Основы материаловедения: химический состав, структура и свойства

Материаловедение — это наука, изучающая взаимосвязь между химическим составом, структурой и свойствами материалов, а также их изменения под воздействием различных внешних факторов.

Основная задача материаловедения — найти оптимальное сочетание химического состава материала и способа его обработки для достижения заданных свойств, например, повышенной прочности или пластичности, высокой электропроводности и других свойств. Это важно для различных областей, от производства металлических сплавов до создания полимеров и композитов.

Материаловедение охватывает все разновидности материалов, включая металлы, сплавы, полимеры, стекло, керамику и другие. Важной отраслью этой науки является металловедение, которое фокусируется на изучении взаимосвязи между химическим составом, структурой и свойствами исключительно металлов и металлических сплавов.

Химический состав металла

Химический состав материала — это процентное соотношение химических элементов, присутствующих в нем. Именно он определяет основные свойства материалов. Особенно это важно при производстве прецизионных сплавов, где точность химического состава играет ключевую роль. Ведь даже небольшие изменения в содержании элементов могут существенно повлиять на конечные характеристики изделия.

На ПЗПС работает спектральная лаборатория, которая точно определяет химический состав сплавов на каждом этапе технологического процесса, что позволяет обеспечивать высокое качество нашей продукции.

Структура металла

Структура включает в себя полную информацию об исследуемом материале: от электронного строения отдельных атомов до дефектов поверхности, видимых невооруженным глазом.

При изучении структуры материала различают:

• исследование макроструктуры — позволяет выявить дефекты (сколы, трещины, поры, раковины и т. д.), видимые невооруженным глазом и при увеличении не более чем в 10 раз (лупа);
• анализ микроструктуры — определение расположения частиц, которое можно увидеть только при большом увеличении с помощью оптического (до 1 000 раз) или электронного (до 25 000 раз) микроскопа.

При этом материалы могут, имея одинаковый химический состав, обладать разной структурой и, как следствие, различными свойствами. 

Для исследования структуры используются различные методы:

• рентгеновский анализ — основан на том, что, проходя через нормальную структуру металла или имеющиеся дефекты, рентгеновские лучи по-разному ослабляются;
• магнитная и ультразвуковая дефектоскопия — искажение интенсивности магнитного поля и ультразвуковых волн позволяет обнаружить внутренние и внешние дефекты в структуре;
• капиллярная дефектоскопия — с помощью специальных жидкостей позволяет обнаружить невидимые глазу тонкие трещины на поверхности металла.

Для контроля структуры сталей и сплавов на ПЗПС работает металлографическая лаборатория. В частности, в ней оцениваются неметаллические включения и балл зерна, что помогает точно определить свойства выпускаемой продукции.

Свойства материалов

На свойства материалов можно влиять как через их химический состав, так и путем изменения их структуры при различных видах обработки.

Например, при уменьшении количества углерода в стали снижается ее прочность, но увеличивается пластичность. При повышении количества углерода становятся лучше литейные свойства, но ковкость и свариваемость ухудшаются. Добавление кремния повышает упругость сплава, а марганца — его прочность.

Особое влияние на свойства металлов оказывает обработка давлением, так как при таком воздействии образуется наклеп — деформация зерна, в результате которой прочность и твердость стали увеличиваются. Снять это состояние или внести другие изменения во внутреннее строение материала можно путем термической обработки: отжига, закалки и отпуска.

• Отжиг предусматривает нагрев материала до определенной температуры, последующую выдержку и медленное охлаждение (вместе с печью). Он делает стали и сплавы менее твердыми и улучшает их обрабатываемость, а также снимает внутренние напряжения.
• Закалка — это нагрев материала до определенной температуры, выдержка его при этой температуре и последующее быстрое охлаждение (в воду, в масло или в другие закалочные среды). Она повышает прочность и твердость материала, но снижает его пластичность и вязкость.
• Отпуск — термическая обработка, применяемая после закалки материала. Его цель — получить более равновесную структуру стали или сплава, снять внутренние напряжения после закалки.

В результате термической обработки можно полностью изменить механические свойства стали или сплава: при помощи закалки и отжига получить два материала со значительными различиями в твердости, вязкости и пластичности.

Материаловедение — ключевая дисциплина для инженеров и производителей, позволяющая создавать материалы с требуемыми характеристиками. Контролируя химический состав и структуру, а также понимая влияние различных методов обработки, можно добиться оптимальных свойств стали или сплава, сохраняя высокое качество и эффективность производства. На ПЗПС вы можете заказать материал именно с теми свойствами, которые необходимы вашему производству, и быть уверенными в качестве продукта.