Задания по теоретическому этапу профессионального обучения профессия Сварщик — МАТЕРИАЛЛОВЕДЕНИЕ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ и Термическая обработка
Материаловедение — это междисциплинарная область, включающая изучение различных типов материалов и применение знаний об этих материалах в различных областях науки и техники.
Сочетает в себе элементы прикладной физики и химии, а также химической, механической, гражданской и электротехнической инженерии.
В ранней истории человечества использовались такие материалы, как металлы, стекла и керамика на основе глины. В прошлом веке произошел всплеск развития новых материалов, включая пластмассы, усовершенствованную керамику, полупроводники, сверхпроводники, жидкие кристаллы, которые имеют широкий спектр применения.
Более того, материаловедение стало включать в себя испытания этих более экзотических форм конденсированной материи и разработку новых физических теорий для объяснения их поведения.
В связи с этим материаловедение вышло на передний план во многих академических институтах и исследовательских центрах.
Исследования материалов на базовом уровне могут привести к беспрецедентному влиянию на общество.
Например, полупроводниковые материалы, которые повсеместно используются в автомобилях, телефонах, компьютерах, часах, кухонных приборах, детских игрушках, спутниках, телескопах и многом другом, стали результатом исследований материаловедения — изучения электронных свойств элемента германия.
Дальнейшие исследования привели к замене германия на менее дорогостоящий кремний и к различным подходам к изменению свойств кремния путем имплантации других элементов, таких как фосфор или бор, в кремниевую матрицу.
С момента своего открытия в 1947 году полупроводники постоянно совершенствовались благодаря исследованиям в области материаловедения, вызванным постоянно растущими требованиями компьютерной индустрии к производительности.
Исторический обзор
Материаловедение — одна из старейших форм прикладной науки и инженерии. В истории человеческой цивилизации различные эпохи часто определялись ретроспективно в соответствии с развитием способности человека работать с новым типом материала.
Примерами являются каменный век, бронзовый век и железный век.
До 1960-х годов (а в некоторых случаях и спустя десятилетия) многие кафедры материаловедения в академических и исследовательских институтах назывались кафедрами металлургии, поскольку основной упор делался на изучение металлов и их применения.
С тех пор эта область расширилась и включает в себя все классы материалов, такие как керамика, полимеры, полупроводники, сверхпроводники, сверхтекучие жидкости, магнитные материалы, материалы для медицинских имплантатов и биологические материалы.
Многие важные элементы современного материаловедения стали результатом космической гонки. В частности, понимание и разработка металлических сплавов, керамики и других материалов были полезны для создания космических кораблей, скафандров и так далее, а новые знания оказались ценными для различных потребительских и промышленных применений.
Материаловедение заложило физические основы цивилизации 21 века, являясь неотъемлемой частью всего — от оптоволоконных кабелей до теннисных туфель, от солнечных батарей до парусных лодок. Материаловедение и в дальнейшем будет играть центральную роль в поиске технологических решений для устойчивого развития в условиях деградации окружающей среды и продолжающегося накопления парниковых газов из-за сжигания углеродного топлива.
Основы материаловедения
В материаловедении исследователь проводит систематическое изучение каждого материала с точки зрения его структуры, свойств, обработки и эксплуатационных характеристик. Исследование часто приводит к новым применениям известных материалов и созданию новых материалов с желаемыми свойствами.
На фундаментальном уровне эта область связывает свойства и характеристики материала с его атомной структурой и различными фазами, через которые он может проходить.
Основными факторами, определяющими структуру и свойства материала, являются природа входящих в его состав химических элементов и способ, которым материал был обработан для получения конечной формы. Эти факторы, связанные через законы термодинамики, определяют микроструктуру материала и, следовательно, его свойства.
Старая пословица в материаловедении гласит: "Материалы подобны людям; именно недостатки делают их интересными". Учитывая ограничения сегодняшней технологии, это хорошо, потому что производство идеального кристалла материала физически невозможно.
Вместо этого материаловеды манипулируют дефектами материала для создания материалов с желаемыми свойствами. На атомном уровне дефекты в кристалле могут означать, что атомы одного элемента могут отсутствовать или заменяться атомами других элементов.
Не все материалы имеют регулярную кристаллическую структуру. Стекла и некоторые керамики — в отличие от многих природных материалов — аморфны, то есть не обладают дальним порядком в расположении атомов.
Проектирование таких материалов намного сложнее, чем проектирование кристаллических материалов. Полимеры могут иметь различную степень кристалличности, и их изучение требует сочетания элементов химической и статистической термодинамики для термодинамического (а не механического) описания физических свойств.
Материалы в промышленности
Радикальные достижения в понимании и манипулировании материалами способствуют созданию новых продуктов и даже новых отраслей промышленности.
В то же время стабильные отрасли промышленности нанимают материаловедов для постепенного улучшения и устранения проблем с используемыми в настоящее время материалами.
Промышленное применение материаловедения включает в себя разработку материалов и их использование в промышленном производстве с учетом соотношения затрат и выгод.
Металловедение и термическая обработка