История науки Реферат. 1. Роль науки в развитии человечества 1 Социальные и психологические особенности науки 1,2,3 5,6
 Скачать 194 Kb.
|
|
2. История металловедения [14,15,16,17,18] Металловедение - наука, изучающая связи состава, строения и свойств металлов и сплавов, а также закономерности их изменения при тепловых, механических, физико-химических и др. видах воздействия. Металловедение - научная основа изысканий состава, способов изготовления и обработки металлических материалов с разнообразными механическими, физическими и химическими свойствами. Уже народам древнего мира было известно получение металлических сплавов (бронзы и др.), а также повышение твёрдости и прочности стали посредством закалки. Как самостоятельная наука металловедение возникло и оформилось в 19 в. под названием металлографии. Термин «Металловедение» введён в 20-х гг. 20 в. в Германии, причём было предложено сохранить термин «металлография» только для учения о макро- и микроструктуре металлов и сплавов. Во многих странах металловедение по-прежнему обозначают термином «металлография», а также называют «физической металлургией». Возникновение металловедения как науки было обусловлено потребностями техники. В 1831 П.П. Аносов, разрабатывая способ получения булата, изучал под микроскопом строение отполированной поверхности стали, предварительно протравленной кислотой. В 1864 Г.К. Сорби произвёл подобные же исследования микроструктуры железных метеоритов и образцов стали, применив при этом микрофотографию. В 1868 Д.К. Чернов указал на существование температур, при которых сталь претерпевает превращения при нагревании и охлаждении (критические точки). Эти температуры измерил Ф. Осмонд (1888) при помощи термоэлектрического термометра, изобретённого А. Ле Шателье. У. Робертс-Остен (Великобритания) исследовал методами термического анализа и микроструктуры нескольких двойных металлических систем, в том числе железоуглеродистые сплавы (1897). Его результаты критически пересмотрел в 1900 с точки зрения фаз правила, теоретически выведенного Дж.У. Гиббсом (1873-76), Г.В. Розебом. Ле Шателье значительно улучшил технику изучения микроструктуры. Н.С. Корнаков сконструировал самопишущий пирометр (1903) и на основе изучения ряда металлических двойных систем совместно с сотрудниками (С.Ф. Жемчужным, Н.И. Степановым, Г.Г. Уразовом и др.) установил закономерности, явившиеся основой учения о сингулярных точках и физико-химического анализа. С 1903 диаграммы состояния металлических сплавов изучал Г. Тимман с сотрудниками. В России А.А. Бойков исследовал явления закалки сплавов (1902), значительно улучшил методику металловедения введением автоматической записи дифференциальных кривых нагревания и охлаждения (1910) и травления микрошлифов при высокой температуре (1909). Бойков основал в Петербургском политехническом институте первую в России учебную лабораторию металловедения, в которой работали Н.Т. Гудцов, Г.А. Кащенко, А.П. Славинский, В.Н. Свечников и др. Пионерами применения металловедения в заводской практике были А.А. Ржешотарский, создавший лабораторию металловедения на Обуховском заводе (1895), и Н.И. Беляев, основавший такую же лабораторию на Путиловском заводе (1904). В 1908 А. Бочвар организовал в Высшем техническом училище первую в Москве металлографическую лабораторию, в которой работали И.И. Сидорин, А.А. Бочвар и др. специалисты в области металловедения цветных металлов. В 1918 А. Портевен и Гарвен (Франция) установили зависимость критических точек стали от скорости охлаждения. С 1929-30 начались исследования превращений в стали в изотермических условиях (Э. Давенпорт и Э. Бей, Р. Мейл в США, С.С. Штейнберг, Н.А. Мицкевич в СССР, Ф. Вефер в Германии и др.). Одновременно развивалась физическая теория кристаллизации металлов, экспериментальные основы которой были заложены в начале 20 в. Тимманом (Я.И. Френкель, В.И. Данилов в СССР, Фольмер в Германии, И. Странский в Болгарии). Исключительную роль в развитии металловедения играл, начиная с 20-х гг. 20 в., рентгеноструктурный анализ, который позволил определить кристаллическую структуру различных фаз, описать её изменения при фазовых переходах, термической обработке и деформации (структуру мартенсита, изменения структуры твёрдых растворов при их распаде и т.д.). В этой области важнейшее значение имели работы Г.В. Курдюмова, С.Т. Конобеевского, Н.В. Агеева и др., а за рубежом - А. Вестгрена (Швеция), У. Юм-Розери (Великобритания), У. Делингера, В. Костера (Германия) и др. Курдюмов, в частности, разработал теорию закалки и отпуска стали, а также исследовал основные типы фазовых превращений в твёрдом состоянии («нормальные» и мартенситные). В 20-х гг. А.Ф. Иоффе и Н.Н. Давыденков положили начало теории прочности кристаллов. Теория фазовых превращений, изучение атомно-кристаллического и электронного строения металлов и сплавов, природы механических, тепловых, электрических и магнитных свойств металлов были новыми этапами в истории металловедения как пограничной науки между физической химией и физикой твёрдого тела. Развитие металловедения во 2-й половине 20 в. характеризуется значительным расширением методических возможностей. Кроме рентгеноструктурного анализа, для изучения атомно-кристаллического строения металлов применяют электронную микроскопию, которая позволяет изучать локальные изменения строения сплавов, взаимное расположение структурных составляющих и несовершенства кристаллического строения. Существенное значение имеют методы электронной дифракции, нейтронографии, радиоизотопных индикаторов, внутреннего трения, микрорентгеноспектрального анализа, калориметрии, магнитометрии и др. Металловедение условно разделяется на теоретическое, рассматривающее общие закономерности строения и процессов, происходящих в металлах и сплавах при различных воздействиях, и прикладное (техническое), изучающее основы технологических процессов обработки (термическая обработка, литьё, обработка давлением) и конкретные классы металлических материалов. Основные разделы теоретического металловедения: теория металлического состояния и физических свойств металлов и сплавов, кристаллизация, фазовые равновесия в металлах и сплавах, диффузия в металлах и сплавах, фазовые превращения в твёрдом состоянии, физическая теория процессов пластической деформации, упрочнения, разрушения и рекристаллизации. Содержание теоретического металловедения в значительной мере связано с металлофизикой. Теория металлического состояния рассматривает металл как совокупность электронов, движущихся в периодическом поле положительных ионов. На основе учёта сил межатомного взаимодействия оценена теоретическая прочность металлических монокристаллов, которая в 100-1000 раз больше практической. Электрическое сопротивление металлов рассматривается как следствие нарушений идеального расположения атомов в кристаллической решётке, обусловленных её колебаниями, наличием статических дефектов и примесей. В зависимости от особенностей межатомного взаимодействия возникают различные фазы: упорядоченные твёрдые растворы, электронные соединения, фазы внедрения, сигма-фазы и т.д. Развитие электронной теории металлов и сплавов сыграло большую роль в создании сплавов с особыми физическими свойствами (сверхпроводящих, магнитных и др.). Кристаллизация металлов характеризуется большими значениями скорости зарождения центров кристаллизации и скорости роста кристаллов при малом интервале переохлаждений, в котором происходит затвердевание. Строение реального металлического слитка определяется закономерностями кристаллизации, условиями теплоотвода, а также влиянием примесей. Механизм эвтектической кристаллизации сплавов был изучен А.А. Бочваром (1935). Один из важнейших разделов теоретического металловедения - изучение фазовых равновесий в сплавах. Построены диаграммы состояния для многих двойных, тройных и более сложных систем и установлены температуры фазовых переходов. При определённых условиях (например, быстром охлаждении) могут возникать метастабильные состояния с относительным, при данных термодинамических условиях, минимумом свободной энергии. Наиболее важные примеры таких состояний - мартенсит стали и пересыщенные твёрдые растворы металлов (например, Al - Cu). Кинетика фазовых превращений и условия возникновения метастабильных состояний определяются степенью отклонения системы от равновесия, подвижностью атомов (характеристики диффузии), структурным и химическим соответствием возникающих и исходных фаз. Превращения в твёрдом состоянии (фазовые превращения) в условиях сильного межатомного взаимодействия в кристаллических фазах сопровождаются возникновением полей напряжений. При некоторых условиях и наличии полиморфных модификаций наблюдается упорядоченная перестройка кристаллической решётки на границе фаз (мартенситное превращение). В области температур, при которых быстро происходят релаксационные процессы, образование кристаллов новой фазы может протекать путём неупорядоченных диффузионных переходов отдельных атомов («нормальное» превращение). Для металловедения железных сплавов большое значение имеют кинетические диаграммы превращений аустенита. В металлических сплавах часто протекают процессы распада пересыщенных твёрдых растворов. Во многих случаях наиболее существенные изменения свойств происходят до возникновения при распаде второй фазы. Рентгенографические исследования показали, что эти изменения связаны с процессами перераспределения атомов в решётке матрицы, образованием обогащенных зон внутри матрицы. Равновесия и кинетика фазовых превращений могут в значительной мере изменяться в результате воздействия высоких давлений. В связи с проявлением сил химического взаимодействия между атомами различных элементов в ненасыщенных твёрдых растворах могут также происходить процессы перераспределения атомов элементов. Упорядоченное расположение атомов в определённых узлах кристаллической решётки возникает в твёрдых растворах замещения (например, Cu - Al) и внедрения (мартенсит, Ta - О и т.д.). В некоторых случаях появляются внутрифазовые неоднородности - сегрегации. Существенное значение для развития металловедения имеет физическая теория пластической деформации и дефектов кристаллического строения. Расхождение между теоретически вычисленными и наблюдаемыми на опыте значениями прочности привело в 1933-34 к предположению о наличии в кристаллах особых дефектов (несовершенств) - дислокаций, перемещение которых под действием сравнительно малых сил осуществляет пластическую деформацию. Экспериментальные исследования, проведённые различными методами и особенно дифракционной электронной микроскопией тонких фольг, подтвердили наличие дислокаций. Методы внутреннего трения и др. позволили выяснить роль точечных дефектов (вакансий). Наличие вакансий влияет на физические свойства кристаллов и играет важную роль в диффузионных процессах при термообработке, отдыхе металлов, рекристаллизации металлов, спекании и т.д. Изучение свойств бездефектных нитевидных кристаллов доказало правильность теоретической оценки прочности. В практически важных случаях повышение прочности достигается увеличением плотности дислокаций (например, пластической деформацией, мартенситным превращением при закалке или их сочетанием). Примеси могут скапливаться у дислокаций и блокировать их. Одно из наиболее ярких проявлений влияния реальной структуры на процессы в металлах и сплавах - различия в скорости диффузии и распределении элементов по границам и объёму поликристаллов. В некоторых случаях очень малые примеси изменяют скорость граничной диффузии. Поскольку многие процессы распада твёрдых растворов начинаются преимущественно в приграничных областях, малые примеси могут существенно изменять кинетику этих процессов и конечную структуру. Взаимодействие дислокации с примесями внедрения (в железе - углерод и азот) - одна из главных причин хладноломкости металлов с объемно-центрированной кубической решёткой. Движением и взаимодействием дислокаций определяется протекание упрочнения металлов, разупрочнения, ползучести, полигонизации, рекристаллизации и др. процессов. Наиболее эффективные средства изменения структуры и свойств металлических материалов - легирование, термическая обработка, поверхностное упрочнение, химико-термическая обработка, термомеханическая обработка. Содержанием прикладного (технического) металловедения является изучение состава, структуры, процессов обработки и свойств различных конкретных классов металлических материалов (например, железоуглеродистых сплавов, конструкционной стали, нержавеющей стали, жаропрочных сплавов, алюминиевых сплавов, магниевых сплавов, металлокерамики). В связи с развитием новых областей техники возникли задачи изучения поведения металлов и сплавов при радиационных воздействиях, весьма низких температурах, высоких давлениях и т.д. 3. Тенденции развития материаловедения Рассмотрим перспективы развития материаловедения на примере нанотехнологий. 3.1. Что такое нанотехнологии [19,20] Нанотехнология - область прикладной науки и техники, занимающаяся изучением свойств объектов и разработкой устройств размеров порядка нанометра (по системе единиц СИ, 10 -9 метра). Нанотехнология качественно отличается от традиционных инженерных дисциплин, ибо на таких масштабах привычные, макроскопические технологии обращения с материей зачастую не имеют смысла, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул, квантовые эффекты. Нанотехнология ныне находится в начальной стадии развития. Тем не менее, проведенные исследования уже сейчас дают практические результаты. За применение передовых научных исследований, нанотехнологию относят к высоким технологиям. При работе с такими малыми размерами проявляются квантовые эффекты и эффекты межмолекулярных взаимодействий, такие как Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия. Нанотехнология, и, в особенности, молекулярная технология - новые области, очень мало исследованные. Развитие современной электроники идёт по пути уменьшения размеров устройств. Однако классические методы производства подходят к своему естественному экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается не на много, зато экономические затраты возрастают экспоненциально. 3.2. История нанотехнологий [21,22] Первое упоминание о методах, которые впоследствии назовут нанотехнологией, сделал Ричард Фейнман в 1959 году в своей знаменитой речи "Там внизу полно места" ("There's Plenty of Room at the Bottom"). Он предположил, что возможно перемещать атомы отдельно, механически, при помощи манипулятора соответствующих размеров. Этот манипулятор он предложил делать следующим способом. Необходимо построить механизм, создававший бы свою копию, только на порядок меньшую. Созданный меньший механизм должен опять создать свою копию, опять на порядок меньшую и так до тех пор, пока размеры механизма не будут соизмеримы с размерами порядка одного атома. При этом необходимо будет делать изменения в устройстве этого механизма, так как силы гравитации, действующие в макромире будут оказывать все меньшее влияние, а силы межмолекулярных взаимодействий и Ван-дер-Ваальсовы силы будут все больше влиять на работу механизма. Последний этап - полученный механизм соберёт свою копию из отдельных атомов. Принципиально число таких копий неограниченно, можно будет за короткое время создать любое число таких машин. Эти машины смогут таким же способом, поатомной сборкой собирать макровещи. Это позволит сделать вещи на порядок дешевле - таким роботам (нанороботам) нужно будет дать только необходимое количество молекул и энергию, и написать программу для сборки необходимых предметов. До сих пор никто не смог опровергнуть эту возможность, но и никому пока не удалось создать такие механизмы. Впервые термин "нанотехнология" употребил Норио Танигути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий размеров порядка нанометров. В 1980-х годах этот термин использовал Эрик К. Дрекслер, особенно в своей книге "Машины создания: грядёт эра нанотехнологии" ("Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology"), которая вышла в 1986 году. Этим термином он называл новую область науки, которую он исследовал в своей докторской диссертации в Массачусетском Технологическом Институте (МТИ). Результаты своих исследований он впоследствии опубликовал в книге "Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation". Главную роль в его исследованиях играли математические расчёты, поскольку с их помощью до сих пор можно проанализировать предположительные свойства и разработать устройства размеров порядка нанометров. В основном сейчас рассматривается возможность механического манипулирования молекулами и создание самовоспроизводящихся манипуляторов для этих целей. Как уже было сказано, это позволит многократно удешевить любые существующие продукты и создать принципиально новые, решить все существующие экологические проблемы. Также такие манипуляторы имеют огромный медицинский потенциал: они способны ремонтировать повреждённые клетки человека, что приводит фактически к реальному техническому бессмертию человека. С другой стороны, создание наноманипуляторов может привести к сценарию "серой жижи". Также предполагают возможным сценарий, когда определённая группа людей получает полное управление над таким манипулятором и использует его, чтобы полностью утвердить свою власть над другими людьми. Если этот сценарий осуществится, получится идеальная монополия, которую, по-видимому, невозможно будет уничтожить. В России с 1994 года развивается проект "Искусственный интеллект и нанотехнология в контексте Русской Идеи". В проекте рассматриваются проблем технологического прорыва России, национальной безопасности и воспитания нового поколения инженеров. 3.3. Новейшие достижения в области нанотехнологий [22,23,24] Рассмотрим основные новейшие достижения в различных облачтях науки. Графен. В октябре 2004 года в Манчестерском университете (The University Of Manchester) было создано небольшое количество материала, названного графен. Роберт Фрейтас (Robert Freitas) предполагает, что этот материал может служить подложкой для создания алмазных механосинтетических устройств. Геомодификаторы. 10 августа 2004 года, зарегистрирован патент № 2264440 на способ формирования антифрикционного покрытия трущихся поверхностей, основанный на использовании специального состава-геомодификатора трения: "композиции силикатно-керамической", торговая марка "MEGAFORCE". КСК вводится между трущимися поверхностями при помощи носителя (масла, консистентные смазки, фреон, антифризы, и т. д.). В результате чего, в процессе эксплуатации, на поверхностях трения образуется слой металлокерамики, составляющий с поверхностью детали единое целое. Компоненты состава обладают всеми свойстваими наночастиц, в том числе саморегуляцией процессов образования металлокерамики, в зависимости от состояния поверхности. Транзистор из нанотрубок. 23 августа 2004 года в Стенфордском университете (Stanford University) удалось создать транзистор из одностенных углеродных нанотрубок и некоторых органических материалов. Нанотрубки играли роль электродов, а помещенный между ними органический материал - полупроводника. Это устройство имело длину 3 нанометра и ширину 2 нанометра. Новый процессор Intel. 1 марта 2005 года сайт news.com сообщил, что компания Intel создала прототип процессора, содержащего наименьший структурный элемент размерами примерно 65 нм. В дальнейшем компания намерена достичь размеров структурных элементов до 5 нм. Данный прототип использует комплементарные металл-оксидные полупроводники, но в дальнейшем компания намерена перейти на новые материалы, такие как квантовые точки, полимерные пленки и нанотрубки. Плазмон .На сайте PhysOrg.com сообщается о перспективах использования плазмонов. Плазмоны - коллективные колебания свободных электронов в металле. Характерной особенностью возбуждения плазмонов можно считать так называемый плазмонный резонанс, впервые предсказанный Ми в начале 20-го века. Длина волны плазмонного резонанса, например, для сферической частицы серебра диаметром 50 нм составляет примерно 400 нм, что указывает на возможность регистрации наночастиц далеко за границами дифракционного предела (длина волны излучения много больше размеров частицы). В начале 2000-го года, благодаря быстрому прогрессу в технологии изготовления частиц наноразмеров, был дан толчок к развитию новой области нанотехнологии - наноплазмонике. Оказалось возможным передавать электромагнитное излучение вдоль цепочки металлических наночастиц с помощью возбуждения плазмонных колебаний. Антенна-осциллятор. Дальнейшие исследования направлены на создание осцилляторов для телекоммуникаций. 9 февраля 2005 года сообщается, что в лаборатории Бостонского университета была получена антенна-осциллятор размерами порядка 1 мкм. Это устройство насчитывает 50 миллионов атомов и способно осциллировать с частотой 1,49 гигагерц. Это позволит передавать с ее помощью большие объемы информации. Нанокомпьютер. В настоящее время многие исследователи ведут работу над созданием нанокомпьютера. Наноаккумулятор. В начале 2005 года компания Altair Nanotechnologies (США) объявила о создании инновационного материала для электродов литий-ионных аккумуляторов. Аккумуляторы с Li4Ti5O12 электродами имеют время зарядки 10-15 минут. В феврале 2006 г. компания начала производство аккумуляторов на своём заводе в Индиане. В марте 2006 Altairnano и компания Boshart Engineering заключили соглашение о совместном создании электромобиля. В мае 2006 успешно завершились испытания автомобильных наноаккумуляторов. В июле 2006 Altair Nanotechnologies получила первый заказ на поставку литий-ионных аккумуляторов для электромобилей. Заказ поступил от компании Phoenix Motorcars (США). Phoenix Motorcars Phoenix планирует произвести 10 электромобилей в 2006 , 500 штук в 2007, 5000 в 2008, 20000 в 2009, 50000 в 2010 и 100000 в 2011 году. |