СОВРЕМЕННАЯ МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ

Цель данных исследований - придание материалу требуемых экс- плутационных свойств. При этом при изготовлении целого ряда изделий для новой техники особое значение приобретает не просто выбор материала из уже существующих разработок, а разработка и конструирование принципиально новых материалов с комплексом свойств недостижимых у серийных образцов. В этом случае основой при выборе конкретных материалов в машиностроении, энергетике и в других отраслях промышленности является конкретное практическое назначение и условия работы изделия или конструкции. Однако для целого ряда изделий новой техники оказывается необходимым не выбирать материалы из существующих разработок, а разрабатывать принципиально новые материалы с более высоким комплексом свойств, ранее недостижимым у серийных материалов. В этом случае по Ю.П. Солнцеву и др. [101] может использоваться принципиально новый методологический подход к определению материалов для такой техники. Например, этот подход объединяется в систему исследований, испытаний, разработок термином «инжиниринг материалов». Особенностью этого подхода (рис. 35) является совокупность материаловедческих, технологических и производственных аспектов, практическая реализация которых гарантирует обеспечение требуемого уровня служебных свойств материала и его надежность.

Схема разработки новых материалов по системе «инжиниринг материалов»

Рис.35. Схема разработки новых материалов по системе «инжиниринг материалов».

В общем виде взаимосвязь всех этих факторов с учетом базисных инноваций материаловедения как единой науки о металлах и неметаллах и технологическая последовательность решения поставленной задачи может быть представлена в виде схемы, изображенной на рисунке 36.

Методология основных технологических этапов конструирования материалов с комплексом заданных свойств

Рис.36. Методология основных технологических этапов конструирования материалов с комплексом заданных свойств

Очевидно, что обе вышерассмотренные схемы проектирования материалов для машиностроения, энергетики и других отраслей промышленности должны опираться на данные, получаемые на основе базисных инноваций (рис.2-6), учитывающие закономерности многоуровневой структурной организации металлических и неметаллических материалов (рис.З) и оценку влияния металлической, ковалентной и ионной составляющих гомо- гетероядерного взаимодействия фаз на общую структуру и свойства соответствующих металлических и неметаллических материалов и изделий.

Таким образом, особое значение приобретает возможность решения проблемы получения материала с комплексом требуемых экс- плутационных свойств с опорой на базисные инновации в виде: универсальной системы понятий материаловедения (рис.2), унифицированной классификации уровней структурной организации материалов (рис 3.), единой модели химической связи элементов электронно-ядерной микроструктуры материала (рис.4) и Системы химических связей и соединений (СХСС, приведенной на рис. 5). Данные базисные инновации впервые позволили вскрыть единство тонкой электронно-ядерной (химической) структуры металлических и неметаллических веществ и материалов и причины специфических ее отличий на молекулярном, нано-, мезо и макроструктурном уровнях, которые в итоге определяют разницу в их свойствах и областях применения. Развитие данного направления позволяет усовершенствовать методологию прогнозирования и конструирования структуры материалов нового поколения на основе разработки единого универсального подхода к оценке структуры и свойств металлических и неметаллических материалов. Этот подход основывается на следующей современной методологии конструирования структуры материалов через систему соответствующих технологических приемов:

1. Получение материала и изделия с комплексом заданных свойств должна отвечать следующей методологии их конструирования: состав и тип связи - особенности многоуровневой структуры - свойства -область применения;

Ведь очевидно, что именно разница в химическом элементном составе и типе связи элементов в составе полимеров (и неметаллов в целом) и металлов, приводит к кардинальной разнице в их структуре и свойствах. Полимеры являются высокомолекулярными веществами, имеющими низкие температуры плавления и переработки в изделия, обладающими эластичностью, диэлектрическими свойствами и т.д., а металлы наоборот - немолекулярными соединениями, имеющими высокие температуры плавления и переработки, ковкостью, электропроводимостью и т.д. и т.п.

А разница в свойствах приводит к разнице в технологиях переработки металлических и неметаллических материалов в изделия. Например, обработка давлением металлов предполагает возможность их прокатки, волочения, штамповки и ковки, обработка резаньем и т.д. При этом литье металлов в изделия протекает при температурах на порядок и более, чем литье полимерных материалов, так как в последнем случает необходимо преодолеть энергию связи лишь межмолекулярного (более слабого взаимодействия), по сравнению с преодолением энергии химической связи при плавлении металла. При этом технологии производства полимерных материалов от металлических и керамических изделий (прессование, пластическое и шликерное формование) отличаются, прежде всего, большим применением литья, экструзионного формования, выдувания, вакуум формования и т.д.

Отметим большую роль термической обработки (отжиг, включая возврат, рекристаллизация и т.д., закалку, отпуск и т.д.) и ХТО в металлах и стеклах, чем в полимерах.

Особо следует отметить специфику технологий сварки металлических и полимерных материалов, где в первом случае особое значение имеет электросварка. Причем в первом случае имеет место на порядок и более разница в температурах плавления материала, при которых протекает сварка металлов и полимеров, определяемая принципиальной разницей их структуры и свойств, а также природы плавления этих материалов [9,20,43,48].

  • 2. Правильный выбор природы (состав, тип связи, структура и т.д.) исходных веществ, для получения уже готового необходимого сырьевого материала или технологии его получения;
  • 3. Оптимизацию обработки или переработки материала в конечное изделие, характеризуемое (через создание необходимой структуры вещества) комплексом заданных свойств в результате механического (деформационное упрочнение, включая наклеп в металлах или получение высокомодульных волокон полимеров и т.д.), теплового (термообработка - отжиг, закалка, отпуск и т.д.), физического (лазерного, магнитного, ультразвукового или токами высокой частоты или СВЧ и т.д.), химического (воздействие химических веществ, в процессе легирования или модификации их структуры и свойств на электронно-ядерном химическом уровне и т.д.) и смешанного (термомеханического, термохимического, термомагнитного, электротермического и т.д.) типов воздействий. Таким образом регулирование микроструктуры: тонкой электронно-ядерной или молекулярной (химической) и нано-; мезо- и макроструктуры в результате перечисленных выше различных типов воздействий на строение вещества является основным фактором решение задачи получения материала с комплексом заданных свойств. При этом понятно, что сегодня наиболее прорывные приемы и технологии получения материалов с комплексом качественно новых свойств должны обеспечивать изменение их строения прежде всего на тонких нано- и электронноядерном уровнях их микроструктуры.

Учитывая современный всплеск интереса с наноструктурирован- ным материалам и технологиям их производства, рассмотрим некоторые аспекты данного направления в развитии материаловедения.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >