Загальні відомості про матеріалознавство

Матеріалознавство сягає своїм корінням в далеке минуле.

Перший (стародавній) етап охоплює найбільш тривалий період.

Причому спочатку потреби людини в харчуванні, житлі, зброї, одязі і т.д. людина здійснював тільки за рахунок природних матеріалів. Це, перш за все, деревина, рослини, камінь, але із застосуванням примітивних технологій їх обробки на рівні механічного впливу на вироби, типу накінечників стріл, скребків або кам'яних ножів і т.д. Адже не дарма в історії виділяють «кам'яний вік».

Однак з часом, у міру зростання потреб і розвитку технологій, в результаті спрямованого впливу людини на природні матеріали з'явилися модифіковані на рівні фізичної і хімічної структур матеріали (типу кераміки, скла або заліза), так звані сьогодні штучними. До того ж частина з них могла бути отримана в природі без участі людини в результаті виверження вулканів (спікання глини в кераміку або утворення вулканічного скла обсидіану) або інших природних процесів (наприклад, метеоритне залізо).

Дослідження розкопок показують, що предки покращували якість виробів спочатку підбором глин, потім за допомогою зміни режиму нагрівання і випалу на відкритому вогні, а пізніше – в примітивних спеціальних печах.

З плином значного часу людство пізнало самородні, а потім і рудні метали. Холоднокована самородна мідь була витіснена міддю, виплавленої з руд, які зустрічалися в природі частіше і в більших кількостях.

Надалі до міді стали додавати інші метали, так що в III тисячолітті до н.е. навчилися виготовляти і використовувати бронзу як сплав міді з оловом, а також обробляти благородні метали, вже широко відомі на той час.

Масштаби використання металів зростали, і людство вступило з «бронзового століття» в «залізне», оскільки залізні руди виявилися доступнішими мідних. У I тис. до н.е. переважало залізо, яке навчилися поєднувати з вуглецем при ковальській обробці в з деревним вугіллям.

І, нарешті, людство навчилося створювати якісно нові, які не існують в природі синтетичні матеріали типу поліетилену, полікарбонату і т.д., які виробляють шляхом виділення з природних хімічних речовин низькомолекулярних сполук (мономерів) в процесі хімічного синтезу. Особливі перспективи мають сьогодні нанотехнології та синтетичні наноматеріали.

У всі часи використання природних і створених людиною нових матеріалів залежало від міцності, надійності та довговічності виконаних з них виробів.

Сьогодні метали і їх сплави є самим великим і універсальним щодо застосування класом матеріалів. Центральне місце серед них займають дві групи сплавів заліза - стали і чавуни. Виробництво сталі перевищує виробництво алюмінію - другого після заліза металу за масштабами виробництва і застосування - в кілька десятків разів.

Як будь-яка наука, матеріалознавство являє собою сукупність знань, отриманих розрахунковим і експериментальним шляхом, які дозволяють зробити узагальнення і висновки, а також передбачити шляхи розвитку науки про матеріали.

Теоретичною основою матеріалознавства є відповідні розділи фізики і хімії, проте наука про матеріали розвивається в основному експериментальним шляхом.

Великий внесок у розвиток науки про матеріали було зроблено геніальними вченими М.В. Ломоносовим і Д.І. Менделєєвим.

М.В. Ломоносов (1711-1765 рр.) Заклав основи передової філософії і науки, особливо в галузі хімії, фізики, геології. Він став основоположником курсу фізичної хімії та хімічної атомістики, що обґрунтовує атомно-молекулярну будову речовини. У 1752 р їм було написано «Введення в справжню фізичну хімію». Торкаючись поширеною в той період нової теорії, М.В. Ломоносов ввів уявлення про молекули та їх відмінності від атомів.

Д.І. Менделєєв (1834-1907 рр.) Відкрив найважливішу закономірність природи - періодичний закон, відповідно до якого властивості елементів знаходяться в періодичній залежності від величини їх атомної маси. У його книзі «Основи хімії» описано, зокрема, атомно-молекулярну будову речовини. Д.І. Менделєєву належить і публікація з основ виробництва скла.

Матеріалознавство є воістину інтернаціональної наукою, її теоретичні основи були закладені працями різних країн.

Серед них необхідно виділити американця Джозайя Уилларда Гіббса (1839 - 1903 рр.) - основоположника фізичної хімії.

Для першого етапу становлення і розвитку матеріалознавства, який, як зазначалося, почався з глибокої давнини і тривав до початку другої половини ХІХ ст., характерно порівняно обмежена кількість різновидів матеріалів і достовірних даних по їх якісним характеристикам.

Однак великі вчені і філософи тих часів за допомогою інтуїції і логіки, гіпотез і теорій, а дещо пізніше з залученням нових знань у фізиці і відкриттів в хімії та фізичної хімії зуміли дати досить повне уявлення про будову речовин та їх властивості, внутрішні взаємодії найдрібніших частинок. Були встановлені деякі загальні залежності властивостей речовин, особливо механічних, від їх складу.

Менш вивченою залишалася залежність властивостей від структури, хоча ще в 1665 р англійський учений Роберт Гук (1636 – 1703 р.р) виявив у металах кристалічну структуру, тобто за 200 років до відкриття мікроструктури сталі під мікроскопом англійськім вченим Генрі Сорби (1826 – 1908).

Третій (сучасний або постіндустріальний) етап охоплює період з другої половини ХХ ст. до теперішнього часу. Він характеризується, по-перше, процесом подальшого розширення виробництва матеріалів і поглибленням відповідних їм спеціалізованих наук і, по-друге, інтеграцією наукових знань про матеріали і вироби, їх складної сукупності.

Процес спеціалізації наук про матеріали тривав. Виникли стикові області пізнання комплексних матеріалів, наприклад, полімер-цементних, сілікато полімерних, шлако керамічних і багатьох інших. Це істотно збагачувало практику матеріалознавства, галузі промисловості будівельних матеріалів і виробів.

Найбільш поширеними в промисловості є сплави на основі чорних металів - сталі і чавуну, використання яких складає приблизно 95% виробництва всіх металів. Все більше застосовуються пластмаси, що мають цінні властивості: невелику питому вагу, високу стійкість проти корозії, гарний зовнішній вигляд. Пластмаси значно легші від металів піддаються обробці. З них виготовляють матеріали для облицювання стін і підлог, труби, арматуру для трубопроводів, деталі машин і санітарних приладів.

Як замінники металів, а також як самостійні конструкційні матеріали з цінними фізико-механічними властивостями широко використовуються сучасні полімерні матеріали на металевій і неметалевій основах, порошкові, спечені матеріали.

Та попри це, значення чорних і особливо кольорових металів у сучасній техніці надзвичайно велике. Особливу вагу мають сплави на основі алюмінію, міді, титану, магнію, які використовуються для виготовлення різних деталей машин і будівельних конструкцій.

Кожен робітник повинен вміти добре обробляти різні матеріали, обережно поводитися з виробами, враховуючи властивості матеріалів, з яких вони виготовлені.