книги / Проблемы науки о материалах и развитие высоких технологий в России

сказал И. Пригожин, нобелевский лауреат, автор теории нестабильности. На будущий сценарий развития могут повлиять

иэкономические кризисы, и действия отдельных людей, и научные открытия, и различные катастрофы. Среди версий нашего будущего – стабилизация численности населения и продолжение роста с широким выходом в космос. С каким числом людей может справиться планета, зависит от уровня потребления. По мере развития наших знаний и успехов технологии количество людей, комфортная жизнь которых не истощает природу, может составить несколько миллиардов. Не исключена

идругая, худшая версия − всемирный конфликт с применением оружия массового поражения (ОМП). И здесь могут быть разные варианты: или часть людей сохранится и цивилизация возродится, или генофонд человека будет безнадежно испорчен

(рис. 5).

Рис. 5. Рост населения и некоторые возможные варианты будущего

Принципиальная особенность такой сложной системы, как цивилизация, состоит в том, что цивилизация обладает интеллектом, способна анализировать свое развитие и, казалось бы, влиять на него. Правда, это влияние затруднено противоречи-

11

выми устремлениями людей, и неясно, сумеем ли мы «спроектировать» будущее и устроить стабильную жизнь на Земле или возобладает стихийный путь развития? Что будет способствовать скатыванию к катастрофе?

Причиной многих катастроф – от войн до преждевременной смерти миллионов людей от голода и недостаточной медицинской помощи – является в значительной мере сам человек, его менталитет. Легко заметить, что конфликты – характерная черта жизни человека. По словам Н.А. Бердяева, «Война происходит среди людей – война семейств, война классов и сословий, война внутри социальных групп, война наций и государств, и, наконец, есть не меньшая склонность людей к войнам вероисповедальным и идеологическим».

Однако многие пороки человеческой цивилизации связаны с нищетой подавляющей ее части, что требует интенсивного развития производительных сил и, соответственно, производства новых материалов.

Множество различных материалов используется в строительстве, производстве машин, приборов и оборудования. Строго подсчитать их число практически невозможно, потому что непрерывно создаются новые и прекращается применение устаревших (рис. 6). Часто эти материалы, называемые конструкционными, имеют узкофункциональное назначение: металлы с особыми электрическими и магнитными свойствами, демпфирующие, с памятью формы и др. Конструкционные материалы характеризуются двумя главными параметрами – прочностью и пластичностью (вязкостью). Первый обеспечивает в основном надежность работы материала, второй – его способность к формообразованию. Как правило, чем выше прочность, тем ниже пластичность. Естественно, широкое применение находит только тот материал, у которого уровень обоих этих параметров достаточно высок.

12

ются от современных керамических и композиционных низкой стоимостью. Удельная энергоемкость производства даже высококачественной нержавеющей стали почти в пять раз меньше, чем у известных углепластиков. Еще одно достоинство большинства металлических материалов – возможность их многократной регенерации. Так что хорошие конструктивные свойства, низкие удельная энергоемкость и цена долго будут определять приоритет металлов и сплавов. Однако наука может многое изменить.

В странах СНГ металлы (сталь, алюминий, титан) составляют в конструкциях 95–96 %; в США, Японии и европейских государствах – 90–92 %, там большее распространение получили полимеры.

В табл. 1 приведена структура производства основных материалов в мире в 1995 г.

15

Глава 2

МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ

2.1. Строение и свойства стали

Сталь – сплав железа с углеродом и неизбежными примесями марганца, кремния, серы, фосфора и других элементов. Обычные сорта стали, применяемые в машиностроении, содержат от 0,05 до 1,5 % углерода.

Железо – основной элемент стали. В твердом состоянии оно может находиться в двух модификациях: альфа (α) и гам-

ма (γ).

Имеющее кубическую объемно-центрированную решетку α-железо существует в двух интервалах температур: ниже 911

иот 1392 до 1535 °С. Высокотемпературная модификация α-железа обозначается как δ-железо; различное обозначение введено с целью отличить высокотемпературную и низкотемпературную модификации железа. В температурном интервале 911–1392 °С устойчива гранецентрированная решетка γ-железа.

Уrлерод является вторым основным элементом, определяющим как структуру, так и свойства стали, ее прочность

иповедение при эксплуатации и в производстве.

Примеси, присутствующие в стали, можно разделить на следующие четыре группы:

постоянные или обыкновенные примеси – марганец,

кремний, фосфор и сера, если их содержание находится в преде-

лах 0,3–0,7 % Мn, 0,2–0,4 % Si, 0,01–0,05 % Р и 0,01–0,05 % S;

скрытые примеси – кислород, водород и азот, присутствующие в любой стали в очень малых количествах;

случайные примеси, например мышьяк, свинец и другие элементы, переходят в сталь благодаря тому, что они содержатся в рудах или сырых материалах или связаны с определенным технологическим процессом производства стали;

16

PNRPU

специальные примеси (легирующие элементы) вводят в состав стали с целью получения нужных по условиям службы деталей свойств стали. Сталь, в состав которой входят специальные примеси, называют легированной.

Диаграмма состояния железо–углерод

Фазовое состояние железоуглеродистых сплавов в зависимости от состава и температуры описывается диаграммами стабильного и метастабильного равновесия. При стабильном равновесии равновесной высокоуглеродистой фазой является графит, а при метастабильном – цементит.

В пределах (0,0–6,7 % С) наблюдается неограниченная растворимость углерода в железе в жидком состоянии (рис. 8). В твердом состоянии растворимость углерода ограниченна

исущественно зависит от того, в какой кристаллической форме существует железо. Соответственно трем полиморфным модификациям железа различают три твердых раствора углерода в железе: α-раствор (α-феррит), γ-раствор (аустенит) и δ-раст- вор (δ-феррит). Все они являются растворами типа внедрения. Растворимость углерода в твердом железе небольшая: до 2 % в аустените, до 0,1 % в δ-феррите и до 0,02 % в α-феррите.

Линия ECF (1130 °С) – геометрическое место критических точек превращения жидкого сплава при охлаждении в ледебурит и при нагревании последнего в жидкий сплав.

Линия PSK (723 °С) – геометрическое место критических точек Аr1 при охлаждении (превращение аустенита в перлит)

иАс1 при нагревании (превращение перлита в аустенит). Линия MO (768 °С) – геометрическое место критических точек

Аr2 при охлаждении (превращение железа α-немагнитной модификации в железо α-магнитную модификацию) и Ас2 при нагревании.

Линия GS – геометрическое место критических точек Аr3 при охлаждении (переход железа γ в железо α) и Ас3 (α → γ).

17

На участке OS совпадают точки Аr3, Аr2, Ас3 и Ас2; на участке SK совпадают точки Аr3, Аr2, Аr1 и Ас3, Ас2, Ас1.

Рис. 8. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов (структурные составляющие и фазы указаны для системы Fe–Fe3C)

Линия SE – геометрическое место критических точек Аrcm при охлаждении (начало выделения вторичного цементита из аустенита) и Асcm при нагревании (окончание растворения вторичного цементита в аустените).

18

Структуры и свойства стали

Равновесные структуры (табл. 2) образуются при мед-

ленном охлаждении из γ-области в соответствии с условиями равновесия диаграммы состояния.

Таблица 2

Строение и свойства равновесных структур сплавов железо–углерод

19

Продолжение табл. 2

20