Одни стали не ржавеют, а другие прекрасно работают при высоких температурах. Есть керамика из которой делают унитазы, а есть керамические элементы защиты, которые устанавливают в дверь автомобиля, чтобы при ударе их разрушение рассевало энергию удара.
Нужный материал инженеры выбирают по таблицам свойств (тут можно пошутить про инженеров и таблицы). Но что делать, если материала с нужными свойствам не существует, а он нужен для реализации той или иной идеи? Кончено же, следует разработать новый материал! Вот только как это вообще делается?
Понятно, что в статье мы не сможем разобрать все подходы, используемые при разработке новых материалов с заданными свойствами, но я постараюсь описать несколько базовых моментов.
Как я уже неоднократно рассказывал, большую часть свойств материала определяет его структура. Материаловедение вообще позиционируется как наука, которая определяет связь структуры со свойствами.
Два принципиальных подхода
Представим себе ситуацию, что есть у нас некоторая сталь (что сплавы, что керамики, что даже полимеры разрабатываются схожим образом), которая не дотягивает до нужных значений по твёрдости.
Варианта развития событий у ученого тут может быть, как минимум, два.
- Взять уже известную сталь и изучить её структуру, проанализировав причину формирования высокой твёрдости, а потом попытаться усилить эти свойства, используя уже известных подход.
- Предложить принципиально новый подход, ориентируясь на условия предполагаемой работы и обозначенный диапазон свойств.
В руках разработчика есть множество инструментов. Термическая обработка, изменение химического состава, химико-термическая обработка, прочие виды обработки, использование стандартных физических принципов и знание химии. Список тут далеко не полный. Остаётся создать "базу" и применить методику.
Логика примерно такая же, как при постройке дома. Мы знаем, что зимой на крыше скапливается снег, значит логично сделать крышу со скатами. Всё это тяжелое, значит нужен хороший каркас. Каркас нельзя сделать просто из вертикальных палок, так как всё это может "сложиться". Нужно делать укосины. При этом мы знаем, что дом придётся в итоге красить, а делать его из пластика опасно. Это пример учёта необходимых в дальнейшем дополнительных операций типа ХТО.
Добавить то, что уже сработало
Проще использовать первый способ. Берём мы железоуглеродистую сталь и видим, что высокие значения твёрдости достигнуты в результате проведения закалки. Иглы мартенсита пронизывают решетку железа и формируют высокую твёрдость. Можно попробовать увеличить количество мартенсита или изменить параметры формируемых игл. Значит можно варьировать количество углерода или изменять режим закалки (тут полезная статья на моём канале про закалку).
Полезно знать, что при создании нового материала используется самая обычная "физическая" логика. В структуре материала работает и правило рычага, и закон сохранения, и правило про медиану треугольника, и многое-многое другое. Их активно используют при разработке.
Физика и механика на микроуровне продолжают работать
Если нужно остановить дислокации, в виду движения которых и ломается обычно образец, то можно построить на их пути самый обычный физический барьер. Только делать это придётся на микроуровне. Например, увеличить количество зёрен в структуре и соответственно поставить на пути движения дислокаций физические заслоны.
Понятно, что слово "дислокация" знают не все, но пример тут приведен скорее для того, чтобы продемонстрировать принцип подобия физики процессов.
Что в макромире можно поставить на пути движущейся машины стену, что на микроуровне можно поставить на пути дислокации границу зерна. Эффект будет одинаковый. Остаётся лишь найти доступные на микроуровне способы влияния на механику таких процессов. А это могут быть включения, границы зёрен, различного рода дефекты и тому подобное.
Химия в деле!
Работает и химия. Например, если нужно улучшить нержавеющие свойства, то нужно сделать пленку на поверхности материала более стойкой к внешним воздействиям агрессивной среды. Во многих случаях в сталь добавляют хром, оксид которого на поверхности активно противостоит агрессивной среде. Про нержавейку подробно рассказывалось тут, советую прочитать.
Нужно учитывать важную вещь - нельзя просто увеличивать содержание хрома или другого элемента без влияния на остальные свойства. Просто добавить много того, что улучшает свойства не поможет. Изменение состава приведет к изменению структуры. Принцип "кашу маслом не испортить" тут не работает.
Все модификации нужно рассматривать только в комплексе и простого пути тут нет. Нельзя просто добавить некоторый полезный элемент и ожидать, что структура никак не поменяется.
Материал, который хорошо защитит от удара
Если нужно спроектировать материал, который будет хорошо защищать от удара, то используется логика закона сохранения энергии. Разрушение материала рассеивает энергию удара.
Та механическая энергия, которая была накоплена и передана при ударе, расходуется на разрушение и не доходит до объекта защиты. Такая логика используется сейчас при разработке кузовов автомобилей. Материаловедам же нужно тут подбирать такие свойства, чтобы разрушение материала требовало много энергии. Например, хорош ос задачей справится пористая керамика.
Создание функциональных свойств
Стоит сказать пару слов и про функциональные свойства. Например, если нам нужно сделать полимерное покрытие для пола, которое будет обладать электропроводностью, то можно использовать старый добрый фокус - насыпать стружку металла в компаунд. Такие полы не будут электризоваться.
На уровне структуры функциональные свойства тоже можно варьировать. Например, увеличение размера зерна у стального образца улучшает его прокаливаемость.
Придумывать новое, а не раскачивать старое
Мы ещё упомянули про принципиально новые подходы, а не работу с уже найденным рецептом.
Такие решения частенько получаются случайно. Например, вулканизация резины была разработана в результате того, что чашка Петри с компаундом была случайно оставлена в работающей печи. На выходе мы получили сшитую структуру, а способ вулканизации сегодня очень активно используется на практике.
Бывает, что некоторые свойства и специфику их формирования можно предсказать. Например, использование логики сфероидизации работает что в чугуне, что в других материалах. Значит, в некоторых случаях нужно стремиться к созданию включений правильной формы, а не пытаться например увеличивать содержание того или иного функционального компонента.
⚠ Обязательно подписывайтесь на канал, тыкайте лайк 👍 и возвращайтесь за обновлениями!
🔹 Не забывайте читать новые статьи на сайте!
🔹 Следите за моим каналом на YouTube