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).