Введение в предмет материаловедения. Номенклатура и классификация технических материалов

У всякой эпохи свои задачи,
и их решение обеспечивает
прогресс человечества.
Г. Гейне, немецкий поэт и публицист
Развитие человечества:
1492 г. – Колумб привез в Европу образцы натурального каучука
1790 г. – Роберт (W. Robert) и Дайт (W. Dight) получили патент на процесс пропитки парусины резиновым раствором;
1791 г. – Кроссар (C. Crossart) запатентовал процесс изготовления трубок из каучука на дорнах; Пиль (S. Peal) получил патент на процесс изготовления водонепроницаемых материалов (кожи, хлопка, льна, шерсти) при помощи растворов каучука в скипидаре;
1838 г. – Ренальт (Regnault) получает винилхлорид, винилиденхлорид и их полимеры;
1839 г. – Симон (Simon) получает полистирол;
1839 г. – Чарльз Гудьир открыл процесс вулканизации;
1862 г. – Хорбердом (Horberd) получил полиамид;
1872 г. – Байер (Baeyer) описал в своих работах получение феноло-формальдегидных смол;
1873 г. – Бутлеров и Гариано (Gariano) получают полиизобутилен;
1906-1910 г.г. – в США, России и Германии в опытном производстве налаживается выпуск первых реактопластов на основе феноло-формальдегидных смол;
1930-1940 г.г. – в Германии, России, США и других промышленно развитых странах организуются производства по выпуску синтетического каучука и термопластов – ПВХ, ПА, ПММА, ПС

Развитие автомобиля и резины:
«Ford Quadricycle» (1896 г.)
1 резиновая деталь - шины общем весом около 6 кг
«Ford Model A» (1928 г.)
36 деталей
ВАЗ-2101 (1970 г.)
273 детали
ВАЗ-2108 (1984 г.)
Более 300 деталей
«Bentley Mulsanne»
(2010 г., от $285 000)
? деталей
«Maybach 62S MSRP»
(2010 г., от $450 000)
? деталей

Рост объема мирового производства основных конструкционных материалов
144
150
11,6
153
163
12,4
154
176
14
178
215
17
Темпы роста мирового производства полимеров опережают темпы роста производства металлов на 25-30%.

Структура мирового производства основных групп конструкционных материалов
Деловая древесина
85,3 % (2 млрд.м3)
Сталь
6,6 %
Полимеры
7,5 %
Алюминий
0,6 %

Структура мирового производства основных групп конструкционных материалов
Деловая древесина
33 %
Сталь
2,6 %
Полимеры
2,9 %
Алюминий
0,2 %
Цемент
13,5 %
Песок
47,8 %

Каучуки в структуре мирового производства полимеров в 2006 г.
Структура мирового рынка каучука в 2006 г.
Пластмассы
85,8 %
Каучуки
14,2 %
Синтетические
каучуки
58,5 %
Натуральный каучук
41,5 %

Преимущества полимеров по сравнению с другими конструкционными материалами:
Низкая плотность;
Экономия затрат при снижении массы конструкции на 1 кг

Преимущества полимеров по сравнению с другими конструкционными материалами:
Низкая плотность;
Устойчивость к средам;
Стойкость к истиранию;
Диэлектрические свойства;
Хорошие теплофизические свойства;
Относительная дешевизна.

Преимущества полимеров по сравнению с другими конструкционными материалами:
Относительная дешевизна.
Удельные затраты энергии на производство различных материалов и изделий из них, кВт⋅ч

Преимущества полимеров по сравнению с другими конструкционными материалами:
Низкая плотность;
Устойчивость к средам;
Стойкость к истиранию;
Диэлектрические свойства;
Хорошие теплофизические свойства;
Относительная дешевизна.
Недостатки:
Относительно низкая конструкционная прочность;
Низкая теплостойкость и температуростойкость.

Прежде чем начать обсуждение,
нужно договориться о понятиях.
Аристотель

Основные определения
Материаловедение – наука, изучающая связь между структурой и свойствами материалов, а также их изменения при внешних воздействиях (тепловом, механическом, химическом и других).
Технология – совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств и формы материала, осуществляемых в процессе производства.

Рациональный
выбор материалов
и технологий
Изделия с оптимальным
комплексом экономических и
эксплуатационных свойств

Номенклатура – перечень названий, терминов, категорий, употребляемых в какой-либо отрасли науки и техники.
Классификация материалов – система соподчиненных понятий в области материаловедения, используемая для установления связей между группами материалов

Классификация по количеству фаз
Простые – состоят из одного химического элемента или соединения и имеют однородную макроструктуру
Композиционные материалы (композиты) состоят из нескольких фаз и имеют неоднородную макроструктуру (бетон, резина, стеклопластик)
Сплавы - материалы с однородной макроструктурой, образовавшейся в результате затвердевания расплава химически разнородных веществ (металлов, неметаллов, оксидов, органических соединений и др.)

Классификация по назначению
1. Конструкционные материалы – твердые материалы, предназначенные для изготовления изделий, подвергаемых механическому нагружению.
Подразделяются на следующие подгруппы:
1) обеспечивающие жесткость, статическую и циклическую прочность;
2) с особыми технологическими свойствами;
3) с высокими упругими свойствами;
4) с малой плотностью;
5) с высокой удельной прочностью;
6) устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды.

2. Электротехнические материалы характеризуются особыми электрическими и магнитными параметрами и предназначены для изготовления изделий, применяемых для производства, передачи, преобразования и потребления электроэнергии.
Соответственно эти материалы делят на следующие группы:
1) магнитные материалы;
2) проводники;
3) полупроводники;
4) диэлектрики (в твердой, жидкой и газообразной фазах).

3. Триботехнические материалы применяются в узлах трения с целью регулирования параметров трения и изнашивания для обеспечения заданных работоспособности и ресурса этих узлов.
Основные виды материалов:
1) смазочные (твердые смазки: графит, тальк, дисульфид молибдена и др.; жидкие смазки: смазочные масла; смазки в газообразной фазе: воздух, пары углеводородов и другие газы).
2) антифрикционные (баббиты, бронзы, серый чугун и др.; текстолит, материалы на основе фторопластов и др.; металлокерамические композиционные материалы; древесина и древесно-слоистые пластики; спецрезины).
3) фрикционные (некоторые виды пластмасс, чугунов, металлокерамики и других композиционных материалов).

4. Инструментальные материалы отличаются высокими показателями твердости, износоустойчивости и прочности, они предназначены для изготовления режущего, мерительного, слесарно-монтажного и другого инструмента.
5. Рабочие тела – газообразные или жидкие материалы, с помощью которых энергию преобразуют в механическую работу, холод, теплоту.
Примеры рабочих тел:
1. водяной пар в паровых машинах и турбинах;
2. аммиак, фреон и др. хладагенты в холодильных машинах;
3. масла в гидроприводе;
4. воздух в пневматических двигателях;
5. газообразные продукты сгорания топлива в газовых турбинах, двигателях внутреннего сгорания и т.п.

6. Топливо – материалы, основной частью которых, как правило, является углерод, применяемые с целью получения при их сжигании тепловой энергии.
По происхождению топливо делят:
природное (нефть, уголь, природный газ, горючие сланцы, торф, древесина);
искусственное (кокс, моторные топлива, генераторные газы и другие).
По типу машин, в которых оно сжигается делят на: ракетное, моторное, ядерное, турбинное и т.д.