Области исследований в материаловедении


В общей учебной дисциплине « Материаловедение» главным объектом изучения является материал. Поэтому, прежде чем дать определение науки «Материаловедение», необходимо выяснить значение понятия «материал». Обычно в общей дисциплине «Материаловедение» и в более частной дисциплине «Металловедение» используют понятия «вещество», «материал», «металл». Чтобы раскрыть смысл этих понятий и выявить связь между ними, целесообразно вначале обратиться к основному фундаментальному понятию окружающего нас мира — понятию «материя»
Материя — объективно существующая реальность в виде различных форм и уровней организации объектов окружающего нас мира, характеризуемая массой и энергией, а также другими производными характеристиками (пространство, время, дискретность, непрерывность, типы связей элементов и т.д.).
Вещество — форма существования материи, которая характеризуется массой покоя и, следовательно, дискретностью, т.е. возможностью существования в виде индивидуальных частиц (тел).
Материал — вид вещества или совокупность нескольких его типов, предназначенные для получения продукции в виде сырья для изделий.
Конструкционный материал — любой вид материала, предназначенный для изготовления деталей машин и приборов, конструкций, подвергающийся различным технологическим воздействиям.
Для получения основных материалов востребованы те природные, синтетические или искусственные химические вещества (железные руды, оксиды, углеводороды и др.). которые обладают нужными свойствами или могут их приобрести в процессе технологической обработки.
Материалы, используемые человеком, можно разделить на три основные группы:

  • первая группа — металлические материалы;
  • вторая группа — неметаллические материалы;
  • третья группа — композиционные материалы.

Внутри каждой группы существует многообразие подгрупп в зависимости от структуры, агрегатного состояния и состава материалов.
Структура (строение) материала — это взаимное расположение и связь составных частей, или внутреннее устройство материала.
Обычно различают несколько уровней структурной организации материалов: атомный, нано-, микро-, мезо- и макроуровни.
Состав — совокупность частей или структурных составляющих (атомов, веществ) материальной системы, образующих единое целое.
Свойства — качественная или количественная характеристика материалов, определяющая их общность или различие. Различают следующие основные свойства материалов: химические, физические, механические, технологические, эксплуатационные (служебные).
Исходя из вышеперечисленных представлений о материалах и их свойствах, можно перейти к определению материаловедения как науки.
Материаловедение — наука, изучающая фундаментальные связи между составом, строением, свойствами материалом и закономерности их изменения под воздействием коиструктивно-технологических и эксплуатационных факторов. Основная цель изучения этих закономерностей заключается в прогнозировании структуры и свойств материалов, разработке способов управления ими, а также принципов выбора и создания материалов с заданными свойствами.
Значение материаловедения в развитии мировой цивилизации всегда было и продолжает оставаться основополагающим. Более того, влияние новых материалов, создаваемых человеком, на научнотехнический прогресс постоянно увеличивается. Новые материалы являются стимулом для появления п развития новых технических решений и высокоэффективных технологии. Достаточно привести такие примеры, как алюминиевые сплавы н композиционные материалы в авиакосмической технике, жаропрочные и жаростойкие материалы в теплоэнергетике, сверхпроводники и аморфные сплавы вэлектро- и радиотехнике, полупроводниковые материалы и жидкие кристаллы в электронике, сплавы с эффектом памяти формы в медицине и др. В настоящее время бурно развиваются наноматериаловедение и нанотехнологии, позволяющие получать новые материалы, новые структуры и их комбинации с необычайно высокими физико-механическими и служебными свойствами.
Цели, задачи и области исследований в материаловедении с течением времени расширялись и углублялись. Развитие теоретических основ химии, физики, механики твердого тела, термодинамики и других наук, разработка новых методов и технических средств для исследования структуры и свойств материалов на разных масштабных уровнях способствовали развитию материаловедения. Так, например, теория дислокаций стала базой физического материаловедения, расширила границы понимания механизмов пластической деформации, теоретической и реальной прочности металла. Новые подходы синергетики привели к универсальному понятию структуры и позволили перейти от понятия «микроструктура» к понятию «динамическая структура». Фрактальное материаловедение связывает свойства материалов с их фрактальной структурой, самоорганизующейся вблизи неравновесных фазовых переходов. Управление формированием фрактальной структуры дает возможность создавать материалы нового поколения с уникальными физико-механическими свойствами.
Таким образом, произошло становление материаловедения как междисциплинарной науки, успехи в развитии которой предопределяет взаимодействие с фундаментальными смежными науками.