Fizyczne podstawy materiałoznawstwa

Wstęp

1. Jakie jest znaczenie nauki o materiałach?

Materiały są podstawowym tworzywem, z którym mają do czynienia inżynierowie każdej

specjalności, zarówno ci którzy zajmują się wytwarzaniem materiałów, ich badaniem,

konstruowaniem i wykorzystaniem. Jakikolwiek postęp techniczny jest niemożliwy bez

stałego ulepszania materiałów i tworzenia nowych. Można bez przesady powiedzieć, że

materiały były zawsze "wąskim gardłem" rozwoju technicznego i cywilizacyjnego, a

najbardziej rozwinięte kraje świata przodują również w rozwijaniu, wytwarzaniu i stosowaniu

nowych materiałów. Dlatego jest bardzo ważne aby każdy inżynier posiadał podstawową

wiedzę o aktualnie dostępnych materiałach i rozumiał ich zachowanie się w warunkach

eksploatacyjnych, gdyż to umożliwia racjonalny dobór i stosowanie materiałów.

2. Jakie są podstawowe rodzaje materiałów stosowanych w technice?

Do podstawowych materiałów zaliczamy metale i ich stopy, materiały ceramiczne, tworzywa

sztuczne i kompozyty, a także farby, lakiery, emalie i kleje.

3. Podaj krótką charakterystykę metali i stopów

Metale są najważniejszym materiałem, gdyż są podstawowym tworzywem konstrukcyjnym

maszyn, konstrukcji i środków transportu. Mają dużą wytrzymałość i ciągliwość, a niektóre

także bardzo wysoką temperaturę topnienia. Czyste metale są wykorzystywane dość rzadko, a

najczęściej stosuje się ich stopy, z których stale, t.j. stopy na bazie żelaza są najbardziej

popularne. Stopy metali mają bowiem lepsze własności wytrzymałościowe, a dodatkami

stopowymi i obróbką cieplną można nadawać im wymagane własności (np. żaroodporne,

nierdzewne, magnetyczne i inn.). Z innych metali należy wymienić miedź, aluminium, tytan,

magnez, cynę, cynk, ołów, które znalazły największe zastosowanie zarówno w postaci czystej

jak i stopów. Metale można podzielić na różne grupy w zależności od ich własności np. na

lekkie lub ciężkie, łatwo-, średnio- lub trudnotopliwe, nieszlachetne, półszlachetne lub

szlachetne itp.

4. Podaj krótką charakterystykę materiałów ceramicznych

Materiały ceramiczne są wytwarzane z drobnych ziarn mineralnych, przez formowanie i

wypalanie przy wysokiej temperaturze, a ostatnio także przez rozwłóknianie i natryskiwanie.

Materiały ceramiczne można podzielić na różne grupy jak porcelanowe, porelitowe,

fajansowe, kamionkowe, ogniotrwałe, elektroizolacyjne, ceramikę budowlaną (cegły, kafle,

dachówki, klinkier, ceramikę dekoracyjną i sanitarną), wyroby porowate i włókniste, a także

materiały wiążące (cement i gips). Do ceramiki zalicza się również szkło. W ostatnich latach

coraz większego znaczenia nabierają nowe materiały zwane cermetalami (są to spieki

ceramiczno-metalowe), które stosuje się np. na narzędzia i łopatki turbin.

5. Podaj krótką charakterystykę polimerów

Polimery są to materiały powstające przez połączenie się bardzo wielu jednakowych lub

różnych prostych cząsteczek, zbudowanych głównie z atomów węgla i wodoru z możliwym

jednak udziałem atomów chloru, krzemu, fluoru i siarki. Polimery są zwane także

tworzywami sztucznymi lub plastykami. Polimery dzieli się na termoplasty, duroplasty i

elastomery. Termoplasty miękną po nagrzaniu i dają się łatwo kształtować, duroplasty

podczas polimeryzacji przechodzą nieodwracalnie w stan utwardzony i kruchy i nie można

ich w tym stanie formować, a elastomery wykazują zdolność po dużym odkształceniu przy

temperaturze pokojowej do natychmiastowego powrotu do postaci pierwotnej (są to kauczuki:

naturalny i syntetyczne).

Polimery nie mają zbyt dużej wytrzymałości mechanicznej i termicznej, ale są na ogół

odporne na czynniki atmosferyczne i chemiczne, mają dobre własności izolacyjne i łatwo je

można kształtować. Te własności spowodowały, że polimery znalazły duże zastosowanie w

technice oraz do produkcji wyrobów codziennego użytku.

6. Co to są spieki?

Spiekami nazywamy półwyroby lub wyroby gotowe otrzymane metodami metalurgii

proszków, t.zn. przez prasowanie i spiekanie. Główną zaletą metalurgii proszków jest to, że

można otrzymywać spieki niemożliwe do otrzymania innymi metodami, np. pseudostopy

(styki W-Cu), spieki grafitowo-metalowe lub diamentowo-metalowe, cermetale a także

materiały porowate (np. łożyska ślizgowe, filtry) i inn.

7. Co to są kompozyty?

Kompozyty są to tworzywa składające się z dwóch lub więcej faz o własnościach

nieosiągalnych w żadnym innym materiale. Do najbardziej znanych kompozytów należą

żelazo - beton, eternit, szkło zbrojone siatką metalową, węgliki spiekane, cermetale i inn.

Kompozyty dzielimy na umacniane cząstkami (dyspersyjnie) i włóknami (włókniste). Te z

kolei dzielimy na umacniane włóknami ciętymi i ciągłymi. Możliwe są różne kombinacje

przy komponowaniu kompozytów. Np. osnowa metaliczna, polimerowa, ceramiczna, a

cząstki lub włókna mogą być metalowe, ze związków międzymetalicznych, ceramiczne,

węglowe (grafit), polimerowe, lub o złożonej budowie (np. włókna borsic). Kompozyty

pozwalają na otrzymywanie lekkich, mocnych i elastycznych konstrukcji. Są nimi także

materiały żarowytrzymałe (np. łopatki turbin gazowych) i narzędzia (np. węgliki spiekane).

8. Co rozumiemy przez strukturę materiałów?

Struktura materiałów może być rozważana w różnych aspektach. Z jednej strony strukturą

nazywamy sposób ułożenia atomów lub cząsteczek, np. bezpostaciowa (amorficzna) lub

krystaliczna, z uwzględnieniem defektów, z drugiej zaś - wzajemny układ i dyspersję różnych

ziarn (kryształów). W pierwszym przypadku mówi się o strukturze krystalicznej, która może

być analizowana za pomocą metod dyfrakcyjnych przy użyciu promieni rentgenowskich,

elektronów i neutronów, w drugim istnieje szeroki zakres metod badawczych począwszy od

obserwacji "gołym" okiem (makrostruktura), a przy większych powiększeniach za pomocą

mikroskopu optycznego (mikrostruktura) lub elektronowego (submikrostruktura).

Metale mają na ogół strukturę krystaliczną z tym, że niektóre stopy można uzyskiwać w

postaci amorficznej(szkło metaliczne). Wiele substancji ceramicznych ma wprawdzie

strukturę krystaliczną, ale wiązania międzyatomowe są niemetaliczne, co powoduje, że są one

bardzo kruche (np. Al2O3, SiO2). Wiele materiałów ceramicznych i polimerów ma strukturę

bezpostaciową. Mają one własności różne od tworzyw krystalicznych. Struktura

polikrystaliczna (ziarnista) jest typowa dla większości metali, wielu ceramików i niektórych

polimerów. Ziarna mogą różnić się orientacją krystalograficzną, wielkością i kształtem, co

istotnie wpływa na własności tworzywa. Struktura może być jednofazowa lub częściej

wielofazowa. Własności będą zależały nie tylko od procentowego udziału poszczególnych

faz, ale i od stopnia ich dyspersji i kształtu ziarn.

9. Jakie są metody wytwarzania materiałów metalicznych?

Metody wytwarzania materiałów metalicznych są bardzo zróżnicowane, zależnie od rodzaju

materiału, ale zawsze wywierają istotny wpływ na strukturę, a więc i własności. Metale

wytwarza się w większości przez odlewanie do form. Formy te mogą nadawać metalowi

ostateczny kształt lub mogą formować t.zw. wlewek przeznaczony do przeróbki plastycznej

na gorąco lub zimno.

Struktura, a więc i własności, zależą istotnie od metody formowania i z reguły są bardziej

korzystne po przeróbce plastycznej niż po odlewaniu.

Pewien wpływ wywiera również sposób przeróbki plastycznej, która może polegać na kuciu,

prasowaniu, ciągnieniu, wyciskaniu, walcowaniu. Inna metoda wytwarzania metali opiera się

na metalurgii proszków (t.zn. prasowaniu i spiekaniu), która ma wiele zalet, a mianowicie

pozwala na uzyskanie gotowych elementów, o dużej jednorodności chemicznej i strukturalnej

i jest bezkonkurencyjna jeśli chodzi o wytwarzanie metali trudnotopliwych (Pt, W, Mo).

Mniejsze zastosowanie mają metody galwaniczne i natryskowe, które są wykorzystywane

głównie do konstytuowania warstw wierzchnich.

10. Jak kształtuje się polimery?

Jest wiele metod kształtowania polimerów. Większość z nich można kształtować przez

odlewanie grawitacyjne, wtryskowe lub odśrodkowe. Niekiedy stosuje się spiekanie. Oprócz

tego tworzywa sztuczne są kształtowane przez prasowanie, kalandrowanie (walcowanie),

tłoczenie i wyciskanie. Dość szeroko są stosowane tworzywa sztuczne do wytwarzania

powłok antykorozyjnych np. metodą natryskową lub fluidalną.

11. Jak kształtuje się materiały ceramiczne?

Są w zasadzie dwie metody kształtowania materiałów ceramicznych: odlewanie z mas lejnych

(metoda ta jest stosowana np. w przypadku wytwarzania porcelany), lub prasowanie, gdy

materiałem wyjściowym są masy plastyczne (np przy produkcji cegły). Oprócz tego stosuje

się wyciskanie, prasowanie izostatyczne i spiekanie ciśnieniowe. W przypadku szkła jest

stosowane dodatkowo walcowanie, wydmuchiwanie wyciąganie, rozwłóknianie i wlewanie

tafli szklanych.

12. Jak wytwarza się kompozyty?

Kompozyty wytwarza się przez odlewanie, zalewanie, infiltrację, prasowanie i spiekanie oraz

łączenie wybuchowe.Kompozyty umacniane cząstkami wytwarza się z reguły metodami

stosowanymi w metalurgii proszków, a więc przez prasowanie i spiekanie. Natomiast do

wytwarzania kompozytów włóknistych stosuje się całą gammę metod, dostosowanych do

specyfiki materiałów, z których są wytwarzane.

13. Jaki jest związek między metodą wytwarzania i strukturą oraz własnościami

materiałów?

Związek ten jest bardzo istotny. Na przykład w metalach własności wyrobów są znacznie

lepsze po przeróbce plastycznej niż po odlewaniu. Odlewy cechują się bowiem

gruboziarnistością, segregacją (zróżnicowanie składu chemicznego), obecnością pęcherzy

gazowych i jam skurczowych, co obniża zarówno własności wytrzymałościowe jak i

plastyczne. Metale odkształcane na zimno mają większą wytrzymałość i mniejszą

plastyczność niż odkształcane na gorąco. Istnieje generalna zasada, że im większa jest

drobnoziarnistość i jednorodność materiału tym korzystniejsze są jego własności. Materiały

wielofazowe mają na ogół większą wytrzymałość niż jednofazowe. Szkło metaliczne cechuje

bardzo wysoka wytrzymałość, ale znikoma ciągliwość. W przypadku polimerów również

istnieje wyraźna zależność między strukturą i własnościami: termoplasty mają budowę

łańcuchową a struktura duroplastów jest wynikiem przestrzennego sieciowania liniowych

cząsteczek żywicy.

14. Jakie są zewnętrzne czynniki wpływające na własności materiałów?

Do czynników wpływających na własności materiałów należą:

a. sposób obciążenia (statyczny, dynamiczny, zmienny, w zakresie sprężystości lub

odkształcenia plastycznego),

b. temperatura (ze wzrostem temperatury obniżają się własności wytrzymałościowe, ale

rośnie plastyczność, z obniżeniem zwiększa się skłonność do kruchego pękania),

c. atmosfera (zwykle atmosfera zawierająca tlen wpływa destrukcyjnie na metale i

polimery; niektóre metale mają skłonność do pochłaniania gazów, co powoduje ich

kruchość),

d. korozja (metale mogą ulegać korozji gazowej przy wysokich temperaturach w

atmosferze zawierającej tlen i siarkę; mogą także ulegać korozji w roztworach soli i

kwasów. Działanie naprężeń może przyspieszyć ten proces. Także materiały

ceramiczne korodują w kontakcie z innymi materiałami ceramicznymi w stanie

ciekłym np. żużlem),

e. uszkodzenia radiacyjne (materiały narażone na działanie cząstek o wysokiej energii

(np. neutronów w reaktorach) ulegają destrukcji objawiającej się spadkiem

wytrzymałości i wzrostem kruchości, puchnięciem i pękaniem).