Матеріали в техніці та побуті
Розвиток цивілізації і науково-технічний прогрес суспільства визначаються трьома основними факторами – знаннями (інформацією), енергією та матеріалами, ефективність взаємодії між якими залежить від характеру суспільно-економічних відносин.
Матеріали (речовини) – це все, що оточує нас, що ми їмо, чим дихаємо, з чого робимо необхідні для життєдіяльності предмети, знаряддя і механізми. Енергія приводить наш світ у рух. Інформація – це не тільки відомості з книг, але і відомості, що зберігаються в структурі біологічних молекул, у радіосигналах, переданих у космос, і т. д. Протягом усієї історії людство опановувало речовину, енергію та інформацію. Цілі епохи в його розвитку одержали назву за найменуванням найбільш передової технології для кожної епохи. Так, кам’яний вік – це епоха технології обробки каменю для одержання знарядь праці, залізний вік – епоха оволодіння технологією обробки металу, століття друкарства – епоха оволодіння новим методом поширення інформації, століття електрики – епоха оволодіння новими видами енергії.
Із зазначених трьох факторів найбільш консервативним, мало й повільно змінюваним у часі є фактор, який характеризує матеріали, оскільки не з перших днів свого існування людина створювала все нові і нові матеріали, яких не було до цього в природі.
Перше місце серед матеріалів, які використовуються людством сьогодні, займає спадщина кам’яного віку: цемент, бетон, цегла, гончарні і кам’яні вироби. Далі за обсягом іде спадщина бронзового і залізного віків. На третьому місці, як це не дивно, – папір і картон. Четвертою в цьому ряді є пластмаса. Незабаром вона пережене за обсягами виробництва та використання папір і метал. Адже темпи приросту виробництва полімерних матеріалів у всьому світі надзвичайно високі. Зростає й виробництво сталі. Так, у десятилітній термін з 1996 по 2005 р. виробництво сталі збільшилося з 750 млн т до 1,1 млрд т. У 2004 році обсяги основних промислових матеріалів складали, млн т: сталі – 1060, алюмінію – 37,5, пластмас – 224. Відповідно вартість цих матеріалів у тому ж році становила 550, 50 і 225 млрд євро. Країною найбільшого зростання металургійного виробництва є Китай, де в 2006 році виробництво сталі досягло 330 млн т, а в майбутньому досягне 390 млн т при виробничих потужностях 419 млн т за рік.
На сьогоднішній день у курсі "Теоретичні основи матеріалознавства" головне місце займають метали та їхні сплави, оскільки вони є найбільш поширеним конструкційним матеріалом.
Наука, що вивчає склад, будову та властивості металів і сплавів, а також їхнє застосування в конкретних умовах експлуатації, називається металознавством. Ця наука зародилася й оформилася в самостійну наукову дисципліну лише в другій половині ХІХ ст., хоча витоки її ідуть з далекого минулого. Матеріально-технічною основою виникнення науки про метали і сплави став розвиток металургії, машинобудування, будівництва залізниць, суднобудування, а також удосконалювання військової техніки.
До середини ХVІІІ ст. наука про метали розвивалася переважно завдяки вдосконалюванню військової техніки й у першу чергу вогнепальної зброї.
У XVI–XVII ст. на Русі створюються перші залізоробні заводи, а на початку XVIII ст. металургія розвивається ще більш швидкими темпами, особливо після створення нової металургійної бази на Уралі з його багатющими запасами високоякісної залізної руди і деревинновугільного палива.
Російський метал відрізнявся високою якістю. Це і не дивно. Адже на Уралі він виплавлявся досвідченими металургами з прекрасної руди – магнітного залізняку, на чистому деревному вугіллі. Цей метал набував усе більшої популярності на світовому ринку. У результаті збільшення виробництва металів уже в першій половині XVII ст. почали складатися передумови для розробки наукових основ металургії і металознавства.
Зростаюча потреба в металах, необхідність одержання сплавів з різними властивостями для виготовлення різних виробів змусили багатьох представників науки XVIII ст., насамперед фізиків і хіміків, зайнятися розробкою теоретичних основ металургійних процесів, з’ясувати залежність властивостей металу від його складу, методів одержання і характеру обробки. Зачинателем науки про метали на Русі по праву вважається М.В. Ломоносов (1711–1765), який був автором першої наукової праці з металургії і гірничої справи "Первые основания металлургии или рудных дел", опублікованої в 1763 р. Перше визначення металу, дане Ломоносовим: "металлы суть светлые тела, которые ковать можно", – зберегло своє наукове значення до нашого часу.
Основоположниками сучасного металознавства були видатні російські металурги П.П. Аносов (1797–1851) і Д.К. Чернов (1839–1921). Відкриття, що мали велике значення для створення наукових основ металургії і металознавства, були зроблені Д.К. Черновим, якого ще за життя називали "батьком металографії". Працюючи на Обухівському сталеливарному заводі в Петербурзі, Д.К. Чернов у 1868 р. відкрив критичні точки, за яких відбуваються перетворення в сталі під час нагрівання й охолодження, та встановив вплив цих перетворень на її будову і властивості.
Завдяки роботам Д.К. Чернова металургія і металознавство перетворилися з ремесла в науку, що дозволило розв'язати найважливіше на той час питання про термічну обробку гарматних стволів і тим самим – практичну задачу виробництва сталевих гармат замість бронзових.
У Франції продовжувачем робіт Д.К. Чернова був видатний вчений Осмонд, який в лабораторних умовах визначив критичні точки Чернова і відкрив точку магнітного перетворення сталі (1900 р.). Робота Осмонда була значно полегшена застосуванням термоелектричного пірометра і сучасного металографічного мікроскопа, творцем яких був відомий французький фізико-хімік Ле-Шательє (1850–1936).
Значний внесок у розвиток металознавства був зроблений вченими О.О. Байковим (1870–1946), який вперше в Росії написав та опублікував курс металографії, і А.М. Бочваром (1870–1947), який поклав початок металознавству кольорових металів і сплавів. Вимоги, які ставляться до матеріалу залежно від умов його роботи, характеру механічного навантаження, температури і впливу середовища, можуть бути різними. Зовсім нові вимоги до конструкційних матеріалів поставила авіаційна техніка, що з’явилася на початку ХХ ст. Алюміній був першим конструкційним металом, який почали застосовувати в літакобудуванні. Спочатку він витіснив з конструкції літака деревину (каркас), а потім і тканину (обшивка). За обсягом виробництва та використання алюміній займає зараз перше місце серед металів, які застосовуються в літако- і ракетобудуванні. Якщо спочатку алюміній використовувався тільки в авіації, то після Другої світової війни він став широко застосовуватися в інших видах транспорту, будівництві і побуті. Хоча алюміній, офіційно відкритий у 1808 р. англійським професором Г. Дезі, є найбільш розповсюдженим елементом земної кори й проте його виробництво і в даний час є дуже енергоємним і дорогим. Так, для виробництва однієї тонни алюмінію потрібно близько 2000 кг глинозему, 500 кг вугільних електродів і біля 20000 кВт·год електроенергії. Таким чином, його вартість у першу чергу визначається вартістю витраченої електроенергії.
До початку 30-х років були розроблені перші авіаційні сплави на основі магнію – "електрони". Одночасно як експеримент був побудований з електрону планер, але його просто неба і менш ніж через рік він став непридатним до польотів унаслідок корозії. Крім алюмінію і магнію для сучасних літаючих конструкцій широко застосовується також і титан, що є не тільки легким і тугоплавким, але й дуже міцним і пластичним металом. Будучи лише на 2/3 важчим від алюмінію, він перевершує його за міцністю в шість разів і має більшу ніж у два рази температуру плавлення. Основна перевага титану і його сплавів – поєднання високої питомої міцності з хімічною стійкістю за нормальної і підвищеної температури (біля 300…500 °С) – робить їх незамінними в сучасних літальних апаратах.
У тонкостінних конструкціях, що зазнають сильного аеродинамічного нагрівання в надзвуковому і гіперзвуковому літальних апаратах, зараз в основному застосовують титанові сплави і нержавіючі жароміцні залізні і нікелеві сплави. Для тонких профілів титанові сплави не зовсім придатні через малу питому жорсткість, а сталі і нікелеві сплави – за ваговими параметрами. Титанові сплави добре зарекомендували себе в конструкціях підводних човнів.
У суднобудуванні застосовують різноманітні матеріали. У минулому судна будували з дерева, і тільки в ХІХ ст. для корпусів суден почали використовувати залізо, потім листову сталь. Приблизно до 1945 р. основним матеріалом у корпусобудуванні була вуглецева сталь. Після Другої світової війни для побудови корпусів суден починають широко застосовувати низьколеговану сталь. Сьогодні майже всі великі судна будують з високоміцних низьколегованих сталей.
У 30-х роках ХХ століття в суднобудуванні почали використовувати алюмінієво-магнієві сплави. Алюмінієві сплави намагалися застосовувати в суднобудуванні і раніше, але через низькі корозійну стійкість і міцність вони не отримали визнання в той час. Широке використання високоміцних і корозійностійких алюмінієво-магнієвих сплавів почалося в суднобудуванні в 50-х роках. Маса конструкцій із цих сплавів на 50 % від менша аналогічних сталевих. Це надало можливість збільшити вантажопідйомність судна, підвищити його швидкість або зменшити потужність головних двигунів. Із цих сплавів виготовляють надбудови суден, корпуси суден на підводних крилах, рятувальні судна і т. д.
Характерною особливістю сучасного суднобудування є широке впровадження нових матеріалів. "Стара, як піраміди; нова, як балістичні ракети,..." – так нерідко говорять про металокераміку – матеріал, який отримують спіканням заготовок і деталей з металевих порошків. Основний матеріал металокераміки – металеві порошки – одержують відновленням з руд, дробленням стрічки, розпиленням рідкого металу чи розкладанням його газоподібних сполук, а також іншими способами. Порошки випускаються з розміром частинок від десятої частки мікрометра до декількох міліметрів. Перед спіканням вони пресуються. Іноді під час спікання їх просочують більш рідким легкоплавким металом.
Металокераміка зараз широко застосовується у виготовленні виробів з тугоплавких металів і твердих жароміцних сплавів.
Спіканням твердих карбідів вольфраму і титану з невеликими кількостями кобальту і нікелю одержують тверді сплави ВК, ТК та інші, різальні властивості яких не знижуються під час нагрівання до 900…950 °С.
Спечені порошкові матеріали мають багато переваг, але навіть у разі використання порошків пластичних металів пластичність спечених виробів є невеликою.
Для підвищення міцності і пластичності зі збереженням великої пористості з 1948 р. почали виготовляти деталі, які містять тонкі короткі металеві волокна, за комбінованою технологією паперового і металокерамічного виробництва. Волокнисті металокерамічні матеріали при такій самій пористості (густині), що і порошкові, помітно міцніші і більш в’язкі. Їх можна прокатувати, розтягувати і штампувати в холодному стані.
Гази в металах є звичайно шкідливою домішкою. Однак пінистий метал із закритими порами давно вже привертає увагу конструкторів і технологів. Він може бути дуже легким і досить жорстким, мати малу теплопровідність і відрізнятися високими звукоізоляційними якостями, легко оброблятися, бути досить корозійностійким.
Пінометали одержують додаванням у розплавлений метал піноутворювачів – речовин, що розкладаються за високих температур з виділенням великої кількості газів, наприклад гідриду титану, цирконію та ін. Унаслідок цього рідкий метал спінюється. Щоб гази не встигли виділитися, а піна осісти, його швидко охолоджують. Зараз уже в технологічних масштабах налагоджене виробництво піноалюмінію, а з дослідницькою метою виготовляють інші пінометали.
У промисловості, на транспорті і взагалі в народному господарстві велике значення має електрична енергія. Нескладними способами вона перетворюється на тепло, світло, хімічну енергію, механічний рух. Важко було б без неї на літаку, ракеті та судні. Вона запускає двигун і запалює паливну суміш, запускає сотні електродвигунів та електромагнітів, забирає і випускає шасі, надає руху насосам і керуючим механізмам. Вона є джерелом живлення обчислювальних машин, навігаційного, радіолокаційного та іншого обладнання. Вона дає світло й обігріває. Електроенергію виробляють генератори, хімічні батареї, акумулятори. Безліч металів і сплавів виконують у цих пристроях свою особливу роль.
Основним джерелом електричного струму на літаку і судні є генератор. Для підвищення індукції, створюваної статором, і зменшення втрат енергії статор і ротор набирають з листів електротехнічної сталі (кременисте залізо). Магнітне поле в статорі збуджується обмоткою мідних проводів. Вироблену електроенергію потрібно передати споживачам. Максимальну електропровідність мають чисті метали: срібло, мідь, алюміній. Найбільша електропровідність у срібла, але воно дороге. Тому авіаційні та суднові проводи виготовляються переважно з міді або з алюмінію.
Контакти реле пускових пристроїв та вимикачів потребують для надійної роботи інших металів. Насамперед вони повинні мати високу електро- і теплопровідність, щоб у контакті виділялося менше тепла і щоб воно швидко відводилося. Під час замикання і розмикання контактів нерідко проскакує іскра, а в потужних ланцюгах може навіть короткочасно утворитися електрична дуга. Отже, вони повинні бути тугоплавкими, щоб не плавитися і не зварюватися в робочому положенні. Метали контактів не повинні окиснюватися. Усім цим вимогам більш за все відповідають благородні метали. Але чисті метали м’які і сильно зношуються механічно. Тому в розривних контактах застосовуються сплави благородних металів, які містять 10…30 % легуючих елементів. У потужних ланцюгах застосовують вольфрамові і молібденові контакти чи контакти з їхніх порошкових композицій зі сріблом, міддю і нікелем.
Якщо прилади можна уподібнити "нервовим вузлам", то "нервовими закінченнями", що сприймають зовнішній вплив, найчастіше є пружні металеві чутливі елементи, мембранні пружини, мембранні й анероїдні (вакуумовані) коробки, сильфони (гофровані металеві міхи), плоскі, кручені і трубчасті пружини. Вони чутливо реагують на зміну навантаження, деформуючись при дуже малих його коливаннях і перетворюючи в такий спосіб невидимі зусилля у видимі переміщення. Тому їх використовують у манометрах, барометрах, висото і витратомірах, покажчиках швидкості, баротермографах, радіозондах тиску і в багатьох інших приладах та автоматичних пристроях як "датчики" вимірюваної величини.
Матеріал, застосовуваний для виготовлення таких датчиків, повинен мати насамперед високу границю пружності. Так, матеріал пружин повинен мало змінювати свій модуль пружності при нагріванні та охолодженні і з часом у процесі експлуатації. Він має бути корозійностійким, відрізнятися добрими технологічними якостями, бути високопластичним у заготовках, добре паятися і зварюватися. Найповніше задовольняють викладені вимоги термозміцнені сплави – берилієві бронзи, нікельберилієвий сплав, залізонікельберилієві сплави, а також ряд вуглецевих і легованих сталей.
Наведені приклади показують, що для даного часу характерне диференційоване застосування матеріалів у залежності від конкретних умов експлуатації. Очевидно, надалі можна чекати більш широкого застосування зазначених металів, а також створення нових сплавів на основі таких елементів, як цирконій, берилій, реній, тантал та ін.
Необхідно також зазначити, що в сучасних конструкціях усе частіше використовуються неметалеві матеріали, розроблені на основі різноманітних полімерів.
Усі застосовувані в наш час полімерні матеріали можна поділити на чотири групи:
1. Конструкційні пластики, чи пластмаси, – це матеріали, одержувані різними технологічними прийомами на основі полімерів.
2. Еластомери – каучуки, гуми і деякі споріднені матеріали, для яких характерна висока пластичність, тобто здатність до великих оборотних деформацій (до 500 %, а іноді і більше).
3. Волокна, нитки і тканини, виготовлені з цих волокон. Властивості матеріалів цього типу різко розрізняються, якщо їх вимірювати вздовж однієї осі й уздовж двох інших. Міцність, гнучкість, твердість, іноді навіть густина волокнистих матеріалів анізотропні. Природно, це пов’язано зі складом, хімічною структурою і загальними властивостями вихідного полімеру.
4. Плівки, лаки, фарби й інші захисні матеріали, для характерна сильна анізотропія властивостей. Крім того, для лакофарбових матеріалів особливе значення має міцність їхнього зчеплення з основою, що покривається, – адгезія. І, нарешті, ще одна особливість матеріалів цього типу: практичне застосування звичайно не допускає їхнього попереднього формування, їх наносять тонким рівним шаром на поверхню, що захищається. Необхідно, щоб до застосування лакофарбовий матеріал був рідким і легко розподілявся по поверхні тонким шаром, а потім ставав міцним і твердим.
Крім цих основних типів полімерних матеріалів, існує декілька допоміжних. Наприклад, клеї, заливальні герметизуючі суміші, газонаповнені матеріали і т. д. Кожен з чотирьох основних типів виконує свою функцію, і жоден не претендує на втручання в чужу сферу. Тут немає головних і другорядних, усі потрібні. Але з погляду конструкційних матеріалів головна роль відводиться пластмасам.
Основу пластмас складають полімери: природні, штучні і синтетичні.
Про загальне зростання споживання полімерних матеріалів говорять, наприклад, такі цифри: у 1966 р. на кожного жителя Землі було вироблено в середньому по 17,5 дм3 металів і 6,7 дм3 пластмас, у 1983 р. тих і інших – приблизно по 25 дм3, а в 2002 р. – 41 дм3 металів і близько 200 дм3 пластмас. Але незважаючи на це, основним конструкційним матеріалом є сьогодні і будуть у найближчому майбутньому металеві сплави, переважно сталі. Завдяки поєднанню таких відомих якостей сталі, як міцність і пластичність з елегантністю, її можна застосовувати і для втілення художніх ідей. Останнім часом почали виготовляти прикраси не лише із золота, срібла і платини, але й зі сталі. Деякі художники використовують сталь замість полотна для своїх картин. Провідні дизайнери Європи повідомляють про можливості сталі як матеріалу, що використовується під час розробки дизайну автомобілів, меблів, зовнішнього і внутрішнього оздоблення будівель і споруд.