Материаловедение и металлы
Свойства металлов, изучаемые материаловедением (материаловедение металлов), делают их пригодными для широкого спектра применения. Обычно они блестящие, большинство из них являются пластичными, плотными, очень хорошими электрическими проводниками с высокой температурой плавления.
Смеси металлов, называемые сплавами, используются чаще, чем чистый металл. Путем легирования можно улучшить их некоторые важные свойства, например предотвратить то, что в материаловедении называется коррозией металлов.
Материаловедение: металлы и сплавы
Большинство металлов не встречаются в их естественном состоянии. Они часто встречаются в виде соединений, таких как оксиды, сульфиды и галогениды.
Оксид алюминия является основным соединением металла, присутствующим в руде, известной как боксит. Железный пирит – это в основном сульфид железа.
Металлы могут быть получены (выплавлены) из их руд различными способами. Так алюминий производится из его руды (боксита) путем пропускания электрического тока через расплавленную смесь руды и соединения, называемого криолитом.
Титан в основном производится из руды в процессе хлорирования, где руда обрабатывается газообразным хлором с последующей реакцией с металлическим магнием.
Сегодня олово редко используется в консервной промышленности, в качестве кровельного материала или фольги для приготовления пищи – его заменили более дешевые материалы. Олово превращается из обычного состояния, известного как «белое олово», в мягкое порошкообразное состояние, называемое «серое олово», при воздействии температуры ниже 0 C в течение определенного периода времени. Эти различные формы олова известны как аллотропы.
Большинство крупных соборов имеют впечатляющие музыкальные органы, трубы которых сделаны из оловянно-свинцового сплава. Но в зимние месяцы происходит разрушение металла: если температура воздуха в соборе падает ниже нуля, трубы могут страдать от «болезни олова». Они покрываются порошкообразным серым веществом и теряют качество звука. В материаловедении это называется вторичной кристаллизацией металлов.
Историческая перспектива
К каменном веке, люди использовали только натуральные материалы, такие как камень, глина, шкуры и дерево. Когда люди нашли медь – началась эра обработки металлов или бронзовый век (около 3000 г. до н.э.). Использование железа и стали, более прочного материала, давшего преимущество в войнах, началось примерно в 1200 году до нашей эры. Следующим большим шагом стало открытие дешевого процесса производства стали около 1850 года, который позволил построить железные дороги и современную инфраструктуру промышленного мира.
Материаловедение и инженерия
Понимание того, как металлы ведут себя так и почему они различаются по свойствам, стало возможным только при атомистическом понимании, разработанным квантовой механикой. Сочетание физики, химии и изучении связей между свойствами металла и его микроструктурой является областью материаловедения металлов. Развитие этой науки позволило проектировать материалы и обеспечило базу знаний для инженерных приложений (материаловедение металлов).
Зачем изучать материаловедение и технику?
Такое нужно для того, чтобы:
- Иметь возможность выбрать материал для использования, исходя из соображений его стоимости и производительности.
- Понять границы материалов и изменение их свойств во время использования.
- Создавать новый материал, который будет обладать нужными свойствами.
Все инженерные дисциплины включают в себя знания о материалах. Даже самые «нематериальные», такие как программное обеспечение или системная инженерия, зависят от разработки новых материалов, которые, в свою очередь, изменяют экономику.
Классификация материалов
Как и многие другие вещи, материалы классифицируются по группам. Их можно классифицировать по структуре, свойствам или использованию. Возможности их использования зависят от того, как атомы в их составе связаны друг с другом.
- Кристаллическое строение металлов (материаловедение металлов): валентные электроны отделены от атомов и распространяются в «электронном море», которое «склеивает» ионы вместе. Особое строение металлов делает их, как правило, прочными, хорошо проводящими электричество и тепло, непрозрачными для света. Примеры: алюминий, сталь, латунь, золото.
- Полупроводники: связь ковалентная (электроны распределяются между атомами). Их электрические свойства чрезвычайно сильно зависят от мельчайших пропорций загрязняющих веществ. Они непрозрачны для видимого света, но прозрачны для инфракрасного излучения. Примеры: Si, Ge, GaAs.
- Керамика: атомы ведут себя как положительные или отрицательные ионы и связаны между собой кулоновскими силами. Обычно они представляют собой комбинации металлов или полупроводников с кислородом, азотом или углеродом (оксиды, нитриды и карбиды). Примеры: стекло, фарфор, много минералов.
- Полимеры: связаны ковалентными силами, а также слабыми ван-дер-ваальсовыми силами и обычно основаны на Н, С и других неметаллических элементах. Они разлагаются при умеренных температурах (100 – 400 С). Примеры: пластик (нейлон, тефлон, полиэстер) и резина.
- Продвинутые материалы Материалы, используемые в приложениях “High-Tec”, обычно рассчитаны на максимальную производительность и обычно дороги. Примерами являются титановые сплавы для сверхзвуковых самолетов, магнитные сплавы для компьютерных дисков, специальная керамика для теплозащитного экрана космического челнока и т. д.
Вы можете обсудить эту статью на нашем форуме, достаточно нажать на кнопку ниже.
