Основні матеріали в інженерії

Основи матеріалознавства в інженеріїМатеріалознавство — це наука, яка вивчає матеріали, їхню будову, властивості та використання в техніці й повсякденному житті. Усе, що створює людина — від ложки до космічного корабля — виготовляється з певного матеріалу. Інженери повинні добре розуміти: які матеріали існують; чим вони відрізняються; який матеріал краще підходить для конкретного завдання. Наприклад:міст повинен витримувати величезні навантаження; літак має бути одночасно легким і міцним; смартфон повинен бути компактним, твердим і стійким до нагрівання; спортивний одяг має бути гнучким і легким. Матеріалознавство поєднує: фізику, хімію, інженерію, технології виробництва. Саме завдяки новим матеріалам людство створило: автомобілі, комп’ютери, літаки, сонячні батареї, сучасні медичні імпланти.Історію людства часто поділяють за матеріалами, які люди навчилися використовувати. Кам’яний вік. Перші інструменти виготовляли з: каменю, дерева, кісток тварин. Бронзовий вік. Люди навчилися плавити метали та створювати бронзу — сплав міді й олова. Це дозволило робити: зброю, інструменти, прикраси. Залізний вік. Залізо стало основою розвитку: будівництва, транспорту, машин. Сучасна епоха. Сьогодні людство використовує: пластики, композити, напівпровідники, наноматеріали. Сучасні матеріали можуть бути: надзвичайно легкими, дуже міцними, стійкими до температур, навіть «розумними», тобто змінювати свої властивості.

Основні групи матеріалів 1 Метал. Метали — одна з найважливіших груп матеріалів в інженерії. Основні властивості металів: висока міцність; хороша електропровідність; теплопровідність; пластичність; можливість переплавлення. Найвідоміші метали: залізо, алюміній, мідь, титан. Використання: будівництво мостів; автомобілі; літаки; електричні дроти; інструменти. Цікавий факт. Алюміній у 3 рази легший за сталь, тому його активно використовують в авіації.

2 Полімери (пластики)Полімери — це матеріали, створені з довгих молекулярних ланцюгів. Властивості: легкість; гнучкість; стійкість до води; дешеве виробництво. Приклади: поліетилен; пластик PET; нейлон; гума. Де використовують: упаковка; одяг; корпуси техніки; труби; деталі автомобілів. Недоліки Деякі пластики дуже довго розкладаються в природі, тому проблема переробки сьогодні дуже важлива.

3 Кераміка та скло Кераміка — це тверді матеріали, створені шляхом випалювання. Властивості: твердість; стійкість до високих температур; хімічна стійкість; крихкість. Приклади: цегла; порцеляна; плитка; скло. Використання: будівництво; медицина; електроніка; посуд. Скло також належить до цієї групи. Воно прозоре, але дуже крихке.

4 Композитні матеріали Композити — це поєднання кількох матеріалів для отримання кращих властивостей. Приклади: скловолокно; карбон; залізобетон. Переваги: висока міцність; мала вага; довговічність. Використання: літаки; спортивні автомобілі; велосипеди; космічна техніка

Властивості матеріалів Щоб правильно обрати матеріал, інженери досліджують його властивості. Міцність Показує, яке навантаження витримує матеріал. Наприклад: сталь дуже міцна; пластик менш міцний. Твердість. Здатність чинити опір подряпинам та стиранню. Алмаз — один із найтвердіших матеріалів у світі. Пружність. Здатність повертатися до початкової форми після деформації. Наприклад:гума добре розтягується й повертається назад. Крихкість. Матеріал може бути твердим, але легко тріскати. Наприклад:скло дуже тверде, але крихке. Електропровідність. Здатність проводити електричний струм. Хороші провідники: мідь; алюміній. Погані провідники: пластик; гума. Саме тому дроти мають металеву серцевину й пластикову ізоляцію. Теплопровідність Показує, наскільки добре матеріал передає тепло. Металева ложка в гарячому чаї нагрівається швидко, а дерев’яна — значно повільніше.

Вибір матеріалів для інженерних задач. Правильний вибір матеріалу — одна з найважливіших задач інженера. Від цього залежить: міцність конструкції; безпека; довговічність; вартість виробу; зручність використання. Інженер повинен обрати матеріал, який найкраще підходить для конкретних умов роботи.1. Основні критерії вибору матеріалів. Міцність. Матеріал має витримувати необхідні навантаження без руйнування. Наприклад: для мостів використовують сталь; для тросів — високоміцні сплави. Маса матеріалу. У багатьох конструкціях важлива невелика вага. Приклади: літаки виготовляють з алюмінієвих сплавів і композитів; велосипеди — з алюмінію або карбону. Стійкість до корозії. Матеріал не повинен швидко руйнуватися під дією: води; вологи; солей; хімічних речовин. Наприклад: нержавіючу сталь використовують у харчовій промисловості; пластики — у водопроводах. Термостійкість. Деякі матеріали повинні витримувати дуже високі температури. Наприклад: деталі двигунів; турбіни; космічна техніка. Електропровідність. Для електротехніки потрібні матеріали, які добре проводять струм. Приклади: мідь;алюміній; срібло. Вартість. Матеріал має бути економічно вигідним. Іноді дешевший матеріал обирають замість кращого, якщо різниця у властивостях невелика. Технологічність. Матеріал повинен бути зручним у виробництві: легко оброблятися; зварюватися; різатися; формуватися.

2. Етапи вибору матеріалу1. Аналіз умов роботиІнженер визначає: навантаження; температуру ;вологість; термін служби; середовище роботи.2. Визначення потрібних властивостей. Потрібно зрозуміти, які властивості найважливіші: міцність; легкість; твердість; гнучкість; електропровідність.3. Порівняння можливих матеріалів. Інженери порівнюють: метали; пластики; кераміку; композити.4. Економічна оцінка. Оцінюють: ціну матеріалу; вартість виробництва; ремонт; довговічність.5. Остаточний вибір. Обирають матеріал, який найкраще відповідає всім вимогам.

Методи дослідження і контролю матеріалів. Для того щоб визначити якість, міцність і придатність матеріалів, у матеріалознавстві використовують різні методи дослідження та контролю. 1. Механічні методи. Ці методи визначають, як матеріал поводиться під дією сил. Випробування на розтяг. Матеріал розтягують до руйнування та визначають: міцність; пружність; пластичність. Приклад: перевірка сталевих тросів або деталей автомобіля. Випробування на стиск Матеріал стискають великим навантаженням. Застосовується для: бетону; цегли; будівельних матеріалів. Випробування на твердість. Визначають стійкість до подряпин і вдавлювання. Основні методи: Брінелля; Роквелла; Віккерса. Випробування на ударну міцність. Перевіряють, чи витримує матеріал різкі удари. Особливо важливо для: машин; літаків; мостів.

2. Металографічні методи. Досліджують внутрішню будову матеріалу. Мікроскопічний аналіз. Матеріал вивчають за допомогою мікроскопа. Дозволяє побачити: зерна металу; тріщини; дефекти; структуру сплаву. Макроаналіз. Дослідження поверхні матеріалу без сильного збільшення. Виявляють: пори; великі тріщини; неоднорідності. 3. Фізичні методи. Досліджують фізичні властивості матеріалів. Вимірювання електропровідності. Визначають здатність проводити електричний струм. Використовується для: кабелів; електроніки; напівпровідників. Теплові дослідження. Перевіряють: плавлення; теплопровідність; стійкість до температур. Магнітні методи. Досліджують магнітні властивості металів. Часто використовуються у виробництві електродвигунів і трансформаторів.

4. Хімічні методи. Допомагають визначити хімічний склад матеріалу. Хімічний аналіз показує, які елементи входять до складу матеріалу. Наприклад: вміст вуглецю у сталі; наявність домішок. Корозійні випробування. Перевіряють стійкість матеріалу до: вологи; кислот; солей; хімічних речовин.5. Неруйнівний контроль. Це методи, які дозволяють перевірити матеріал без його пошкодження. Ультразвуковий контроль. У матеріал направляють ультразвукові хвилі. Метод дозволяє знайти: внутрішні тріщини; порожнини; дефекти. Рентгенівський контроль. Рентгенівські промені проходять крізь матеріал і показують приховані дефекти. Часто застосовують для: зварних швів; труб; деталей літаків. Магнітопорошковий метод. На поверхню наносять магнітний порошок. Він збирається в місцях тріщин і дефектів. Візуальний контроль. Найпростіший метод — огляд матеріалу очима або за допомогою лупи. Дозволяє виявити: подряпини; тріщини; деформації.

6. Сучасні методи дослідження. Електронна мікроскопія. Дає дуже велике збільшення та дозволяє досліджувати структуру матеріалу на рівні атомів. Комп’ютерне моделювання. Інженери використовують комп’ютери для прогнозування: міцності; деформацій; довговічності матеріалів. Висновок. Методи дослідження і контролю матеріалів допомагають: забезпечити безпеку техніки; перевірити якість виробів; знаходити дефекти; створювати нові матеріали. Без цих методів неможливі: сучасне будівництво; авіація; машинобудування; електроніка; космічна техніка.

Чому матеріали руйнуються?Матеріали не є вічними. З часом вони можуть руйнуватися. Основні причини: Перевантаження. Коли сила перевищує можливості матеріалу. Корозія. Руйнування металів через взаємодію з водою та киснем. Найвідоміший приклад — іржа. Втома матеріалу. Якщо багато разів згинати предмет, у ньому виникають мікротріщини. Саме через втому може зламатися: дріт, скріпка, деталі літаків. Висока температура Деякі матеріали: плавляться, деформуються, втрачають міцність.

Сучасні матеріали майбутнього Сьогодні науковці створюють матеріали з унікальними властивостями. Наноматеріали. Матеріали, створені на рівні атомів і молекул. Вони можуть бути: надзвичайно міцними; дуже легкими; провідними. Графен. Графен — матеріал товщиною в один атом вуглецю. Його властивості: дуже висока міцність; гнучкість; чудова електропровідність. Він може використовуватись у: батареях; екранах; медицині; електроніці майбутнього. Висновок. Матеріалознавство — одна з основ сучасної інженерії. Саме правильний вибір матеріалу дозволяє: будувати хмарочоси; створювати автомобілі та літаки;виробляти комп’ютери й телефони; розробляти технології майбутнього. Без нових матеріалів неможливий розвиток науки, техніки та сучасного світу.