Матеріалознавство і технологія матеріалів. Технологія конструкційних матеріалів

Спеціальність «матеріалознавство та технологія матеріалів» є однією з найважливіших дисциплін практично для всіх студентів, які вивчають машинобудування. Створення нових розробок, які змогли б конкурувати на міжнародному ринку, неможливо уявити і здійснити без доскональних знань даного предмета.

Вивченням асортименту різної сировини і його властивостей займається курс матеріалознавства. Різні властивості використовуваних матеріалів зумовлюють спектр їх застосування в техніці. Внутрішня будова металу або композитного сплаву безпосередньо впливає на якість продукції.

Основні властивості

Матеріалознавство і технологія конструкційних матеріалів відзначають чотири найбільш важливих характеристики будь-якого металу або сплаву. У першу чергу це фізичні і механічні особливості, що дозволяють прогнозувати експлуатаційні та технологічні якості майбутнього виробу. Основним механічним властивістю тут є міцність – вона безпосередньо впливає на неразрушаемость готової продукції під впливом робочих навантажень. Вчення про руйнуванні і міцності є одна з найважливіших складових частин базового курсу «матеріалознавство та технологія матеріалів». Ця наука складає теоретичну основу для пошуку потрібних конструкційних сплавів і компонентів, призначених для виготовлення деталей з потрібними характеристиками міцності. Технологічні та експлуатаційні особливості дозволяють спрогнозувати поведінку готового виробу при робітників і екстремальних навантаженнях, вирахувати межі міцності, дати оцінку довговічності всього механізму.

Основні матеріали

Протягом останніх століть основним матеріалом для створення машин і механізмів є метал. Тому дисципліна «матеріалознавство» приділяє велику увагу металознавству – науці про металах і їх сплавах. Великий внесок у її розвиток зробили радянські вчені: Аносов П. П., Курнаков Н. С., Чернов Д. К. та інші.

Мети матеріалознавства

Основи матеріалознавства обов'язкові для вивчення майбутніми інженерами. Адже основною метою включення цієї дисциплін у навчальний курс є навчання студентів технічних спеціальностей робити правильний вибір матеріалу для сконструйованих виробів, щоб продовжити терміни їх експлуатації.

Досягнення поставленої мети допоможе майбутнім інженерам вирішити наступні завдання:

• Правильно оцінювати технічні властивості того чи іншого матеріалу, аналізуючи умови виготовлення виробу і термін його експлуатації.
• Мати правильно сформовані наукові уявлення про реальні можливості поліпшення будь-яких властивостей металу або сплаву шляхом зміни його структури.
• Знати про всі способи зміцнення матеріалів, які можуть забезпечити довговічність і працездатність інструментів і виробів.
• Мати сучасні знання про основні групи використовуваних матеріалів, властивості цих груп і про область застосування.

Необхідні знання

Курс «матеріалознавство та технологія конструкційних матеріалів» призначений для тих студентів, які вже розуміють і можуть пояснити значення таких характеристик, як напруга, навантаження, пластична і пружна деформація, агрегатний стан речовини, атоми-кристалічна будова металів, типи хімічних зв'язків, основні фізичні властивості металів. У процесі вивчення студенти проходять базову підготовку, яка їм знадобиться для підкорення профільних дисциплін. Більш старші курси розглядають різні виробничі процеси і технології, в яких вагому роль відіграє матеріалознавство та технологія матеріалів.

Ким працювати?

Знання конструктивних особливостей і технічних характеристик металів і сплавів знадобляться технологу, інженеру або конструктору, що працює в галузі експлуатації сучасних машин і механізмів. Фахівці в області технології нових матеріалів можуть знайти своє місце роботи в машинобудівній, автомобільній, авіаційній, енергетичній, космічній сфері. Останнім часом спостерігається дефіцит фахівців з дипломом «матеріалознавство та технологія матеріалів» в оборонній промисловості і у сфері розробки засобів зв'язку.

Розвиток матеріалознавства

Як окрема дисципліна, матеріалознавство являє собою приклад типової прикладної науки, що пояснює склад, будова і властивості різних металів та їх сплавів при різних умовах.

Уміння добувати метал і виготовляти різні сплави людина придбала ще в період розкладання первіснообщинного ладу. Але як окрема наука матеріалознавство та технологія матеріалів почали вивчатися трохи більше 200 років тому. Початок 18 століття – період відкриттів французького вченого-енциклопедиста Реомюра, який першим спробував вивчити внутрішню структуру металів. Аналогічні дослідження проводив англійський фабрикант Грігнон, в 1775 році написав невелике повідомлення про виявлену їм столбчатой структурі, яка утворюється при твердінні заліза.

У Російській імперії перші наукові праці в області металознавства належали М. В. Ломоносову, який у своєму керівництві спробував коротко пояснити сутність різних металургійних процесів.

Великий ривок уперед металознавство зробило на початку 19 століття, коли були розроблені нові методи дослідження різних матеріалів. У 1831 році праці П. П. Аносова показали можливість досліджувати метали під мікроскопом. Після цього декількома вченими з ряду країн були науково доведені структурні перетворення в металах при їх безперервному охолодженні.

Через сто років ера оптичних мікроскопів припинила своє існування. Технологія конструкційних матеріалів не могла робити нові відкриття, користуючись застарілими методами. На зміну оптиці прийшло електронне устаткування. Металознавство стало вдаватися до електронних методам спостереження, зокрема, нейтронографії і електронографії. За допомогою цих нових технологій можливе збільшення зрізів металів і сплавів до 1000 разів, а отже, підстав для наукових висновків стало набагато більше.

Теоретичні відомості про будову матеріалів

У процесі вивчення дисципліни студенти отримують теоретичні знання про внутрішню структуру металів і сплавів. Після закінчення курсу слухачами повинні бути отримані наступні вміння та навички:

• про внутрішній кристалічному будові металів;
• про анізотропії і изотропии. Чим обумовлені ці властивості, і як на них можна впливати;
• про різних дефектах будови металів і сплавів;
• про методи дослідження внутрішньої структури матеріалу.

Практичні заняття з дисципліни матеріалознавство

Кафедра матеріалознавства є в кожному технічному вузі. У період проходження заданого курсу студент вивчає наступні методи і технології:

• Основи металургії – історія та сучасні методи отримання сплавів металів. Виробництво сталі і чавуну в сучасних доменних печах. Розливання сталі і чавуну, методи підвищення якості продукції металургійного виробництва. Класифікація та маркування сталі, її технічні та фізичні характеристики. Виплавка кольорових металів та їх сплавів, виробництво алюмінію, міді, титану та інших кольорових металів. Застосовуване при цьому устаткування.

• Основи матеріалознавства включають в себе вивчення ливарного виробництва, сучасного його стану, загальних технологічних схем отримання виливків.
• Теорію про пластичної деформації, чим відрізняються деформація холодна і гаряча, що таке наклеп, сутність гарячого штампування, способи холодного штампування, спектр застосування штампувальних матеріалів.
• Кування: сутність цього процесу та основні операції. Що таке продукція прокатного виробництва і де вона застосовується, яке обладнання потрібно для прокату і волочіння. Як отримують готову продукцію за цими технологіями, і де її застосовують.
• Зварювальне виробництво, його загальна характеристика та перспективи розвитку, класифікація методів зварювання різних матеріалів. Фізико-хімічні процеси одержання зварених швів.
• Композитні матеріали. Пластмаси. Способи отримання, загальні характеристики. Методи роботи з композитними матеріалами. Перспективи застосування.

Сучасний розвиток матеріалознавства

Останнім часом матеріалознавство отримало потужний поштовх розвитку. Потреба в нових матеріалах змусила вчених задуматися про отримання чистих і надчистих металів, ведуться роботи зі створення різної сировини за спочатку прорахованим характеристикам. Сучасна технологія конструкційних матеріалів пропонує використання нових речовин взамін стандартних металевих. Більше уваги приділяється застосуванню пластмас, кераміки, композиційних матеріалів, які мають параметри міцності, сумісні з металевими виробами, але позбавлені їх недоліків.