Ogólny przegląd głównych grup materiałów inżynierskich Podstawowe grupy materiałów

Materiałami w pojęciu technicznym nazywane są ciała stałe o własnościach umożliwiających ich stosowanie przez człowieka do wytwarzania produktów.

Najogólniej wśród materiałów o znaczeniu technicznym można wyróżnić:

- materiały naturalne, wymagające jedynie nadania kształtu, do technicznej zastosowania,

- materiały inżynierskie, nie występujące w naturze lecz wymagające zastosowania

złożonych procesów wytwórczych do ich przystosowania do potrze technicznych po

wykorzystaniu surowców dostępnych w naturze.

Przykładami materiałów naturalnych są: drewno, niektóre kamienie, skały i minerały.

Do podstawowych grup materiałów inżynierskich są zaliczane:

- metale i ich stopy,

- polimery,

- materiały ceramiczne,

- kompozyty.

ISTOTA WIĄZAŃ MIĘDZY ATOMAMI

Tworzenie się wiązań między atomami polega na wymianie lub uwspólnieniu

elektronów walencyjnych.

KLASYFIKACJA WIĄZAŃ PIERWOTNYCH MIĘDZY ATOMAMI

Wyróżnia się następujące wiązania między atomami:

- jonowe,

- atomowe, zwane też kowalencyjnymi,

- metaliczne.

WIĄZANlE JONOWE

Gdy elektrony walencyjne jednego atomu elektrododatniego są przyłączane przez drugi atom elektroujemny, powstaje wiązanie jonowe. W wyniku utraty elektronów

walencyjnych przez jeden atom i przyłączenia tych elektronów przez drugi, oba atomy uzyskują oktetowe konfiguracje elektronowe takie jakimi charakteryzują się gazy szlachetne. Wiązania jonowe są tworzone atomy, w których występuje odpowiednio brak i nadmiar jednego lub dwóch elektronów walencyjnych.

Wiązanie jonowe powoduje dużą rezystywność i oporność cieplną oraz kruchość

uzyskiwanych substancji, które są przezroczyste, często o różnym zabarwieniu.

WIĄZANIE ATOMOWE CZYLI KOWALENCYJNE

W przypadku atomów pierwiastków elektroujemnych, zwykle gazów, elektrony

walencyjne pierwotnie różnych atomów tworzą pary elektronów należące wspólnie do jąder dwóch atomów. Wiązania tworzone przez takie uwspólnione elektrony są nazywane atomowymi czyli kowalencyjnymi. Wiązania atomowe, poza gazami,

występują także w substancjach stałych, takich jak np. Si, Ge i diament.

WIĄZAMIE METALICZNE

Wiązanie metaliczne występuje w dużych skupiskach atomów pierwiastków metalicznych, które po zbliżeniu się na wystarczająco małą odległość, charakterystyczną dla stałego stanu skupienia, oddają swoje elektrony walencyjne

na rzecz całego zbioru atomów. Elektrony walencyjne przemieszczają się swobodnie

pomiędzy atomami ( jonami dodatnimi ), tworząc tzw. gaz elektronowy, charakterystyczny dla wiązania metalicznego.

CHARAKTERYSTYKA WIĄZAŃ WTÓRNYCH LUB SIŁAMI VAN DER WAALSA

Wiązania wtórne występują między wszystkimi atomami lub cząsteczkami, lecz ich

obecność może być stwierdzona, jeżeli występuje choć jedno z trzech wiązań pierwotnych. Wiązania wtórne są ewidentne między atomami gazów szlachetnymi które mają stabilną strukturę elektronową, a ponadto między cząsteczkami utworzonymi w wyniku wiązań kowalencyjnych. Siły van der Waalsa występują mię dipolami cząsteczek lub atomów. Elektryczne dipole występują w przypadku rozdzielenia ładunków dodatnich i ujemnych w atomie lub cząsteczce. Wiązianie van der Waalsa jest wynikiem przyciągania siłami Coulomba między dodatnim końcem jednego a ujemnym końcem drugiego dipola. Oddziaływa takie występują między:

- dipolami wyindukowanymi,

- dipolami wyindukowanymi i cząsteczkami spolaryzowanymi (które wykazują

dipole okresowo),

- cząsteczkami spolaryzowanymi.

WIĄZANIA SIŁAMI LONDONA

Dipole elektryczne mogą być wykreowane lub wyindukowane w atomach lub

cząsteczkach, które normalnie są elektrycznie obojętne. Siły Londona mogą wystąpić między cząsteczkami w przypadku okresowych zmian ładunku w cząsteczkach, powodując ich przyciąganie.

WIĄZANIE WODOROWE

Wiązanie wodorowe jest najsilniejszym specjalnym wiązaniem wtórnym między spolaryzowanymi cząsteczkami. Występuje ono między cząsteczkami, w których wodór jest kowalencyjnie związany z fluorem (HF), tlenem (H20) lub azotem (NH3). W każdym wiązaniu H-F, H-O lub H-N pojedynczy elektron wodoru jest uwspólniony z innym atomem. Wodorowy koniec wiązania jest dodatnio naładowany przez obnażony proton, który nie jest ekranowany przez żaden elektron. Ten silnie dodatnio naładowany koniec cząsteczki jest przyciągany przez

przeciwny, ujemnie naładowany, koniec innej cząsteczki.

WIĄZANIA MIĘDZY CHWILOWYMI DIPOLAMI

Wiązania międzycząsteczkowe powstają w wyniku przyciągania siłami van Waalsa,

które występują między chwilowymi dipolami elektrycznymi, utworzonymi z atomów na skutek nierównomiernego rozkładu ładunków w ich chmur elektronowych. Siły te powodują skraplanie gazów szlachetnych oraz łączą w i stały cząsteczki, np. H2, F2, Cl2, N2, powstałe w wyniku wiązania atomowego.

Metale otrzymuje się z rud, będących najczęściej tlenkami. Procesy metalurgiczne

polegają zwykle na redukcji, prowadzącej do ekstrakcji metalu z rudy oraz na rafinacji, usuwającej z metalu pozostałe zanieczyszczenia. Elementy metalowe zwykle wykonywane są metodami odlewniczymi, przeróbki plastycznej lub obróbki skrawaniem, a często także metalurgii proszków. Własności metali i stopów są kształtowane metodami obróbki cieplnej, a powierzchnia elementów metalowych często jest uszlachetniana metodami inżynierii powierzchni,

zwiększającymi m.in. odporność na korozję lub odporność na zużycie

POLIMERY

Polimery, nazywane także tworzywami sztucznymi lub plastikami, są materiałami organicznymi, złożonymi ze związków węgla. Polimery są tworzone przez węgiel, wodór i inne pierwiastki niemetaliczne z prawego górnego rogu układu okresowego

Polimery są makrocząsteczkami i powstają w wyniku połączenia wiązaniami kowalencyjnymi w łańcuchy wielu grup atomów zwanych monomerami jednego lub kilku rodzajów. Najogólniej do szeroko rozumianych materiałów ceramicznych można zaliczyć : ceramikę inżynierską, cermetale, ceramikę porowatą, szkła, ceramikę szklaną.

MATERIAŁY CERAMICZNE

Ceramikę stanowią materiały nieorganiczne o jonowych i kowalencyjnych wiązaniach międzyatomowych, wytwarzane zwykle w wysokotemperaturowych procesach związanych z przebiegiem nieodwracalnych reakcji, chociaż do tej grupy materiałów zaliczane są również szkła oraz beton i cement, pomimo że przy ich wytwarzaniu zachodzą nie wszystkie z tych procesów.

Materiały kompozytowe, dzielą się ze względu na osnowę metalową, polimerową lub ceramiczną. Materiały kompozytowe znajdują współcześrnie zastosowanie między innymi w sprzęcie kosmicznym, samolotach, samochodach, łodziach, jachtach, szybowcach i sporcie sportowym. Faza powodująca wzmocnienie kompozytów, nazywana także zbrojenie może być wprowadzona w postaci drobnych cząstek, niekiedy dyspersyjny krótkich włókien lub płatków, a także włókien ciągłych.

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE

Materiały kompozytowe są połączeniami dwóch lub więcej odrębnych i nierozpuszczających się w sobie faz, z których każda odpowiada innemu podstawowemu materiałowi inżynierskiemu, zapewniającymi lepszy zespół własności i cech strukturalnych, od właściwych dla każdego z materiałów składowych oddzielnie

Współczesne zastosowania materiałów inżynierskich

Nowoczesne produkty nie mogłyby być częstokroć zaprojektowane i wytworzone bez użycia wielu materiałów, jak również nie mogłyby bez nich działać w warunkach eksploatacji przewidzianych dla nich oraz przy wymaganym bardzo wysokim poziomie niezawodności. Zdawać sobie należy jednak sprawę, że współczesny produkt złożony jest z bardzo wielu elementów, wykonanych z bardzo różnych materiałów. Przykładowo, typowy samochód składa się z ok. 15 000 elementów, a samolot pasażerski z ponad 4 000 000 elementów.

Do produkcji samochodu wykorzystuje się zarówno stale, jak i inne stopy metali, w tym Także wytworzone metodami metalurgii proszków, materiały ceramiczne i szkła, różnorodne materiały polimerowe, jak i kompozytowe.

Znacznie większą gamę różnorodnych materiałów trzeba wykorzystać przy produkcji samolotu pasażerskiego. zastosowanie materiałów kompozytowych na różne elementy tego złożonego produktu.

HISTORYCZNY ROZWÓJ MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH

Człowiek od zarania dziejów wykorzystywał, a z czasem przetwarzał, materiały potrzebne do zdobycia pożywienia, zwiększenia swego bezpieczeństwa i zapewnienia sobie odpowiedniego poziomu życia. Śledząc dzieje cywilizacji ludzkiej można dojść do przekonania, że o jej rozwoju decyduje w dużej mierze rozwój materiałów i towarzyszący temu rozwój sił wytwórczych. Świadczy o tym niewątpliwie między innymi nazwanie różnych okresów w dziejach i udzkości od materiałów decydujących wówczas o warunkach życia, np. epoki: kamienia, brązu, żelaza

AKTUALNE TENDENCJE W STOSOWANIU MATERIAŁÓW

Śledząc współczesne tendencje rozwoju różnych grup materiałów stwierdza się,

że udział masowy supernowoczesnych produktów (takich jak produkty techniki lotniczej i kosmicznej czy nawet materiały biomedyczne) w całości produktów wytwarzanych przez człowieka, aczkolwiek ciągle rosnący, nie jest wielki.

Na razie nie jest również możliwe opanowanie otaczającej rzeczywistości przez

polimery (które tylko wydają się wszechobecne), chociażby z powodu względnie małej odporności na ścieranie i inne rodzaje zużycia oraz na korozję, a także na zakres temperaturowy stosowania ( ok. 300 - 400 oC).

Ceramika porowata jest domeną budownictwa, chociaż szkło znajduje również bardzo liczne zastosowania w gospodarstwie domowym, ale również w produkcji samochodów. Niektóre gatunki ceramiki, zwłaszcza szklanej są stosowane nawet w budowie maszyn. Podstawowymi materiałami w budowie maszyn, przemysłach samochodowym, stoczniowym, maszynowym, gospodarstwa domowego, narzędziowym i wielu innych, ale znaczącymi również w budownictwie, są w dalszym ciągu metale i ich stopy, chociaż w wielu przypadkach z materiałami tymi w podanych zastosowaniach z powodzeniem konkuruje ceramika inżynierska, a także niektóre materiały kompozytowe.

Dążenie do zwiększenia prędkości podróżnej samolotów wymaga stosowania coraz to nowszych materiałów. Zauważyć należy, że koszty materiałowe stanowią przy tym mniej niż 5% całkowitych kosztów posiadania samolotu. Niemniej jednak dobór materiałów decyduje o:

- efektywności projektowania,

- kosztach procesu wytwarzania,

- poprawie osiągnięć eksploatacyjnych, np. przez zwiększenie temperatury pracy silnika,

- poprawie własności aerodynamicznych przez zastosowanie lekkich i „inteligentnych" materiałów,

- zwiększeniu niezawodności produktów i zmniejszeniu zagrożeń eksploatacyjnych,

- o wdrożeniu optymalnych procesów z zapewnieniem jakości.

Supernowoczesne materiały stosowane do wytwarzania promu kosmicznego, zabezpieczające jego powierzchnię przed spaleniem się w czasie wchodzenia w górne warstwy atmosfery podczas powrotu na Ziemię, zestawiono w tablicy

W miarę opracowywania i wdrażania nowoczesnych materiałów stają się one także

zamiennikami tych, które stosowano dotychczas. Przykładowo, materiały wynalezione i wprowadzone z myślą o technice kosmicznej lub lotniczej bardzo często są wykorzystywane w innych dziedzinach, w tym w sporcie (przykład deski surfingowej. Wśród wielu powodów takiej działania wymienić można uproszczenie cech konstrukcyjnych, zwiększenie trwałości i niezawodności, ułatwienie montażu i technologii, a także zmniejszenie kosztów materiałowych, wytwarzania i eksploatacji.

Dobór materiałów metalowych na produkty i ich elementy

Mnogość dostępnych obecnie materiałów stwarza konieczność ich poprawnego doboru na elementy konstrukcyjne lub funkcjonalne, narzędzia i ewentualnie inne produkty lub ich elementy. Doboru tego należy dokonywać na podstawie wielokryterialnej optymalizacji, w tym także opierając się na własnościach

Komputerowe wspomaganie projektowania materiałowego

Współcześnie w ramach systemów komputerowego wspomagania projektowania CAD (computer aided design) i wytwarzania CAM (computer aided manufacturing) należne miejsce znajdują także systemy komputerowego wspomagania doboru materiałów CAMS {computer aided materials selection), a współcześnie - najbardziej rozwinięte systemy komputerowego wspomagania projektowania materiałowego CAMD (computer aided materiał design). W coraz większym stopniu eliminowane są czynniki subiektywne, a dobrane materiały mają najkorzystniejsze własności użytkowe i technologiczne, przy odpowiedniej gęstości oraz najniższych możliwych kosztach materiałów i wytwarzanych z nich produktów. Intensywnie rozwija się nowa specjalność inżynierska zwana komputerową nauka o materiałach (computational materials science). Zwykle są to jednak bazy umożliwiające uzyskanie informacji o wybranej grupie materiałów inżynierskich w formie raportu, zawierającego wyłącznie charakterystykę danego gatunku materiału w postaci zbioru podstawowych informacji, pozostawiając operatorowi wszelkie czynności dotyczące wyboru materiału i ewentualnie porównania ich z właściwymi dla innego gatunku.

Komputerowy system wspomagania doboru materiałów inżynierskich

Kolejna grupa programów komputerowych umożliwia wspomaganie doboru materiałów inżynierskich w wyniku automatycznego przeszukiwania bardzo obszernych baz danych wg ściśle określonych kryteriów. Zadaniem użytkownika tego systemu jest określenie kryteriów, jakie powinien spełniać materiał. Kryteria te obejmują zarówno własności, skład, możliwe do zastosowania metody obróbki materiału, postać półproduktu, jak i poszczególne grupy materiałów inżynierskich. Po dokonaniu przez program selekcji materiałów na podstawie ustalonych kryteriów użytkownik może przyjąć ewentualne dodatkowe kryteria. Po ich uwzględnieniu lista wynikowa materiałów zostanie dodatkowo zawężona do tych materiałów, które spełniają wszystkie zadane kryteria. Tak więc selekcja materiałów może być procesem iteracyjnym. Na podstawie listy kryteriów program wyświetla, i na żądanie drukuje, dane materiałów spełniających te kryteria.

Istniejąca sytuacja oraz prognozowanie na przyszłość stale wymagają od inżynierów

skoordynowanych działań w celu oszczędzania dostępnych surowców polegających na:

- projektowaniu z oszczędnym wykorzystaniem materiałów, zwłaszcza trudno dostępnych i wyczerpujących się, przy minimalizacji ich energochłonności,

- stosowaniu zamienników łatwiej dostępnych i o dużej rezerwie czasu połowicznego wyczerpania się zasobów surowcowych oraz o mniejszej energochłonności w miejsce trudno dostępnych i wyczerpujących się,

- pełnym wykorzystaniu energooszczędnego recyklingu w celu ponownego wykorzystywania i pełnego odzysku materiałów we wszystkich możliwych i ekonomicznie uzasadnionych przypadkach.

Zauważyć należy, że recykling zużytych produktów prowadzi do skrócenia cyklu produkcyjnego.

---