Модель материала

Материаловедение: характеристики материала

К свойствам материалов, изучаемых в рамках материаловедения относятся:

• Термические свойства.
• Химические свойства.
• Магнитные свойства.
• Оптические свойства.
• Электронные свойства.
• Структура вещества.

Одна из основных задач современного материаловедения заключается в изучении характеристик и свойств материалов при производстве наукоемких изделий. Им также охватывается разработка и открытие новых материалов, в особенности твердых тел. В состав материаловедения входят элементы инженерных наук, а также химии и физики. Из-за этого оно долгое время рассматривалось как подобласть перечисленных областей науки. Примерно в 40-е годе прошлого века материаловедение получило признание, как обособленная и самостоятельная область науки. Современное материаловедение является составной частью судебной экспертизы и анализа отказов - исследование продуктов, конструкций, материалов и компонентов, которые в случае выхода из строя или неправильной работы могут стать причинами повреждения имущества и травмы людей.

В области материаловедения регулярно проводятся разнообразные исследования, охватывая широкий круг тем. Наиболее важными областями исследований являются изучение наноматериалов (размер до 1000 нанометров), биоматериалов (взаимодействуют с биологическими системами), а также магнитных, оптических и электронных материалов.

Модель материала

Исследования материалов осуществляется на различных уровнях и использованием разнообразных моделей. Выделяют три основных группы уровня моделей материалов:

• Физические модели.
• Инженерно-физические модели.
• Модели сплошной среды (инженерные модели).

Физические модели материала изучаются в физике твердого тела. Для того, чтобы описать поведение материала под действием физических свойств и напряжений модель рассматривается в виде кристаллической решетки атомов. В материалах могут иметь дефекты различного рода, которые способствуют снижению прочности. В кристаллической решетке могут присутствовать точечные дефекты, которые называются вакансии (отсутствие атомов в одном из узлов решетки), внедрение (когда атом смещается в другую ячейку). В настоящее время при помощи электронных микроскопов можно наблюдать тонкую структуру металлов, что предоставляет возможность изучать сопротивление материалов внешним воздействиям на физическом уровне. Физические модели материалов предназначены также для изучения воздействию каких-либо несовершенств на прочность кристаллической решетки, а также изучения возможностей увеличения пластичности и прочности сплавов и металлов, однако, они не могут быть использованы для оценки механических свойств реальных материалов.

Инженерно-физические модели рассматривают материал как совокупность зерен с различной кристаллической структурой. При описании свойств реальных материалов обязательно учитывается случайный характер направления кристаллографических плоскостей и размера зерен. Такие модели позволяют объяснять ряд особенностей поведения материала, а также являются основой оценки на практике прочности материалов. Главное назначение инженерно-физических моделей заключается в выработке научных основ статистического описания механических и других свойств исследуемого образца материала.

Модели сплошной среды или инженерные модели рассматривают материал, как однородное и сплошное тело. Данные модели усредняют свойства в пределах объема материала. Под однородностью понимается следующее: все неоднородные дискретные структуры могут быть заменены осредненной сплошной средой. Замена материала разнородного, дискретного строения (мелкозернистый, например) однородной средой имеет практический смысл только в том случае, если осреднение возможно в границах объема материала, малого по сравнению с объемом всего элемента конструкции.

Вопрос допустимости использования инженерной модели для конкретного конструкционного материала решается при помощи экспериментальных решений. Проведенные эксперименты с образцами материала показали, что использование инженерных моделей оправданно. Они широко применяются для решения задач прочностной надежности в совокупности с системой экспериментальных исследований.