Материаловедение — наука о материалах¶
Материаловедение — это научная и инженерная дисциплина, изучающая состав, структуру, свойства материалов и закономерности их связи с технологиями получения и обработки, а также способы выбора материалов для конкретных изделий и условий эксплуатации. Материаловедение находится на стыке физики, химии, механики и технологии производства и служит теоретической основой для создания новых материалов и совершенствования существующих.
¶Предмет и место в системе наук
Предметом материаловедения являются металлы, полимеры, керамика, стекло, композиционные, полупроводниковые, биомедицинские и другие классы материалов. Дисциплина изучает, как атомная и молекулярная структура материала определяет его свойства — механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические, коррозионные и другие.
Материаловедение тесно связано с физикой твёрдого тела, химией, термодинамикой, кинетикой процессов, механикой деформирования. Вместе с тем оно имеет прикладной характер: его результаты используются инженерами-конструкторами и технологами при выборе материала под конкретную деталь, условия работы и методы изготовления.
В российской учебной традиции материаловедение часто объединяется с металловедением (металловедение — раздел, посвящённый металлам и сплавам) в единую дисциплину «Материаловедение и технология материалов», которая является обязательной для студентов технических специальностей.
¶Основные разделы
Материаловедение включает несколько крупных разделов:
- Структурные исследования — изучение строения материала на разных уровнях: атомном, молекулярном, микроструктурном (фазы, зёрна, дефекты решётки).
- Связь «свойства — структура» — центральный закон дисциплины: свойства материала определяются его структурой, а структура формируется составом и историей термической и механической обработки.
- Диаграммы состояния — графические представления фазового равновесия в системах (например, диаграмма состояния системы «железо — углерод», лежащая в основе классификации стали и чугунов).
- Фазовые превращения — кристаллизация, полиморфизм, отжиг, закалка, старение и другие процессы, изменяющие структуру и свойства.
- Коррозия и защита материалов — механизмы разрушения и методы предотвращения.
- Испытания материалов — методы определения механических, физических и эксплуатационных характеристик.
¶Классификация материалов
Материалы принято делить на классы по химическому составу и типу связи между частицами:
| Класс | Примеры | Особенности |
|---|---|---|
| Металлы и сплавы | сталь, чугун, алюминиевые сплавы, титановые сплавы | металлическая связь, пластичность, электропроводность |
| Полимеры | полиэтилен, фторопласт, эпоксидные смолы | молекулярная (ковалентная) связь, низкая плотность |
| Керамика и стекло | оксид алюминия, карбид кремния, силикатное стекло | ионная/ковалентная связь, твёрдость, хрупкость |
| Композиционные материалы | стеклопластик, углепластик, металлокерамика | сочетание свойств компонентов |
| Полупроводники | кремний, германий, арсенид галлия | управляемая электропроводность |
| Биоматериалы | титановые сплавы для имплантатов, гидроксиапатит | биосовместимость |
¶История
Зарождение материаловедения связано с металлургией: первые систематические исследования сплавов проводились в XIX веке в связи с развитием парового машиностроения и железнодорожного транспорта. В 1860-х годах Д. К. Чернов сформулировал закономерности кристаллизации стали и точки превращения, что стало основой научного металловедения.
В 1900-е годы в России работали выдающиеся металловеды — А. А. Байков, П. П. Обручев, В. Д. Садовский, заложившие школу физико-металловедения. В 1930-е годы в СССР были созданы институты металловедения (в частности, Институт металловедения АН СССР, ныне Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН).
После Второй мировой войны дисциплина расширилась за счёт полимеров, полупроводников и композитов, превратившись из «металловедения» в универсальное материаловедение. В 1960-е годы в США и Европе появились отдельные факультеты материаловедения; в СССР аналогичные кафедры входили в состав металлургических и химико-технологических институтов.
¶Современное состояние и значение
Современное материаловедение решает задачи создания материалов с заданными свойствами: сверхпрочных сплавов для авиадвигателей, биосовместимых материалов для медицины, перовскитных и кремниевых материалов для солнечных элементов, композитов для космической техники. Особое развитие получили вычислительное материаловедение и высокопроизводительный скрининг материалов — компьютерный перебор составов и структур для поиска новых материалов.
В России подготовка специалистов по материаловедению ведётся в ведущих технических вузах — МИСиС, МГТУ им. Н. Э. Баумана, СПбПУ и других; фундаментальные исследования сосредоточены в Институте металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН, Институте физики твёрдого тела РАН и ряде других научных центров.
Источники:
- Болдырев В. С. Материаловедение. — М.: Высшая школа.
- Котельников В. П., Болдырев В. С. Материаловедение. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана.
- Садовский В. Д. Металловедение. — М.: Металлургия.
- Физическая энциклопедия / гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая российская энциклопедия.