Что и как изучает материаловедение

Предмет изучения

Нет необходимости объяснять, что такое материал. Все, что нас окружает, вся наша техника, здания, сооружения, предметы обихода состоят из различных природных или искусственно полученных материалов. В пределе понятие «материал» аналогично понятию «вещество».

Роль материалов в истории человечества настолько важна, что целые эпохи развития цивилизации названы по имени преобладавших материалов: каменный век, бронзовый век, железный… Освоение новых материалов позволяло обществу перейти на новую ступень, более полно удовлетворять свои потребности. Поэтому вместе с развитием человечества накапливалось и знание о свойствах природных и искусственных материалов. В современном мире материаловедение является динамично развивающейся наукой, одним из самых актуальных и перспективных направлений человеческой деятельности. Томск не остался в стороне: у нас успешно действует и сотрудничает с ТПУ Институт физики прочности и материаловедения в составе Томского научного центра СО РАН.

Определение материаловедения

Материаловедение – это прикладная наука о связи между составом, структурой и свойствами материалов, а также о влиянии различных видов обработки на их структуру и свойства.

Взаимосвязь эта выражается следующей схемой:

Состав

и Структура Свойства Применение

Технология

Обратите внимание на направленность этой взаимосвязи: от химического состава и технологии получения зависит структура материала, а структура, в свою очередь, определяет его свойства. Области применения одного и того же материала могут быть очень разнообразны, в зависимости от его структуры и свойств.

Методы исследования в материаловедении

Теоретическими основами современного материаловедения являются физика и химия (особенно физическая химия); кроме того, в ходе изучения этой дисциплины понадобятся представления из таких технических наук, как сопротивление материалов, детали машин, прикладная механика. Материаловедение развивается прежде всего экспериментальным путем, но в ХХ столетии был создан и продолжает совершенствоваться математический аппарат, позволяющий до эксперимента просчитывать поведение материала в различных условиях, создавать модели структуры и выбирать оптимальную.

Структура – важнейшее понятие в материаловедении. Можно сказать, что под структурой понимается состав, размеры и форма, количественное соотношение и пространственное расположение составляющих материал частиц. В зависимости от размеров этих частиц и применяемых методов их выявления различают понятия:

– макроструктура (строение материала, видимое невооруженным глазом или с помощью лупы; размер объектов до 10^{-4 м, или 0,1 мм),}

– микроструктура (строение материала, наблюдаемое с помощью оптического микроскопа; размер объектов до 10^{-7 м, или 0,1 мкм),}

– тонкая структура (строение молекул и атомов, расположение элементарных частиц в молекулах и кристаллах). Изучается с помощью рентгеноструктурного анализа, непосредственно наблюдается в электронном микроскопе. Размер объектов до 10^{-10 м, или 0,1 нм.}

Сравнительно недавно (конец XX в.) появилось понятие наноструктуры. Под наноструктурой понимают объекты в материале, имеющие величину от долей нанометра до 100 нм. (1 нм = 10^{-9 м.)}

Задачи и возможности материаловедения

Создание новых материалов и познание закономерностей их поведения позволяет экономить сырье, уменьшать массу машин и конструкций, добиваться большей точности изготовления деталей, повышать надежность и долговечность техники, увеличивать мощность двигателей.

Новые материалы порождают новые технологии и целые новые отрасли: в электронике решающую роль сыграло появление полупроводниковых материалов и жидких кристаллов, в авиа- и ракетостроении – композитов, в радиотехнике – сверхпроводящих материалов и аморфных сплавов.