Как получить материал с нужными свойствами?

От чего зависят свойства материала? Всегда ли у образцов одного и того же металла (например, у 100 стальных гвоздей) одинаковая прочность, твердость, коррозионная стойкость? Меняются ли свойства изделия со временем или в процессе работы?

Свойства материала при определенных внешних условиях зависят от его состава и структуры. В технике очень редко используют чистые элементы, простые вещества. Как правило, мы имеем дело со сплавами, композиционными материалами и т.д. Меняя состав сплава, добавляя новые элементы можно менять свойства целого класса материалов (например, сталей) в очень широких пределах. Так, в самых простых углеродистых сталях, где кроме железа может содержаться только углерод (не более 2% по массе) изменение количества углерода на 0,3-0,4% может привести к изменению предела прочности стали в два раза: с ~300 МПа для Ст1 до ~600МПа для Ст5.

А если состав одинаков? Оказывается, не менее важную роль играет структура материала. Понятие структуры может быть достаточно широким. На самом глубоком уровне это атомная структура. Наиболее очевидный пример влияния атомного строения на свойства материала – две модификации углерода, графит и алмаз. Различие в их свойствах происходит от разного взаимного расположения атомов в кристаллических решетках.

Следующий уровень – микроструктура. Значительная часть материалов, используемых в технике, кристаллические. Но деталь состоит не из одного кристалла, а из множества отдельных кристалликов, которые могут иметь разные размеры, форму и ориентировку друг относительно друга (см. рис.1) Уменьшение размеров кристалликов (зерен), например, приводит к упрочнению материала. Если зерна в материале ориентированы произвольно, свойства его достаточно однородны. Если же решетки отдельных кристалликов расположены похожим образом, то усиливается свойственная кристаллическим телам анизотропия, и свойства образца в разных направлениях могут отличаться очень существенно.

Не менее важную роль играет и состояние структуры: наличие в ней дефектов: макроскопических (например, усадочных раковин в литых сплавах) и дефектов кристаллического строения, приводящих к смещению атомов из равновесных положений, что также оказывает существенное влияние на свойства материала.

Рисунок 1. – Изображение нанозерен в частице стронциевого феррита.

Увеличение – 150 000.

Поэтому ни один материал в технике не используется в таком виде, в котором его изготавливают, а проходит, как правило, целый цикл обработок, направленных на получение определенного размера и нужной ориентировки зерен (текстуры), требуемого уровня дефектности и т.д. Так что, сделанные из одного материала, но по разной технологии, одинаковые на вид детали могут существенно отличаться по своим свойствам. И чтобы получить материал с нужными свойствами, надо правильно подобрать состав, произвести необходимые обработки (термические, механические и т.д.) и на каждой стадии проследить за изменениями структуры.