Наука и технологии

 Материалы будущего

Издательство «Химия» 1985 г.

Как вы уже, наверное, убедились, с помощью современных технических средств еще нельзя полностью подчинить себе процесс изнашивания. Для этого нам на хватает надежного прогнозирования поведения материалов при изнашивании, особенно срока службы в зависимости от характера нагрузок. Необходимо также создать предпосылки для свободного выбора подходящих пар трения.

Для прогнозирования явлений износа необходимо его полное математико-статистическое моделирование, над чем сейчас интенсивно работают ученые всего мира. В дружественном Советском Союзе и в нашей республике уже заметны успехи в этой области.

При создании будущих, почти не требующих ухода пар трения ожидается следующее:

материалы, которые при взаимодействии с окружающей средой сами себя постоянно «лечат», то есть компенсируют потери материала;

материалы, строящиеся по принципу композиций, причем основными являются твердые вещества-силикаты, пластмассы и самосмазывающиеся материалы-в основном в комбинации с металлами;

эффективные смазочные материалы, особенно синтетические масла или водные дисперсии определенного, узкого назначения, достаточно долговечные и недорогие (следует также ожидать, что они в зависимости от температуры в зоне контакта будут программированно вводиться в места, подлежащие смазке).

Одним из первых решений этого вопроса является использование в технологии так называемого эффекта Гаркунова, известного советского ученого. Этот эффект встречается преимущественно в парах бронза-сталь или латунь-сталь и состоит в том, что на местах контакта под действием трения происходит самостоятельный избирательный перенос меди на стальную поверхность. Возникающий при этом слой меди, толщиной 0,1 мкм уменьшает износ. В качестве смазки используется глицерин, что ускоряет образование атомов водорода и помогает избежать возникновения очагов окисления. Необходимая для процесса медь из бронзы или латуни путем самостоятельного анодного растворения переходит в глицерин и диспергируется там. При этом срок службы металлической пары увеличивается в сто раз.

Понятие старения играет очень важную роль в биологии. Оно связано с нашими представлениями об ограничении продолжительности жизни растительных и животных организмов. Для них старение означает всю совокупность необратимых изменений, происходящих за определенный промежуток времени в жизненно важных органах.

В материаловедении мы встречаемся с взятым из биологии понятием старения. Кроме того, мы говорим об усталости, об отдыхе и о сроке службы материалов. Но механический перенос понятия в область материаловедения представляется проблематичным.

Строение металлов, пластмасс, эластомеров значительно отличается от строения живой материи. Наиболее близкие сравнения с ней допускает структура полимерных материалов. Не удивительно, что понятие старения трактовалось до сих пор самыми различными способами. В техническом лексиконе под этим понимают зависящие от времени изменения в картине свойств материала, происходящие вследствие самых разнообразных факторов. Для пластмасс и эластомеров оно охватывает все процессы, которые вызывают необратимые изменения их свойств. Эти изменения ограничивают сферу применения материалов, хотя речь идет, как правило, об очень медленно протекающих процессах.

У металлических материалов старение не означает необратимости его результатов. С другой стороны, явления перехода ферритных, жаропрочных, высоколегированных сталей в хрупкое состояние, происходящие при нагружении в течение определенного времени при температуре свыше 950 °С, не причисляют к процессам старения. Поэтому в будущем представляет интерес разработка единого, четкого определения понятия старения.

Знание о возможном старении является важной предпосылкой для учета его на стадии планирования применения и переработки материала. Для этого нужно обладать довольно  обширной  информацией.

На  130 схематично показано, как сказывается старение на работоспособности материалов. Предположим, что характеристика свойства Ех в момент изготовления материала t0 имела значение 80. Вследствие целого комплекса воздействий она существенно изменяется. В момент времени tt ее значение составляет 51; а в момент времени t2-y)Ke только 82. Характеристика свойства Е2 того же материала претерпевает более резкие изменения, так как условия старения сильнее сказываются на ней. В момент времени t2 материал полностью лишается этого свойства.

Оптимальными были бы такие материалы, у которых, несмотря на всю совокупность воздействий, все характеристики или хотя бы большинство сохранялись в области исходного значения. Необходимо использовать также материалы, у которых отрицательные последствия процессов старения начинаются очень поздно или слабо выражены.

Не каждый материал в одинаковой степени чувствителен к процессам старения. В зависимости от условий эксплуатации, строения материала, способов его получения и переработки возникают специфические количественные и качественные связи, определяющие изменение свойств в зависимости от времени. Чтобы гарантировать надежность использования материала, нужно по предварительно выбранным параметрам установить его определяющие свойства. Они объясняют чувствительность материала к старению при определенных условиях и позволяют выбрать наиболее экономичный вариант из всех возможных. Основной исходной величиной является время функцирнирования конструкции или сооружения. С ним соотносят наблюдаемые изменения свойств. Решение этих проблем является одной из предпосылок экономного использования материалов. Если неизвестно поведение материала при старении, приходится создавать большой запас прочности, что, в конце концов скажется на расходе материала и на величине народнохозяйственных затрат. То же самое относится и к применению материалов, чьи свойства при старении значительно меняются. Поэтому в материаловедении усиленно занимаются поиском методов, которые смогли бы предсказать последствия длительного старения, а также стабилизировать материалы по отношению к подобного рода воздействиям.

Ценные сведения может предоставить информационный центр о свойствах материалов в Дрездене, который получает информацию из всех отраслей, производящих материалы, и подготавливает ее для промышленности, перерабатывающей их.