Свойства материалов
Свойства это характерные черты, особенности материалов, отражающие их поведение в тех или иных условиях. Свойства материалов обычно подразделяют на физические, химические, технологические, механические и др.
Физические свойства отражают поведение материалов в различных полях (тепловых, электромагнитных, гравитационных). Примерами физических свойств являются: теплопроводность и теплоёмкость материалов, их электропроводность, намагничеваемость, отражательная способность, плотность и т.п.
Химические свойства отражают способность материалов взаимодействовать с другими веществами.
Технологические свойства отражают способность материалов подвергаться тому или иному виду обработки. Эти свойства определяют саму возможность получения из данных материалов изделий необходимой конфигурации. К технологическим свойствам материалов относятся: штампуемость, свариваемость, возможность получения изделий методом литья и т.п.
Механические свойства отражают способность материалов сопротивляться деформации и разрушению под воздействием различного рода нагрузок. От этих свойств в значительной степени зависит успех эксплуатации получаемых изделий, их надёжность и долговечность. К важнейшим механическим свойствам материалов относятся твёрдость, прочность, пластичность и вязкость.
Для ответа на вопрос «От чего зависят свойства материалов?» воспользуемся современными общенаучными системными представлениями.
Согласно общей теории систем все объекты окружающей действительности, и материалы в частности, могут быть представлены как системы, т.е. как некая целостность, единство взаимосвязанных частей, называемых элементами системы. Всё в мире из чего-то состоит и частью чего-то большего является. Всё одновременно и система и элемент систем более высокого порядка. Именно так реализуется всеобщая взаимосвязь в мире. При этом свойства любого целого, т.е. любой системы, определяются не только свойствами её элементов, но и тем как эти элементы взаимодействуют и как они располагаются в пространстве. Следствием взаимодействия элементов в системе могут быть совершено новые, неожиданные свойства систем, такие, которых не было у элементов, образующих данную систему. Это особое качество всех реальных систем обозначают терминами «нелинейность» или «эмерджентность». Эмерджентность (от англ. emergency – неожиданность, чрезвычайность) проявляется в том, что системы, в общем случае, выглядят как нечто большее, чем прямая механическая сумма их элементов. При этом свойства систем не сводятся к сумме свойств элементов, образующих систему.
Для полноценного понимания систем одного только их анализа недостаточно. Анализ представляет собой процедуру разложения сложного на более простые составные компоненты. Посредством анализа можно установить лишь элементный состав систем. Но одни и те же элементы могут образовывать совершенно разные системы. Например, атомы углерода могут образовывать и алмаз, и графит и другие системы. Учесть взаимодействие элементов в системах и нелинейность систем позволяет системный синтез. Синтез это процедура обратная анализу, заключающаяся не в разложении систем на элементы, а в их обобщении. Синтез проводиться параллельно с анализом и предполагает рассмотрение систем в целом, в их взаимосвязи с другими системами. Одновременное использование в познавательной и практической деятельности методов системного анализа и синтеза составляет суть универсального общенаучного подхода, называемого системным подходом.
Элементами любого материала, как системы, в самом общем случае являются атомы или молекулы. Иногда в составе материала обнаруживаются и более крупные образования – атомные кластеры, супермолекулы, зёрна, включения, волокна, слои и т.п. Взаимодействуя, элементы материала определённым образом располагаются в пространстве, в результате чего реализуется та или иная конкретная структура, придающая материалу особые, характерные для него черты.
Таким образом, в соответствии с системным подходом свойства материалов зависят от того из каких частей (элементов) состоит материал, как эти части взаимодействуют друг с другом и как они располагаются в пространстве. Другими словами основными факторами, определяющими свойства материалов, являются:
1. Элементный состав материала;
2. Характер взаимодействия элементов;
3. Характер расположения элементов в пространстве, т.е. структура (строение) материала.
Под элементным составом материала понимается, прежде всего, его химический состав, т.е. наличие в материале атомов определённого сорта и их количество. Кроме того, в качестве составных компонентов материала могут рассматриваться и более крупные образования (молекулы, кластеры, зёрна, включения, волокна, слои и т.п.).
Под характером взаимодействия элементов понимается тип и сила взаимодействия между всеми вышеназванными компонентами материала.
Что касается характера расположения элементов в пространстве или иначе структуры материала, то о ней можно говорить на различных уровнях, в зависимости от того какие элементы материала при этом рассматриваются. (Поскольку в мире всё из чего-то состоит и частью чего-то большего является, то значит, в мире имеет место иерархия структур, т.е. различные уровни структуры). Если в качестве элементов материала рассматриваются атомы и молекулы, то соответствующую структуру называют атомно-молекулярной структурой или наноструктурой. Если в качестве элементов материала рассматриваются зёрна (кристаллиты), имеющие микронные размеры, то форма зёрен, их размер и ориентация в пространстве составляют микроструктуру материала. Если же речь идёт о волокнах, включениях и слоях, наблюдаемых невооружённым взглядом, то характер взаимного расположения таких элементов относят к макроструктуре материала. И макроструктура, и микроструктура и атомно-молекулярная структура существенным образом влияют на свойства материала.
Между факторами, определяющими свойства материалов, существует тесная взаимосвязь. Так, в частности, химический состав материала, а точнее вид атомов, присутствующих в материале, предопределяет характер межатомного взаимодействия, который, в свою очередь, предопределяет возможные типы атомно-кристаллических структур.
Материаловедение своей основной задачей считает установление взаимосвязи между составом, структурой и свойствами материалов.
Исследование состава и структуры материалов
Для исследования состава и структуры материалов в настоящее время используется достаточно большое количество различных методов.
Химический состав материалов можно определять с помощью традиционных методов химического анализа, основанных на взаимодействии материалов с различными химически активными веществами – реагентами. Весьма эффективным современным методом химического анализа является спектральный анализ. Этот метод основан на том, что атомы различных химических элементов, при возбуждении, излучают строго определённые длинны волн. Другими словами, спектр излучения различных атомов содержит вполне определённые спектральные линии. Зная спектры излучения различных атомов можно установить их присутствие в материале, а по интенсивности спектральных линий можно судить о количестве таких атомов.
Спектральный анализ осуществляется либо в видимом диапазоне длин волн, либо в инфракрасной или ультрафиолетовой части спектра, либо в рентгеновском диапазоне. В последнем случае методика называется рентгеноспектральным анализом. Если для возбуждения атомов использовать узкий электронный или лазерный луч, то появляется возможность исследовать химический состав материала в локальных областях, или изучать распределение химических элементов в объёме или в поверхностных слоях материала.
Для исследования структуры материалов на наноуровне (т.е. уровне атомов и молекул) широко используется рентгеноструктурный анализ, а также электронография и нейтронография. Эти методы основаны на взаимодействии соответствующих излучений (т.е. рентгеновских лучей, потока электронов или нейтронов) с исследуемым материалом.
Для указанных излучений атомно-кристаллическая структура материала, играет роль специфической дифракционной решетки. В результате взаимодействия названных излучений с исследуемым веществом формируется характерная дифракционная картина, по которой можно судить о симметрии расположения атомов в пространстве, о расстояниях между атомными плоскостями и другим параметрам наноструктуры материала.
На микроуровне, то есть уровне структурных образований типа зёрен, имеющих микронные размеры, структуру исследуют с помощью оптических и электронных микроскопов. Для исследования микроструктуры (зернистой структуры) металлов и сплавов, являющихся непрозрачными для света, широко используются специальные металлографические микроскопы, работающие по принципу отражения световых лучей от отполированной до зеркального блеска поверхности исследуемых образцов.
Для исследования структуры материалов на макроуровне используются визуальные методы контроля. (Более полная информация об исследовании макро- и микроструктуры материалов приведена в методических указаниях к лабораторной работе «Микроскопический метод исследования металлов и сплавов»).