Порошковая металлургия и постнеклассическая наука - Реферат

Порошковая металлургия является одной из современных отраслей науки и техники, возникшей в результате междисциплинарных взаимодействий физики твердого тела, физической химии, механики материалов, других смежных наук.

Успехи порошковой металлургии неоспоримы [1], однако возникает вопрос о том, как эта отрасль технической науки связана с магистральным развитием современной физики, механики материалов, физической химии, поскольку в ней (порошковой металлургии) зачастую используются подходы, выработанные еще классической наукой.

Постановка задачи

Памятуя о принципе междисциплинарности и наличии парадигмальных прививок, можно предположить, что задачи и подходы, возникающие в порошковой металлургии, должны быть каким-то образом увязаны с проблемами неклассической и постнеклассической науки. Именно эту взаимосвязь мы попытаемся осветить в данной работе, имея в виду главным образом ее технический аспект.

Обсуждение проблемы

Рассматривая этапы развития порошковой металлургии и ее научных основ, будем исходить из того, что, как и в любой фундаментальной естественной науке, здесь должны присутствовать элементы всех трех этапов ее развития:

• классического,
• неклассического,
• постнеклассического [2].

Не претендуя на полноту, рассмотрим характерные черты указанных трех этапов развития науки. Наука зародилась в Древней Греции, что было обусловлено наличием демократического духа, необходимого для научных дискуссий, и провозглашением истины как единственной ценности научных изысканий. Это связано с эпохальным изменением, произошедшим (согласно А. Тойнби) при переходе от традиционного общества к техногенной цивилизации - возникновением новой системы ценностей.

Наука начинается с момента появления теоретического знания, которое наряду с эмпирическими правилами позволяет получать эмпирические зависимости из теоретических постулатов. Евклидова геометрия - первый образец научной теории, но в тот момент еще не проявилось теоретическое естествознание, поскольку древние греки не воспринимали эксперимент как путь познания природы. Лишь в эпоху Возрождения возникает мысль, что природе можно ставить теоретические вопросы и получать на них ответы путем эксперимента.

Галилей впервые обратил внимание на важность эксперимента, а Ф. Бэкон и Декарт заложили основы исследовательской программы, опирающейся на опытные данные. Ньютон и Лейбниц создали новую математику - дифференциальное и интегральное исчисления, без которых не могли бы быть сформулированы постулаты классической механики - законы Ньютона [3].

Чертами классической науки являются: четкое разделение между дисциплинами, между субъектом и объектом; подчеркнутая беспристрастность, провозглашаемая научной этикой; объективность, обусловленная правилами индукции; практическая нап¬равленность, опирающаяся на опыт.

Неклассическая наука возникла в результате кризиса физики конца XIX - начала XX в. с появлением теории относительности и квантовой механики [4]. В неклассической науке в большей степени проявляются междисциплинарные взаимодействия и парадигмальные прививки [5], причем"... для отыскания законов новой области явлений берут математические выражения близлежащей области, которые затем трансформируют".

Во второй половине XX в. наука все более приобретает постнеклассический характер, что связано со всеобщей компьютеризацией, возникновением сети Интернет и виртуалистики, появлением теорий самоорганизации, катастроф, синергетики [6]. Постнеклассический этап характеризуется тем, что "...наука перешла к изучению нового типа объектов - саморазвивающихся систем (в отличие от простых и саморегулирующихся систем, которые изучались на предшествующих этапах развития науки)". В рассмотрение вводятся такие свойства объектов, как системность, иерархичность, человекоразмерность [7].

В науке особое значение приобретают комплексные программы исследований, реализация которых "...порождает особую ситуацию сращивания в единой системе деятельности теоретических и экспериментальных исследований, прикладных и фундаментальных знаний, интенсификации прямых и обратных связей между ними". Указанные программы можно рассматривать как некие "человеко-размерные" комплексы, примером которых могут служить, в том числе и консолидируемые порошковые, пористые системы (тела).

Указав на этапы развития науки, хотелось бы подчеркнуть, что постнеклассический характер современных теоретических построений вовсе не обусловливает полное исчезновение черт, присущих более ранним стадиям указанного процесса. В особой степени это должно касаться порошковой металлургии, поскольку она объединяет в себе сведения и методы из технических и естественных наук.

Рассматривая некоторые (далеко неполные) сведения из истории порошковой металлургии, прежде всего, укажем, что историки техники выделяют две линии предыстории возникновения порошковой металлургии: получение порошковой платины и кричного железа.

Известно высказывание П.Г.Соболевского о первом опыте получения порошковой платины: «Продолжительность сего способа, требовавшего несколько дней на выжигание фунтового сплава платины ... все сие неверное средство и стараться изыскать другое, более надежное» [8]. Соболевский изыскал принципиально иные пути создания нового способа получения платины. Текст доклада П.Г. Соболевского с подробным изложением полученного способа опубликован в "Горном журнале". Это первая публикация в истории техники, посвященная порошковой металлургии. Автор отметил главные достоинства нового способа:

1. возможность обработки платины в кусках любой формы и величины,
2. проведение процесса в самое короткое время,
3. почти полное исключение потерь дорогостоящего металла и полная безопасность для окружающих, 
4. простота и легкость самого процесса,
5. значительная экономия материалов, времени, рабочей силы.

Вторая линия связана с получением кричного железа. Археологические находки свидетельствуют о достаточно высоком уровне техники производства сыродутного железа. В качестве сырья, как правило, использовалась обогащенная железная руда. Операции обогащения сырой руды сводились к просушке, обжигу, размельчению, промывке и просеиванию. Восстановителем в домнице служил древесный уголь, заго¬товляемый ямным способом углежжения. Процесс восстановления железа в домнице протекал при большом избытке восстановителя: отношение массы угля к массе крицы достигало 8—10. В домнице процесс восстановления железной руды до железа сопровождался обильным образованием высокожелезистых шлаков со средним содержанием в них железа 40—50%, главной составляющей которых, как показывают анализы, является закись железа. Именно этой закисью железа должна была ошлаковываться пустая порода. Необходимым условием этого должно было быть поддержание температуры во всем рабочем пространстве домницы выше 1100° С. Это обеспечивалось применением достаточно равномерного и интенсивного дутья. Решающая роль дутья в производстве сыродутного железа была очевидна не только для мастеров, но и для людей, далеких от непосредственного участия в процессе производства железа. Приведем для иллюстрации выдержку из литературного памятника XII в. "Слово Даниила Заточника": "Не огнь творит ражежение железу, но надымание мешное..." [9].

Процесс организуется таким образом, чтобы ошлаковывание протекало ранее восстановления закиси железа до чистого железа, которое в виде твердых частиц опускается к низу печи и там сваривается в губчатую массу, называемую крицей.

Каковы же черты классической науки, которые обнаруживаются в теории порошковой металлургии? Рассматривая этот вопрос, обратим внимание на мате¬матическую интерпретацию процессов консолидации порошковой пористой системы, поскольку "...математические средства активно участвуют в самом создании абстрактных объектов теоретической схемы, определяют их признаки" [10].

Прежде всего, достаточно очевидно, что по-прежнему можно пользоваться уравне¬ниями механики, основанными на законах Ньютона. Для того чтобы получить порошковый композиционный материал с заданным уровнем свойств необходимо иметь математическую модель процесса совокупной консолидации, опирающуюся на уравнения математической физики.

Одним из существенных моментов, связывающих порошковую металлургию с классической наукой, является математическое моделирование основных физических процессов, связанных с образованием контактной поверхности между частицами. В рамках классической науки математическая модель процессов совокупной консолидации составляется для решения задачи синтеза порошкового материала.

Таким образом, несмотря на то что порошковая металлургия как объект изучения изначально подпадают под парадигму классической науки, очевидно, что в ней весьма много проявлений науки неклассической по крайней мере по двум причинам. Первая из них обусловлена междисциплинарностью порошковой металлургии - эта наука, будучи продуктом объединения классической теории механики материалов и физической химии металлургических процессов, теории диффузионных процессов, дала (в полном соответствии с принципами системности) результат гораздо более сложный и мощный, чем "сумма" составляющих элементов. Другая причина кроется в наличии неизбежных парадигмальных прививок из других отраслей науки, в частности из физики XX в.

Но порошковая металлургия проявляет и свойства следующего этапа развития науки - постнеклассического. Известно, что свойствами изучаемых постнеклассической наукой объектов являются их системность, иерархичность, кооперативность взаимодействия подсистем, возможность бифуркаций.

Для уяснения наличия этих аспектов в порошковой металлургии рассмотрим этапы и уровни развития теории спекания порошковых пористых систем.

В порошковой металлургии можно отметить три этапа развития понимания природы явлений [11]:

1. установление корреляционных связей между различными свойствами вещества;
2. связи между свойствами, с одной стороны, и кристаллическим строением и его дефектами— с другой;
3. связи между свойствами и электронным строением.

Нам представляется, что это же полностью относится к теории спекания, которая в основном прошла первый "классический" этап сопоставления параметров, "первоначального накопления" информации, связанный преимущественно с изучением феноменологии процесса (кинетики спекания); второй этап понимания – "неклассический", обусловленный хорошо развитыми аппаратами теории дислокаций и диффузионных процессов и сейчас развивается на третьем "постнеклассическом" этапе, cвязанном с успехами последнего десятилетия в изучении электронной структуры твердого тела.

Очевидно, что этот третий этап развития порошковой металлургии, в частности, теории спекания, должен дать наиболее общие и в то же время наиболее точные и конкретные возможности интерпретации, а следовательно,— прогнозирования, разработки материалов с заданными свойствами и процессов с оптимальными параметрами.

Задача была бы полностью решена, если бы оказалось возможным описать эти процессы, основываясь на классических физических представлениях о несовершенствах решетки и их участии в течении кристаллического вещества. Однако, как будет показано в основном докладе, те попытки, которые делались в этом направлении, не достигли цели: они в лучшем случае давали некоторое качественное объяснение, но не количественное описание. Очевидно, что наиболее общие представления теории спекания должны быть разработаны на субатомном, электронном уровне, что отвечает выполнению большей части указанных требований, так как фундаментальной основой любых представлений о переносе массы и энергии в конечном счете является электронное строение.

Предпринятый экскурс в историю развития порошковой металлургии позволяет сделать вывод, что в рассматриваемой системе должна присутствовать модель (математическое представление о структуре порошкового материала и параметрах его консолидации), должны быть "осознание" поставленной задачи и контроль за ее исполнением. Это свидетельствует об антропоморфности рассматриваемой порошковой пористой системы. Кроме того, можно сделать вывод, что порошковая металлургия - это иерархически построенная система, поскольку все перечисленные этапы ее развития присутствуют в любом современном процессе консолидации (на более высоком уровне), будь то процессы холодного, статического или горячего, динамического прессования.

Заключение

Подводя итоги, укажем, что порошковая металлургия все более приобретает характер постнеклассической науки. Данный тезис обусловлен тем, что порошковое пористое тело, обладающее признаками функциональности и градиентности, как технический объект, соответствует принципам антропоморфности. Очевидно, что это проявляется как в структуре самого порошкового объекта (функционально-градиентного материала) – основного продукта порошковой металлургии, так и в построении систем управления технологическими процессами порошковой металлургии. Необходимость создания порошковых функционально-градиентных материалов, материалов с особыми, наперед заданными свойствами, приводит к появлению новых иерархически организованных систем, например, связанных с гибким автоматизированным производством порошковых изделий.