Материаловедение

Материаловедение — междисциплинарный  раздел науки, изучающий изменения  свойств материалов, как в твёрдом, так и в жидком состоянии в  зависимости от некоторых факторов. К изучаемым свойствам относятся  структура веществ, электронные, термические, химические, магнитные, оптические свойства этих веществ. Материаловедение можно  отнести к тем разделам физики и химии, которые занимаются изучением  свойств материалов. Кроме того, эта наука использует целый ряд  методов, позволяющих исследовать  структуру материалов. При изготовлении наукоёмких изделий в промышленности, особенно при работе с объектами  микро- и наноразмеров необходимо детально знать характеристику, свойства и строение материалов. Решить эти задачи и призвана наука — материаловедение.

 

Знание структуры и свойств  материалов приводит к созданию принципиально  новых продуктов и даже отраслей индустрии. Однако и классические отрасли  также широко используют знания, полученные учёными-материаловедами для нововведений, устранения проблем, расширения ассортимента продукции, повышения безопасности и понижения стоимости производства. Эти нововведения были сделаны для  процессов литья, проката стали, сварки, роста кристаллов, приготовления  тонких плёнок, обжига, дутья стекла и др.

 

Методы, используемые материаловедением: металлографический анализ, электронная  микроскопия, сканирующая зондовая микроскопия, рентгеноструктурный  анализ, механические свойства, калориметрия, ядерный магнитный резонанс, ширография термография.

Металлургия подразделяется на чёрную и цветную. Чёрная металлургия включает добычу и обогащение руд чёрных металлов, производство чугуна, стали и ферросплавов. К чёрной металлургии относят  также производство проката чёрных металлов, стальных, чугунных и других изделий из чёрных металлов. К цветной  металлургии относят добычу, обогащение руд цветных металлов, производство цветных металлов и их сплавов. С  металлургией тесно связаны коксохимия, производство огнеупорных материалов.

 

К чёрным металлам относят железо. Все остальные — цветные. По физическим свойствам и назначению цветные  металлы условно делят на тяжёлые (медь, свинец, цинк, олово, никель) и  лёгкие (алюминий, титан, магний).

 

По основному технологическому процессу подразделяется на пирометаллургию (плавка) и гидрометаллургию (извлечение металлов в химических растворах). Разновидностью пирометаллургии является плазменная металлургия.

История

Первые свидетельства того, что  человек занимался металлургией, относятся к 5-6 тысячелетиям до н. э. и были найдены в Майданпеке, Плочнике[3] и других местах в Сербии (в том числе медный топор 5500 лет до н. э., относящийся к культуре Винча)[4], Болгарии (5000 лет до н. э.), Палмеле (Португалия), Испании, Стоунхендже (Великобритания). Однако, как это нередко случается со столь давними явлениями, возраст не всегда может быть точно определён.

 

В культуре ранних времён присутствуют серебро, медь, олово и метеоритное  железо, позволявшие вести ограниченную металлообработку. Так, высоко ценились «Небесные кинжалы» — египетское оружие, созданное из метеоритного железа 3000 лет до н. э. Но, научившись добывать медь и олово из горной породы и получать сплав, названный  бронзой, люди в 3500 годы до н. э. вступили в Бронзовый век.

 

Получение железа из руды и выплавка металла было гораздо сложнее. Считается, что технология была изобретена хеттами  примерно в 1200 году до н. э., что стало  началом Железного века. Секрет добычи и изготовления железа стал ключевым фактором могущества филистимлян.

 

Следы развития чёрной металлургии  можно отследить во многих прошлых  культурах и цивилизациях. Сюда входят древние и средневековые королевства  и империи Среднего Востока и  Ближнего Востока, древний Египет и  Анатолия (Турция), Карфаген, греки и  римляне античной и средневековой  Европы, Китай, Индия, Япония и т. д. Нужно  заметить, что многие методы, устройства и технологии металлургии первоначально  были придуманы в Древнем Китае, а потом и европейцы освоили  это ремесло (изобретя доменные печи, чугун, сталь, гидромолоты и т. п.).

 

Тем не менее, последние исследования свидетельствуют о том, что технологии римлян были гораздо более продвинутыми, чем предполагалось ранее, особенно в области горной добычи и ковки.

Добывающая металлургия

 

Добывающая металлургия заключается  в извлечении ценных металлов из руды и переплавке извлечённого сырья  в чистый металл. Для того, чтобы  превратить оксид или сульфид  металла в чистый металл, руда должна быть отделена физическим, химическим или электролитическим способом.

 

Металлурги работают с тремя  основными составляющими: сырьём, концентратом (ценный оксид или сульфид металла) и отходами. После добычи большие  куски руды измельчаются до такой  степени, когда каждая частица является либо ценным концентратом либо отходом.

 

Горные работы не обязательны, если руда и окружающая среда позволяют  провести выщелачивание. Таким путём  можно растворить минерал и получить обогащённый минералом раствор.

 

Зачастую руда содержит несколько  ценных металлов. В таком случае отходы одного процесса могут быть использованы в качестве сырья для  другого процесса.

Свойства металлов

 

Металлы в целом обладают следующими физическими свойствами:

Твердость.

Звукопроводность.

Высокая температура плавления.

Высокая температура кипения.

При комнатной температуре металлы  находятся в твёрдом состоянии (за исключением ртути, единственного  металла, находящегося в жидком состоянии  при комнатной температуре).

Отполированная поверхность металла  блестит.

Металлы — хорошие проводники тепла  и электричества.

Обладают высокой плотностью.

Применения металлов

Медь обладает пластичностью и  высокой электропроводностью. Именно поэтому она нашла свое широкое  применение в электрических кабелях.

Золото и серебро очень тягучи, вязки и инертны, поэтому используются в ювелирном деле. Золото также  используется для изготовления неокисляемых электрических соединений.

Железо и сталь обладают твердостью и прочностью. Благодаря этим их свойствам они широко используются в строительстве.

Алюминий ковок и хорошо проводит тепло. Он используется для изготовления кастрюль и фольги. Благодаря своей  низкой плотности — при изготовлении частей самолётов

Сплавы

 

Наиболее часто используются сплавы алюминия, хрома, меди, железа, магния, никеля, титана и цинка. Много усилий было уделено изучению сплавов железа и углерода. Обычная углеродистая сталь используется для создания дешёвых, высокопрочных изделий, когда  вес и коррозия не критичны.

 

Нержавеющая или оцинкованная сталь  используется, когда важно сопротивление  коррозии. Алюминиевые и магниевые  сплавы используются, когда требуются  прочность и легкость.

 

Медно-никелевые сплавы (такие, как  монель-металл) используются в коррозионно-агрессивных средах и для изготовления ненамагничиваемых изделий. Суперсплавы на основе никеля (например, инконель) используются при высоких температурах (турбонагнетатели, теплообменники и т. п.). При очень высоких температурах используются монокристаллические сплавы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Materials science - an interdisciplinary branch of science that studies the properties of materials change as a solid or a liquid depending on several factors. To study the properties include the structure of matter, electronic, thermal, chemical, magnetic, optical properties of these substances. Materials can be attributed to the fields of physics and chemistry, which are exploring the properties of materials. In addition, this science uses a variety of methods to investigate the structure of materials. In the manufacture of high-tech products in the industry, especially when dealing with objects of micro-and nanoscale detail is necessary to know the characteristics, properties and structure of materials. To solve these problems and is designed to science - Materials.

 

Knowledge of the structure and properties of materials leads to the creation of innovative products and even branches of industry. However, the classical industry also make extensive use of knowledge gained by scientists, materials scientists for innovation, troubleshooting, expansion of product range, improving safety and lowering production costs. These changes have been made for the processes of casting, steel rolling, welding, crystal growth, thin film preparation, firing, glass blowing, etc.

 

Methods used materials science: metallographic analysis, electron microscopy, scanning probe microscopy, X-ray analysis, mechanical properties, calorimetry, nuclear magnetic resonance, shearography thermography.

Metallurgy is divided into black and color. Iron and steel industry includes mining and processing of ferrous metals, production of pig iron, steel and ferroalloys. For the steel industry include the production of ferrous metals, steel, cast iron and other ferrous metals. For non-ferrous metals include mining, refining non-ferrous metals, non-ferrous metals and their alloys. With the steel industry are closely linked coke chemistry, the production of refractory materials.

 

For ferrous metals include iron. All other - non-ferrous. On the physical properties and appointment of non-ferrous metals are conventionally divided into heavy (copper, lead, zinc, tin, nickel) and lightweight (aluminum, titanium, magnesium).

 

On the main technological process is divided into pyro (fusion) and hydrometallurgy (metal extraction in chemical solutions). A variation of the plasma is pyro metallurgy.

History

The first evidence that a person engaged in metallurgy, are by 5-6 millennia BC. Oe. were found in Majdanpek, Plochnike [3] and elsewhere in Serbia (including a copper ax 5,500 years BC. e. related to Vinca culture) [4], Bulgaria (5000 years BC. e.), Palmela (Portugal), Spanish, Stonehenge (United Kingdom). However, as often happens with such a long-time phenomena, age may not always be precisely defined.

 

In the culture of earlier times there are silver, copper, tin and meteoric iron, which allows the limited metal working. Thus, the highly regarded "Celestial Daggers" - Egyptian weapons created from meteoric iron 3000 BC. Oe. But, having learned to produce copper and tin from the rock and get an alloy called bronze, people in 3500 years BC. Oe. entered the Bronze Age.

 

Getting the iron ore and pig metal was much more difficult. It is believed that the technology was invented by the Hittites around 1200 BC. Oe. that was the beginning of the Iron Age. The secret of production and manufacture of iron was a key factor in the power of the Philistines.

 

Traces of iron and steel industry can be traced in many past cultures and civilizations. These include ancient and medieval kingdoms and empires of the Middle East and the Middle East, ancient Egypt and Anatolia (Turkey), Carthage, the Greeks and Romans of ancient and medieval Europe, China, India, Japan, etc. It should be noted that many of the methods, devices metallurgy and technologies were originally invented in ancient China, and then the Europeans have mastered this craft (inventing a blast furnace, iron, steel, hammers, etc.).

 

However, recent studies suggest that the technology the Romans were far more advanced than previously thought, especially in the mining and forging.

Extractive Metallurgy

 

Extractive metallurgy is the extraction of valuable metals from ore, and smelting of raw materials recovered in the pure metal. In order to convert the metal oxide or sulphide in the pure metal, the ore must be separated by physical, chemical or electrolytic means.

 

Steelmakers are working with three major components: raw materials, concentrate (valuable metal oxide or sulphide) and waste management. After the extraction of large pieces of ore are crushed to the point where each particle is either a valuable or a waste concentrate.

 

Mining operations are not necessary if the ore and the environment allow for leaching. In this way you can dissolve the mineral and mineral-enriched solution was obtained.

 

Often the ore contains several valuable metals. In this case the waste of one process may be used as a raw material for another process.

Properties of metals

 

Metals in general have the following physical properties:

Hardness.

Sound conductivity.

The high melting point.

The high boiling point.

At room temperature metals are solid (with the exception of mercury, the only metal in liquid state at room temperature).

Polished metal surface glitters.

Metals - good conductors of heat and electricity.

Have a high density.

Applications of metal

Copper has high electrical conductivity and ductility. That is why it has found wide application in electric cables.

Gold and silver are very malleable, knitting and inert, and therefore are used in jewelry. Gold is also used for making electrical connections unoxidizable.

Iron and steel have the hardness and durability. Due to these properties, they are widely used in construction.

Aluminum kovok and a good conductor of heat. It is used to make pots and foil. Because of its low density - in the manufacture of aircraft parts

Alloys

 

The most commonly used alloys of aluminum, chromium, copper, iron, magnesium, nickel, titanium, and zinc. Much effort has been devoted to the study of alloys of iron and carbon. Plain carbon steel is used to create low-cost, high-strength products, the weight and corrosion are not critical.

 

Stainless or galvanized steel is used where corrosion resistance is important. Aluminum and magnesium alloys are used when required strength and lightness.

 

Copper-nickel alloys (such as monel) are used in corrosive environments and to make nenamagnichivaemyh products. Nickel-based superalloys (eg Inconel) are used at high temperatures (turbochargers, heat exchangers, etc.). At very high temperatures using single-crystal alloys.