием возрастающих потребностей в материалах у общества.

II.1. Первые познания о материалах

Имеется достаточно оснований утверждать, что исходным моментом для становления науки о материалах явилось получение керамики путем сознательного изменения структуры глины при ее нагревании и обжиге.

На следующем этапе развития человек стал использовать металлы. С течением значительного времени человечество познало самородные, а затем и рудные металлы, крепость и жесткость которых были известны уже с 8-го тысячелетия до н.э. Холоднокованая самородная медь была вытеснена медью, выплавленной из руд, которые встречались в природе чаще и в больших количествах. В дальнейшем к меди стали добавлять другие металлы, так что в 3-м  тысячелетии до н.э. научились изготовлять и использовать бронзу как сплав меди с оловом, а также обрабатывать благородные металлы, уже широко известные к тому времени. Масштабы использования металлов возрастали, и человечество вступило из бронзового века в железный, поскольку железные руды оказались доступнее медных. В 1-м тысячелетии до н.э. преобладало железо, которое научились соединять с углеродом при кузнечной обработке в присутствии древесного угля. Пока точно не установлено, когда началось применение термической обработки, стали, но все же известно, что в 9 и 8 вв. до н.э. жители Луристана использовали ее в быту и технике.

Сознательное создание новых керамических и металлических материалов и изделий было обусловлено определенным прогрессом производства. Возрастала необходимость в более глубоком понимании свойств материалов, особенно прочности, ковкости и других качественных характеристик, а также способов их возможного изменения. К этому времени развились мореплавание, ирригация, постройка пирамид, храмов, укрепление грунтовых дорог и т. д. Пополнились новыми сведениями и фактами теоретические представления о материалах.

Первыми и наиболее правдоподобными суждениями о сущности качества материалов и о слагающих частицах вещества были суждения древнегреческих философов Демокрита (около 460 гг. до н.э.) и Эпикура (341 – 270 гг. до н.э.). Их учения об атомизме возникли под влиянием наблюдений за состоянием и свойствами природных камней, керамики, бронзы и стали. Примерно к тому же времени относится и философия древнегреческого ученого Аристотеля, который установил 18 качеств у материалов: плавкость – не плавкость, вязкость – хрупкость, горючесть – негорючесть и т. п. Три известных состояния вещества (твердое, жидкое и газообразное) и отношение их к энергии выражалось Аристотелем четырьмя элементами: землей, водой, воздухом и огнем, что с позиций физики являлось определенным достижением. Римский философ Тит Лукреций Кар (99 – 55 гг. до н.э.) в дидактической поэме «О природе вещей» излагал свои суждения о природе свойств материалов: «...что, наконец, представляется нам затверделым и плотным, то состоять из начал крючковатых должно непременно, сцепленных между собой на подобие веток сплетенных. В этом разряде вещей, занимая в нем первое место, будут алмазы стоять, что ударов совсем не боятся, далее – твердый камень и железа могучего крепость, так же как стойкая медь, что звенит при ударах в засовы...»

Для древнего периода науки весьма характерна нерасчлененность ее по отдельным видам материалов. В значительной мере в ней прослеживается общая взаимосвязь между качеством материалов и их атомистическим составом, хотя, естественно, до подлинных научных химических знаний о составе и свойствах было еще весьма далеко. Теория строилась в основном на догадках, интуициях.

К первому этапу относится и средневековье. Именно в этот период Парацельс заменяет четыре элемента Аристотеля тремя своими – солью, серой и ртутью, что можно расценить как интуитивное предсказание роли межатомных связей в формировании свойств веществ. К этому периоду относится и учение Декарта (1596 – 1650 гг.) о том, что природа представляет собой непрерывную совокупность материальных частиц, что движение материального мира вечно и сводится к перемещению мельчайших частиц – атомов. Перемещение атомов или, как их тогда называли, корпускул, составляло основу корпускулярной теории строения вещества, что было значительным достижением в области познания составов, внутренних взаимодействий и свойств веществ. Исследования, связанные с изучением внутреннего строения материалов, развивались медленнее, хотя у философов античного периода, как отмечалось выше, были и теории, и некоторые опытные данные. Среди наиболее выдающихся работ следует назвать публикацию Реомюра (1683 – 1757 гг.) о структуре железа и ее изменениях. Опыты завершились получением нового материала – ковкого чугуна. В первых книгах по материаловедению Бирингуччо (1480 – 1539 гг.) и Агриколы (1494 – 1555 гг.) суммировались эмпирические сведения о сущности операций, выполняемых в литейном и кузнечном производствах, о плавлении руд и характере металлургического производства.

II.2. Зарождение материаловедения как науки

Первые шаги на пути к реальному пониманию свойств материалов были сделаны с наступлением XIX века. 

Материаловедение является поистине интернациональной наукой, ее теоретические основы были заложены трудами разных стран. Начало этому положила химия, затем физика.

Большой вклад в развитие науки о материалах был внесен гениальными русскими учеными М. В. Ломоносовым и Д. И. Менделеевым.

М. В. Ломоносов (1711 – 1765 гг.) заложил основы передовой русской философии и науки, особенно в области химии, физики, геологии. Он явился основоположником курса физической химии и химической атомистики, обосновывающей атомно-молекулярное строение вещества. Кроме того, в 1763 г. вышла книга «Первые основания металлургии или рудных дел» М. В. Ломоносова, которая является выдающимся трудом по металлургии (в частности чугуна, и горному делу), разработал составы цветных стекол и способ изготовления мозаичных панно из них, высказал гипотезу о происхождении янтаря и др.

Д. И. Менделеев (1834 – 1907 гг.) открыл важнейшую закономерность природы – периодический закон, в соответствии с которым свойства элементов находятся в периодической зависимости от величины их атомной массы. Он опубликовал книгу «Основы химии»; в ней описано, в частности, атомно-молекулярное строение вещества. Д. И. Менделеев также немалое внимание уделял проблеме производства стекла.

Достижения науки о материалах в нашей стране исходят от основоположников крупнейших научных школ Ф. Ю. Левинсона-Лессинга, Е. С. Федорова, В. А. Обручева, А. И. Ферсмана, Н. А. Белелюбского, занимавшихся исследованием минералов и месторождений природных каменных материалов (горных пород). Начинают производиться новые материалы: портландцемент, новые гипсы, цементные бетоны, полимерные материалы и т. д.

В машиностроении широкое применение получили металлы и сплавы металлов, именно поэтому металловедение является важной частью материаловедения.

Известный физик Майкл Фаррадей (1791 – 1867 гг.) использовал химический анализ при изучении свойств булатной стали.

Из последующих работ по материаловедению особо следует отметить труды выдающегося русского металлурга горного инженера генерал-майора П. П. Аносова (1799 – 1839 гг.). Он в 1831 г. впервые использовал микроскоп для изучения структуры металлов при  исследовании строения высококачественной стали – булата, проблему изготовления которой П. П. Аносов блестяще разрешил на Златоустовском заводе (1837 г.). Им была установлена связь между строением стали и ее свойствами. Аносов, по существу, явился зачинателем производства высококачественных сталей, играющих важнейшую роль в современной технике. В своих работах П. П. Аносов изучил также влияние углерода на структуру и свойства стали, оценил роль ряда других элементов.

Анализ структуры металлов и различных минералов с помощью оптического микроскопа в дальнейшем нашел широкое распространение в трудах английского геолога Генри Сорби (1826 – 1908 гг.). Он впервые применил методы петрографии к исследованию стали, рассматривая под микроскопом травленые шлифы и фотографируя структуры. В дальнейших исследованиях Сорби использовал большое увеличение, что позволило ему впервые наблюдать перлит. Сорби открыл, что перлит образуется при распаде гомогенной высокотемпературной фазы, причем его образование может подавляться при закалке. Таким образом, он установил существование структурных превращений в стали.

Серьезного внимания заслуживают работы А. С. Лаврова и Н. В. Калакуцкого, открывших в 1867 г. явление ликвации стали. Важную роль сыграли работы Н. В. Калакуцкого по изучению внутренних напряжений. Он разработал меры по их устранению.

Эти первые наблюдения изменений, происходящих с внутренней структурой металла, а также новые сведения о составе вещества, полученные с помощью химии, существенно изменили представления о возможности проникновения в природу материалов.

В последней четверти XIX века химия и физика уже играли ключевую роль в развитиии многих сложившихся к тому времени отраслей, связанных с производством материалов. Здесь уместно отметить роль выдающегося русского ученого-металлурга Д. К. Чернова (1839 – 1921 гг.). В 1868 г. он сделал крупнейшее и исключительное по своим последствиям открытие. Он установил критические точки – температуры, при которых происходит изменение структуры и свойств охлажденной стали. Этим открытием Чернов разрешил основной  вопрос об условиях  термообработки и ковки стали. А в 1878 г. изложил основы современной теории кристаллизации металлов. Эти и последующие работы Чернова послужили фундаментом для создания современного материаловедения и термической обработки стали. За свои работы Чернов Д. К. в литературе был назван «отцом металлографии».

Современные русские металлурги и металловеды являются последователями Д. К. Чернова. Они создали советские школы металлургии, занявшие выдающееся место в советской и мировой науке. В области металлургии чугуна – это школа академика М. А. Павлова, который разработал стройную теорию доменной плавки чугуна и методику металл расчетов, на которых сейчас базируется вся теория и практика доменного дела; в области металлургии стали – школа академика А. А. Байкова, разработавшего теорию металлургических  процессов стали. Его идеи получили дальнейшее развитие в работах школы академика Н.С. Курнакова.

II.3. Крупнейшие достижения в теории и практике материаловедения

В XX столетии химикам и физикам удалось сделать ряд фундаментальных открытий, на которые опираются все современные разработки новых материалов и технологические методы их получения и обработки.

В начале XX в. большую роль в развитии материаловедения сыграли работы Н. С. Курнакова (1860 – 1941 гг.), который применил для исследования металлов методы физико-химического анализа (электрический, магнитный, дилатометрический и др.). Н. С. Курнаков и его ученики изучили большое количество металлических сплавов, построили диаграммы состояния и установили зависимость изменения свойств сплавов от их состава в связи типом диаграммы состояния. Как выяснилось, материалам свойственна определенная внутренняя архитектура, иными словами – иерархическая последовательность структурных уровней, что объясняло многообразие проявляемых материалами свойств. Это предполагало, что поведение того или иного материала можно предсказать заранее, если тщательно изучить его внутреннюю архитектуру.

Раскрытие внутренней структуры материалов создало основу для понимания твердого состояния вещества вообще и конкретных материалов в частности. Объединение знаний, полученных теоретическим и опытным путем, позволило не только разработать более эффективные методы обработки природных материалов, но и создать огромное количество новых искусственных материалов, таких как, синтетические волокна и пластмассы; высоконапряженные и жаропрочные металлические сплавы; стеклянные волокна, используемые в качестве оптических волноводов; магниты, изготовленные из редкоземельных элементов; различные виды высоконапряженной керамики; композиты и полупроводники, составляющие основу современной микроэлектроники.

Использование рентгеновского анализа в начале 20-х годов XX века позволило установить кристаллическое строение металлов и сплавов. Эти исследования выполнили такие крупнейшие ученые, как М. Лауэ и П. Дебай (Германия), Г. В. Вульф (СССР), У. Г. Брегг и У. Л. Брегг и др.

Среди зарубежных ученых большой вклад в изучение железоуглеродистых сплавов внесли А. Ле-Шателье (Франция), Р. Аустен (Англия), Ф. Осмонд (Франция) и др. Широко известны работы Э. Бейна, Р. Мейла (США) и Велера (Германия) в области теории фазовых превращений в сплавах.

Работы крупнейшего русского химика А. М. Бутлерова (1828 – 1886 гг.), создавшего теорию химического строения органических соединений, создали научную основу для получения синтетических полимерных материалов. На основе работ С. В. Лебедева впервые в мире было создано промышленное производство синтетического каучука. Большое значение для развития полимерных материалов имели структурные исследования В. А. Каргина и его учеников. Над созданием полимерных материалов работали К. Циглер (ФРГ) и Д. Натта (Италия).

Начиная с 1928 – 1930 гг. большое внимание было уделено изучению теории фазовых превращений в сплавах. Это позволило разработать теорию и практику термической обработки стали, дуралюмина и ряда других технически важных сплавов. В числе работ, выполнявшихся в этом направлении, следует, прежде всего, отметить исследования С. С. Штейнберга, Г. В. Курдюмова, А. А. Бочвара, В. Д. Садовского, С. Т. Конобеевского и др.

В создании новой технологии термической и химико-термической обработки стали следует выделить работы советских ученых Н. А. Минкевича, И. И. Сидорина, Ю. М. Лахтина, А. П. Гуляева и др.

Создателями металлических конструкций и сооружений являются В. Г. Шухов (1853 – 1939 гг.), Н. С. Стрелецкий (1885 – 1967 гг.), Л. Д.  Проскуряков (1858 – 1926 гг.).

Таким образом, в XX веке были достигнуты крупные достижения в теории и практике материаловедения, созданы высокопрочные материалы для инструментов, разработаны композиционные материалы, открыты и использованы свойства полупроводников, совершенствовались способы упрочнения деталей термической и химико-термической обработкой. Все эти результаты достигнуты наукой, сформировавшейся на основе интеграции различных дисциплин и получившей название материаловедение.

Таким образом, к началу XXI века многолетними трудами ученых установлены основные характеристики материалов.

Заключение

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.

Материаловедение или наука о материалах получила свое развитие с древнейших времен. Первый этап развития материаловедения начинается со специализированного изготовления керамики. На следующем этапе развития человек стал использовать металлы. Первыми и наиболее правдоподобными суждениями о сущности качества материалов и о слагающих частицах вещества были суждения древнегреческих философов Демокрита, Эпикура и Аристотеля. Средневековый период характеризуется достижениями в области познания составов, внутренних взаимодействий и свойств веществ таких ученых как Парацельс, Декарт, Реомюр, Бирингуччо и Агрикола.

Первые шаги на пути к реальному пониманию свойств материалов были сделаны с наступлением XIX века. Достижения науки о материалах в нашей стране исходят от основоположников крупнейших научных школ Ф. Ю. Левинсона-Лессинга, Е. С. Федорова, В. А. Обручева, А. И. Ферсмана, Н. А. Белелюбского, занимавшихся исследованием минералов и месторождений природных каменных материалов. В машиностроении широкое применение получили металлы и сплавы металлов, именно поэтому металловедение является важной частью материаловедения.

Большой вклад в развитие науки о материалах был внесен гениальными русскими учеными М. В. Ломоносовым (подтвердил теорию об атомно-молекулярном строении вещества) и Д. И. Менделеевым (разработал периодическую систему элементов). Оба ученых немалое внимание уделяли проблеме производства стекла.

Из последующих работ по материаловедению следует отметить труды П. П. Аносова, который впервые установил связь между строением стали и ее свойствами. Д. К. Чернов, открывший полиморфизм стали, всемирно признан основоположником научного металловедения. Последователи Д. К. Чернова М. А. Павлов и А. А. Байков создали советские школы металлургии, занявшие выдающееся место в советской и мировой науке.

В XX столетии химикам и физикам удалось сделать ряд фундаментальных открытий.

Большое значение в развитии методов физико-химического исследования и классификации сложных фаз в металлических сплавах имели работы Н. С. Курнакова и его учеников. Разработка теории и технологии термической обработки стали, связана с именами С. С. Штейнберга и Н. А. Минкевича. Исследованию механизма и кинетически фазовых превращений в металлических сплавах посвящены работы крупных советских ученых С. Т. Конобеевского, А. А. Байкова, Г. В. Курдюмова, В. Д. Садовского, А. А. Бочвара, С. Т. Кишкина, Н. В. Агеева и многих других.

Работы крупнейшего русского химика А. М. Бутлерова создали научную основу для получения синтетических полимерных материалов. На основе работ С. В. Лебедева впервые в мире было создано промышленное производство синтетического каучука. Большое значение для развития полимерных материалов имели структурные исследования В. А. Каргина и его учеников.

Среди зарубежных ученых большой вклад в изучение железоуглеродистых сплавов внесли А. Ле-Шателье, Р. Аустен, Ф. Осмонд и др. Важнейшие рентгеноструктурные исследования сплавов провели М. Лауэ, П. Дебай, У. Г. Брегг и У. Л. Брегг. Широко известны работы Э. Бейна, Р. Мейла и Велера в области теории фазовых превращений в сплавах. Над созданием полимерных материалов работали К. Циглер и Д. Натта.

Трудами всех вышеперечисленных ученых в XX веке были созданы высокопрочные материалы для инструментов, разработаны композиционные материалы, открыты и использованы свойства полупроводников, совершенствовались способы упрочнения деталей термической и химико-термической обработкой. И к началу XXI века установлены основные характеристики материалов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Материаловедение и технология металлов: учебник / под ред.               Г. П. Фетисова, Ф. А. Гарифуллина. М.: ОНИКС, 2007 – 615 с.

2. Мозберг Р. К. Материаловедение: учебник / Р. К. Мозберг. Таллин: Валгус, 1976 – 554 с.

3. Материаловедение: учебник / под ред. Б. Н. Арзамасова. 2-е изд., испр. и доп. М.: Машиностроение, 1986 – 384 с.

4. Шашков Д. И. Материаловедение в автомобилестроении / МАДИ (ГТУ). М., 2003 – 328 с.

5. Сайт Факультета наук о материалах МГУ им. М. В. Ломоносова.

6. Сайт кафедры «Материаловедение» (МТ-8) МГТУ им. Н. Э. Баумана.

7. Сайт Московского Института Стали и сплавов.

8. Сайт кафедры «Материаловедение электронной техники» Московского государственного института электроники и математики.