книги / Материаловедение и технологии современных и перспективных материалов

УДК 669:621.762 О-37

Рецензенты:

канд. техн. наук Н.А. Кичигина (ООО «ПермьНИПИнефть»);

д-р техн. наук, проф. С.Е. Порозова (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Оглезнева, С.А.

О-37 Материаловедение и технологии современных и перспективных материалов : учеб. пособие / С.А. Оглезнева. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. – 307 с.

ISBN 978-5-398-00861-6

Рассмотрены вопросы формирования структуры, механизмов проявления функциональных свойств, технологии изготовления и применения некоторых групп современных и перспективных материалов.

Показаны условия работы погружного насоса и перспективные материалы для его изготовления. Представлены новые технологии изготовления наноматериалов, материалов из порошков и нанопорошков металлов, неметаллов, композитов. Описаны технологии нанесения покрытий и пленок, сверхтвердых материалов и инструментов из них. Рассмотрены «умные» металлические и композиционные функционально-градиентные материалы.

Предназначено для магистрантов направления подготовки 150100 «Материаловедение и технологии материалов», а также при изучении дисциплин по материаловедению, при выполнении курсовых и выпускных квалификационных работ. Может быть полезно специалистам в области металлических, керамических и композиционных материалов.

УДК 669:621.762

Издано в рамках программы опережающей профессиональной подготовки, ориентированной на инвестиционные проекты Фонда инфраструктурных и образовательных программ «Роснано» в области производства погружных электронасосов для нефтедобычи и их узлов с наноструктурными покрытиями.

2

5

ПРЕДИСЛОВИЕ

Развитие науки и техники требует создания новых материалов с функциональными свойствами, существенно превосходящими свойства современных материалов, либо обладающих уникальными комплексами свойств, порой не сочетаемыми в существующих материалах. Данное учебное пособие не ставит целью охватить все новые материалы, но в нем рассмотрены основные сведения, касающиеся структуры, механизмов проявления функциональных свойств, технологии изготовления и применения группы перспективных материалов для магистрантов направления подготовки 150100 «Материаловедение и технологии материалов» по магистерской программе: «Наноструктурные материалы и покрытия в нефтедобывающем машиностроении».

Задачами перспективного материаловедения является не только изучение структуры и свойств материалов, но и прогнозирование свойств новых материалов, структуры которых можно будет составлять из необходимых фаз на основе принципов дизайна материалов. Эти вопросы, а также условия работы погружного насоса и перспективные материалы для его изготовления рассмотрены в главе 1.

С открытием свойств наночастиц наступила эпоха принципиально новых технологий и выявления принципиально новых свойств

вуже известных веществах, когда наночастицы неметаллов проявляют свойства проводимости, а покрытия из наночастиц становятся невидимыми. Свойства наночастиц и методы исследования наноматериалов рассмотрены в главе 2.

Порошковая металлургия и керамическая технология позволяют создавать новые материалы из порошков и нанопорошков металлов, неметаллов, композитов с уникальными свойствами. Технологиями нанесения покрытий и пленок получают слоистые и функцио- нально-градиентные материалы для узлов машин и электротехники. Эти перспективы технологии изготовления материалов, которые невозможно создать методами традиционной металлургии, описаны

вглаве 3.

6

Пористые металлические и керамические материалы все больше применяются в технике и быту в качестве фильтров, мембран, катализаторов, демпферов, шумо- и виброгасителей. Виды пористых материалов, их структуры, свойства и применение представлены в главе 4.

Сверхтвердые материалы в больших количествах используются для изготовления инструмента горнодобывающих машин, обработки строительных и машиностроительных материалов. Свойства сверхтвердых материалов, поучительная тысячелетняя история открытия этих свойств и первого синтеза искусственного алмаза, свидетельствующая о непростых путях исследователей, а также современные технологии изготовления сверхтвердых материалов и инструментов из них изложены в главе 5.

Из металлических сплавов наиболее интересными свойствами обладают «умные» материалы, в главе 6 рассмотрены метастабильные аустенитные, интерметаллические и жаропрочные сплавы, а также представлены «умные» металлические и композиционные функционально-градиентные материалы.

7

Глава 1 ЗАДАЧИ СОВРЕМЕННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

1.1.Научно-технический прогресс и требования

кперспективным материалам

Материаловедение – наука о прочности и деформируемости материалов (словарь С.И. Ожегова, Н.Ю. Шведовой, 1949–1992 гг.).

Материаловедение – наука, изучающая металлические и неметаллические материалы, применяемые в технике, объективные зависимости их свойств от химического состава, структуры, способов обработки и условий эксплуатации.

Учебная дисциплина «Материаловедение» – основная в общем цикле технических дисциплин при подготовке специалистов по многоуровневой образовательно-профессиональной структуре вузов.

Цель изучения дисциплины – познание природы и свойств материалов, а также методов их упрочнения для наиболее эффективного использования в технике.

Основная задача материаловедения – исследование и установление связей «состав – структура – свойства».

Еще в глубокой древности покупатели оценивали качество стали, например, по режущим свойствам, излому, по определенным узорам на поверхности (дамасская сталь). Эти данные были первыми сведениями, необходимыми для создания сплавов с более высоким уровнем свойств. Однако научно обоснованные испытания материалов начались после определенного развития самой механики и изучения механических свойств предположительно с 1850 г. Издревле металлурги интуитивно осознавали, что свойства металлических сплавов зависят не только от химического состава, но и в значительной степени от микро- и макроструктуры. В связи с этим уже с XVII в. предпринимаются попытки исследовать и описать структуру металлов с помощью увеличительных стекол и оптических микроскопов. Первые исследования в этом направлении предпринял известный

8

ученый Р. Гук, написавший монографию «Микрография». Таким образом, можно считать, что инкубационный период в развитии практической идеи закончился в 1665 г., когда был опубликован фундаментальный труд Агриколы «О металлах» и стали использоваться микроскопы для исследования материалов. Этот период и можно считать началом подлинной науки о металлах, ее использования в металлургии (рис. 1.1). Однако зарождение металлографии – науки о макро- и микроструктуре металлов и сплавов – произошло после опубликования работ П.П. Аносова (1831 г.) и Г. Сорби (1841 г.). Серьезным вкладом в развитие металлургии и науки о материалах явилось изобретение П.Г. Соболевским метода порошковой металлургии (см. рис. 1.1).

Рис. 1.1. Развитие науки о материалах (А.Д. Верхотуров, 2004)

Важным этапом науки о материалах в пределах практической идеи стало открытие и разработка Г. Розенбаума (1900 г.) диаграммы «железо–углерод». Также значительную роль в изучении состава и структуры металлов и сплавов сыграло открытие М. Лауэ (1912 г.) явления дифракции рентгеновских лучей на кристаллах. В связи с этим расширились возможности наблюдения микроструктуры, что позволило изучать атомную, кристаллическую и электронную структуры.

На сегодняшний день задачи материаловедения требуют расширения и углубления, поэтому появился новый термин – материалогия – наука о материалах, основной задачей которой является получение материалов с заданными свойствами.

9

Материаловедение – составная часть материалогии (рис. 1.2). Однако, как показало время, термин «материалогия» в науке не прижился, но его сущность теперь вкладывают в понятие «материаловедение».

Рис. 1.2. Основные разделы материалогии

Материалы будущего, по прогнозам генерального директора ВИАМ академика РАН Е. Каблова, позволят создать уникальные аппараты:

•самолеты с крыльями, выращенными как кристаллы;

•танки с броней из сверхлегких сплавов алюминия;

•автомобили из пластмассы, впитывающей энергию из окружающей среды;

•трубопроводы, свитые из угольных волокон.

Уже в самом ближайшем будущем новые материалы, созданные для планеров, существенно улучшат их характеристики: снизят массу планера; повысят ресурс и т.п. (рис. 1.3 и 1.4).

Для государственной поддержки развития самых актуальных разработок периодически утверждаются Президентом РФ Приоритетные направления развития науки, технологий и техники в Российской Федерации. Например, перечень от 07 июля 2011 г. включает в себя следующие направления:

1)безопасность и противодействие терроризму;

2)индустрия наносистем;

10