» » Металлический материал в истории и техническом прогрессе
20.01.2015

Способность изготавливать материалы из имеющихся ресурсов является предпосылкой к превращению естественно-научных знаний в технику, необходимую для развития цивилизации. Получение и освоение материала с точки зрения умения управлять его свойствами и оптимально согласовывать их с нагрузками является ключом, с помощью которого при ответственности инженера можно претворить научные данные в жизнь.
Уже на ранней стадии развития человечества и в древние времена были известны важные естественно-научные правила и законы, которые создавали основные предпосылки для построения двигателей силовых и рабочих машин — орудий. Результаты исследовательской и познавательной деятельности тех времен, однако, ограничивались состоянием естественной науки — философии, так как отсутствовала теоретическая база для воплощения идей в соответствующие формы. Для этого нужно было сначала накопить технический опыт, знания и навыки, которые обеспечили бы создание соответствующих материалов для последующего культурного и технического развития.
Таким образом, для создания инструмента, приборов и оборудования человек мог сначала применять только те материалы, которые ему предлагала природа без применения физико-технических методов их подготовки. Наряду с деревом строительным материалом служил камень, отвечающий минимальным требованиям твердости, прочности и износоустойчивости для изготовления инструментов и оружия. Из металлов применялись те, добыча которых не требовала больших знаний и техники, т.е. металлы, встречающиеся в чистом виде, самородки или металлы, которые просто переводились из оксидного в металлическое состояние.
He случайно, что человек для реализации своих технических способностей сначала имел в распоряжении металлы, которые по своему расположению в электрохимическом ряду напряжений могут классифицироваться как благородные. Древнейшими металлами во временной последовательности являются золото и серебро, за ними следует медь. Благодаря добавлению относительно благородного, легко получаемого олова к меди появилась ранняя техника плавления, с помощью которой удалось снизить точку плавления бронзы по сравнению с точкой плавления чистой меди. Это значительно облегчило обработку этого сплава по сравнению с чистой медью прежде всего с помощью литья и ковки.
Положение металлов в электрохимическом ряду напряжений, пожалуй, оказало большее влияние на развитие человечества, чем многие другие события, которые выдвигаются историками на передний план: ведь человек начинал активно использовать тот или иной металл, лишь накопив определенную сумму знаний, овладев достаточным мастерством. Целые исторические эпохи характеризуются применявшимися материалами — камнем, бронзой, железом. Железо и цинк требовали более высокоразвитых металлургических способов и появились позднее; наконец были освоены неблагородные металлы, например алюминий и магний; произошло это лишь в прошлом столетии.
Приведем соотношение между электрохимическим рядом напряжений и началом применения некоторых металлов (по Хорнбогену — Варлимонту):
Металлический материал в истории и техническом прогрессе

Наряду с возможностями легирования эмпирическим путем уже в ранние исторические времена были развиты технические приемы по регулированию свойств материала, причем на передний план выдвигалось стремление к увеличению прочности. Отметим следующие вехи и в истории обработки материалов:
Металлический материал в истории и техническом прогрессе

Обработка материалов в давние времена была исключительно результатом чистого опыта и часто проходила под знаком мистики (интуиции) по строго охраняемым рецептам. Способ, разумеется, легко понятен с современной точки зрения. Так, "термообработка" мечей в органических веществах, например в навозе или в навозной жиже, создавала эффект, который мы сегодня могли бы классифицировать как "нитроцементацию".
Только научные разработки нового времени и появление соответствующих методов исследования с использованием новейших данных создали предпосылки для дальнейшего развития материала в строго научной систематике. Развитие материала с самых давних времен охарактеризовано оптимизацией способов его обработки, особенно благодаря целенаправленному приспособлению материалов к очень высоким и разнообразным требованиям, как сегодня это происходит в производстве и на предприятии. Разработки материалов последних лет распространяются от массового производства, например, микролегированных сталей, высококачественных плакированных материалов, материалов с направленной кристаллизацией, с монокристаллической структурой, композитных конструкций до материалов микроэлектроники и точной механики, а также металлов, обладающих памятью.
Связь между уровнем технологии обработки материала и создаваемой техникой в настоящее время стала еще более тесной. Оптимальный материал для детали или установки стал составной частью конструкции. Таким образом, необходимо в полной мере обладать возможностями для приспособления и управления материалом, чтобы прийти к техническим решениям, соответствующим заданным требованиям.
Тесная связь между техническим развитием и наличием подходящих материалов иллюстрируется всей историей техники с начала промышленного века. На переднем плане были материалы особенно на основе железа, занимающие и сегодня бесспорно ведущее место среди конструкционных материалов (90 % всех получаемых и промышленно используемых металлов).
Первые парогенераторы, сконструированные Джеймсом Уаттом, состояли в основном из листового проката пудлингового железа. Такие листы еще частично подвергались ковке, частично изготовлялись на прокатных станах, производительность которых, правда, была незначительной. Таким образом, эти первые парогенераторы должны были склепываться из многих отдельных прокатанных полос (Bahnen). Качество материалов и исполнение приводили еще в XIX в. к возникновению многих аварий, связанных со взрывами котлов. Лишь появление литой стали и мощных прокатных станов сделало возможным изготовление достаточно надежных парогенераторов.
Предпосылка для строительства железных дорог появилась после того, как в Англии в 1820 г. была запатентована прокатка сортового металла. Благодаря этому стало возможным изготавливать рельсы и балки в большом количестве и с одинаковой точностью, тогда как раньше такие изделия приходилось изготавливать ковкой. Развивающаяся техника требовала для своей реализации материалов с более высокой прочностью для того, чтобы можно было изготавливать мощные установки, например паровые турбины, тепловые двигатели и, наконец, газовые турбины.
Поставленные требования выполнялись с помощью сплавления и благодаря соответствующей термообработке и закалке. Так, были разработаны стали с улучшенной структурой благодаря легированию марганцем, кремнием, ванадием, никелем и молибденом. Конструкционные детали и поверхности, подвергавшиеся динамической нагрузке и износу, потребовали высокой твердости поверхности при вязкой сердцевине, что было достигнуто с помощью специальных сталей, которые пригодны для закалки на мартенсит и азотирования (нитрирования). Высокой термостойкости стали можно было добиться, в частности, благодаря добавлению карбидообразователей, например хрома, ванадия, молибдена, вольфрама, ниобия и титана.
При применении таких материалов с соответствующими параметрами при температурных нагрузках не исключены, однако, неудачи. Так, у определенных типов материалов наблюдалось наряду с жаропрочностью появление склонности к охрупчиванию, что вело к хрупким разломам. У крупных деталей, например у кованых рабочих колес турбин, склонность к охрупчиванию была особенно неприятна тогда, когда одновременно включения и примеси создавали в кованой детали концентрацию напряжений, которая могла привести к хрупким разрушениям и при разрыве колеса турбины вызывала под действием центробежной нагрузки повреждения с тяжелыми последствиями (рис. 1.1). Опасность внезапного появления хрупких изломов привела в последние десятилетия к развитию новой области знаний, механики разрушения.
В связи с развитием воздухоплавания и необходимостью создавать мощные самолеты появилась потребность в легких высокопрочных конструкционных материалах. Существенной предпосылкой к этому было открытие Вильма (1909 г.), который смог достигнуть увеличения твердости алюминия более чем на 500 % благодаря незначительным добавкам магния и меди и соответствующей термообработке. Полученный им так называемый дюралюминий был важной основой для развития самолетостроения из металла. Однако легкость конструкции при самых высоких требованиях не обязательно связана с применением легких металлов. В возрастающей мере в современных легких конструкциях применяются также и высокопрочные стальные сплавы, которые благодаря более высокой плотности также обеспечивают создание более легких конструкций. Это следствие того, что на передний план может выступать не плотность материала, а масса, которая необходима, чтобы выдерживать определенное статическое или динамическое напряжение, т.е. решающим для легкой конструкции является отношение E-модуля или предела текучести к массе.
Совершенствование газовых турбин и легко создаваемая и быстро вращающаяся турбина в качестве двигателя для самолетов демонстрируют еще раз тесную связь между возможностью технической реализации и наличием материалов. Реактивные двигатели для полетов самолетов строились уже в конце тридцатых и в начале сороковых годов в различных исполнениях, однако чаще всего они не имели достаточной мощности или были пригодны лишь для очень кратковременного применения, так как материалов с высокой термостойкостью, необходимой для экономической длительной эксплуатации, на тот момент не существовало (рис. 1.2).
Металлический материал в истории и техническом прогрессе

Газотурбинные лопасти выполнялись вначале из высоколегированных хромо-никелемолибденовых материалов, которые, кроме того, содержали тантал (ниобий), кремний и марганец. С увеличением содержания никеля возникли так называемые суперсплавы, т.е. материалы на никелевой основе. Они обладают сегодня при использовании знаний о механизмах дисперсионного твердения термостойкостью при постоянной эксплуатации почти до 1000 °С. Требующийся коэффициент полезного действия и необходимость повышения мощности способствуют, однако, дальнейшему развитию материалов и появлению направленно затвердевших сплавов (рис. 1.3) и композиционных лопастей (рис. 1.4) в сочетании с прогрессивными технологиями нанесения покрытий.
Говоря о развитии и исследовании материала, нельзя не включить в рассмотрение область химических установок и техники для обеспечения процессов. Здесь безопасное превращение химических реакций в мощные технологические процессы стало возможным только благодаря изготовлению сталей, устойчивых к давлению водорода, и сталей, обладающих максимальной надежностью и сопротивлением удельным коррозионным перегрузкам. С техникой изготовления тесно связано развитие инструментальных материалов для режущих, вытяжных и пробивных инструментов, а также инструментов для горячей обработки.
Развитие материалов включает наряду с развитием специальных сплавов также развитие и оптимизацию техники плавки и литья, а также технику процессов ковки и термообработки. Важным требованием для использования возможностей материала является высокая степень его чистоты. Так, из-за недостаточной степени чистоты материала его фактическое поведение в технологии производства может быть ниже технических возможностей.
Особые требования выдвигаются вследствие увеличения размеров в тяжелом машиностроении. Так, для валов в строительстве турбогенераторов необходимо иметь в распоряжении слитки массой 400 и 500 т, которые обладали бы максимальной равномерностью по качеству и отсутствием дефектов
Металлический материал в истории и техническом прогрессе