Новые материалы в машиностроении - Курс лекций

Известному английскому физику Дж.Томсону принадлежат слова «В техническом прогрессе участвуют три основных элемента - знание, энергия и материал». В истории материальной культуры большую роль играли металлы и другие материалы. К числу важнейших металлов относятся: железо - главный материал современной техники, основа всех видов стали и чугуна; алюминий и магний, являющиеся главными компонентами легких сплавов и имеющих особое значение для авиации; марганец, хром, никель, кобальт и др. как легирующие элементы в производстве специальных сплавов и сталей; медь, свинец, цинк, олово, кадмий, сурьма, имеющие разнообразное техническое применение; ванадий и вольфрам - основа жаростойких материалов и твердых сплавов, значительная группа редких металлов (гафний, ниобий, тантал, рений), а также драгоценные металлы - серебро, золото, платина и др. В Украине, в частности, в Национальной академии наук работают мощные институты в области физики, твердого тела, металлофизики, механики и прочности материалов, физико-химической механики материалов, сваривания, специальной электрометаллургии, порошковой металлургии, технологии и техники высоких давлений, литейных технологий и в др. направлениях. Ученые - материаловеды Украины достигли больших успехов в создании конструкционных и функциональных материалов, новых процессов, технологий и техники для производства таких материалов, изучения их эксплуатационных свойств в заданных условиях и т.д.Принципиально новые, систематические, синергетические подходы к явлениям природы и социума позволили определить основные изменения в фундаментальной науке: 1) развивается иерахичность и фрактальность сложных реальных структур материалов и природных объектов; 2) наблюдается стохастичность и вероятностность хода эволюции сложных реальных систем взамен детерминизма; 3) определена необратимость, неравновесность, нелинейность и непредсказуемость в реальных термодинамических открытых системах; 4) вскрыта автоволновость в развитии любых живых и природных объектов, социума и Вселенной; 5) установлена общность единых парадигм для макро-, мезо-и микромира; 6) развивается междисциплинарный подход к явлениям природы, основанный на интеграции наук: кибернетики, синергетики, экологии; 7) создана глобалистика - наука об общечеловеческих проблемах выживания людей на Земле. Современное материаловедение как междисциплинарная наука о связях реальной структуры материала с его физико-механическими свойствами в ХХІ веке будет развиваться как в фундаментальном плане, так и в создании новых функциональных и гибридных материалов, сочетающих в себе различные типы металлов, керамик и полимеров. Эти оптимальные модели позволяют получить необходимую реальную структуру материала, путем конструирования новых, высоких технологий упрочнения для повышения эксплуатационных характеристик (для повышения конструктивной прочности материала) изделий из выбранного материала (стали). Проблема пятая (рисунок 1.8) связана с получением и использованием принципиально новой структурной формы (модификации) углерода - с наноструктурными кластерами-фуллеренами и нанотрубами. Актуальность проблемы производства нано-или ультрадисперсных (УД) материалов определяется особенностью их физико-химических свойств, позволяющих создавать материалы с качественно и количественно новыми свойствами для использования на практике.Композиционный материал (КМ) - это материал, состоящий из двух или нескольких компонентов, которые отличаются по своей природе или химическому составу, где компоненты объединены в единую монолитную структуру с границей раздела между структурными составляющими (компонентами), оптимальное сочетание которых позволяет получить комплекс физико-химических и механических свойств, отличающихся от комплекса свойств компонентов. В качестве примера можно назвать материал, состоящий из волокон графита в мягкой матрице, скажем, эпоксидной смоле, или широко известное стекловолокно - волокно стекла в матрице из смолы. Эти материалы уже не укладываются в рамки старых представлений о композиционных материалах. Материалы с высокой внутренней прочностью - карбид кремния, бор и графит - ведут себя подобно стеклу: работа разрушения этих материалов невелика и в присутствии трещины резко уменьшается. Всеми механическими свойствами, необходимыми матрице, обладают полимеры, а также алюминий и медь, Матрицы, изготовленные из этих материалов, отличаются мягкостью (малым сопротивлением сдвигу) и поэтому не вызывают образования трещин на волокнах.Однако в реальных условиях уже при объемной доле волокон 80 % возникают проблемы на границе раздела волокно - матрица, что приводит к ухудшению свойств волокнистого композита. Естественно, что выбор природы волокна определяется назначением композита и материалом матрицы, прежде всего физико-химической природой взаимодействия на границе раздела матрица-волокно. Однако при прочих равных условиях комплекс свойств волокнистого композита определяется геометрической схемой армирования (рис. Схемы хаотичного армирования коро

Содержание волокон в матрице может меняться в широких пределах.