W.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 i ich badaniem, jak i ci zajmujący się konstruowaniem i wykorzystaniem. Jakikolwiek postęp tech­niczny byłby 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 ich dobór i stosowanie.

W.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.

W.3. Podaj krótką charakterystykę metali i stopów

Metale są najważniejszym materiałem, gdyż stanowią podstawo­we tworzywo konstrukcyjne maszyn, konstrukcji i środków trans­portu. Mają dużą wytrzymałość i ciągliwość, a niektóre także bar­dzo wysoką temperaturę topnienia. Czyste metale są używane dość rzadko, a najczęściej stosuje się ich stopy, z których stale, tj. 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. żaroodporność, nierdzewność, magnetyczność. Z innych metali należy wymienić miedź, aluminium, tytan, magnez, cynę, cynk, ołów, które znalazły największe zastosowanie zarówno w postaci czystej, jak i stopów. W zależności od ich własności metale można, podzielić na: lekkie lub ciężkie, łatwo-, średnio- lub trudnotopliwe nieszlachetne, półszlachetne lub szlachetne itp.

W.4. Podaj krótką charakterystykę materiałów ceramicznych

Materiały ceramiczne są wytwarzane z drobnych ziaren mineralnych przez formowanie i wypalanie w wysokiej temperaturze a ostatnio także przez rozwłóknianie i natryskiwanie. Materiał;

ceramiczne można podzielić na różne grupy, jak: porcelanowe porcelitowe, 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.

W.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, zwykle z innymi dodatkami, 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 w temperaturze pokojowej do natychmiastowego po­wrotu do postaci pierwotnej (są to kauczuki: naturalny i syn­tetyczny).

Polimery nie mają zbyt dużej wytrzymałości mechanicznej i termicznej, ale są na ogół odporne na czynniki atmosferyczne i chemiczne, mają natomiast dobre własności izolacyjne i łatwo je można kształtować. Te własności spowodowały, że polimery zna­lazły duże zastosowanie w technice oraz do produkcji wyrobów co­dziennego użytku i kompozytów.

W.6. Co to są spieki?

Spiekami nazywamy półwyroby lub wyroby gotowe otrzymane metodami metalurgii proszków, tzn. przez prasowanie i spiekanie. Główną zaletą metalurgii proszków jest to, że można wytwarzać spieki niemożliwe do otrzymania innymi metodami, np. pseudo-stopy (styki W-Cu), spieki grafitowo-metalowe lub diamentowo-metalowe, cermetale, a także materiały porowate (np. łożyska śli­zgowe, filtry) i in.

W.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 in. Kompozyty dzielimy na: umacniane cząstkami (dyspersyjnie), włóknami - włókniste i warstwowe zwane laminatami. Włókni­ste z kolei dzielimy na umacniane włóknami ciętymi i ciągłymi. Możliwe są różne kombinacje przy komponowaniu kompozytów. Na przykład osnowa metalowa, polimerowa, ceramiczna, a cząstki lub włókna mogą być metalowe, ze związków międzymetalicznych, ceramiczne, węglowe (grafit), polimerowe, lub o złożonej budowie (np. włókna borsic).

Kompozyty umożliwiają otrzymywanie lekkich, mocnych i ela­stycznych konstrukcji. Są nimi także materiały żarowytrzymałe (np. łopatki turbin gazowych) i narzędzia (np. węgliki spiekane).

W.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 lub neutronów, w drugim istnieje szeroki zakres metod badawczych począwszy od obserwacji „gołym" okiem (makrostruktura), a przy większych powiększeniach aa 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. AlaOa, SiOa). Wiele materia­łów ceramicznych i polimerów ma strukturę bezpostaciową. Mają one własności inne niż tworzywa krystaliczne. Struktura polikrystaliczna (ziarnista) jest typowa dla wie:

szóści 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 zależą: nie tylko od procentowego udziału poszczególnych faz, ale i c stopnia ich dyspersji i kształtu ziarn.

W.9. Jakie są metody wytwarzania materiałów metalicznych?

Metody wytwarzania materiałów metalicznych są bardzo zróżnicowane, zależnie od rodzaju materiału, ale zawsze wywieraj 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 tzw. wlewek przeznaczony do obróbki plastycznej na gorąco lub zimno.

Struktura, a więc i własności, zależą głównie od metody formowania i przeważnie są bardziej korzystne po obróbce plastycznej niż po odlewaniu. Pewien wpływ wywiera również sposób obróbki plastycznej, która może polegać na kuciu, prasowaniu, ciągnieniu, wyciskaniu, walcowaniu.

Inna metoda wytwarzania metali opiera się na metalurg! proszków, tzn. prasowaniu i spiekaniu, która ma wiele zalet a mianowicie pozwala na uzyskanie gotowych elementów, o duże jednorodności chemicznej i strukturalnej i jest bezkonkurencyjna jeśli chodzi o wytwarzanie metali trudno topliwych (Pt, W, Mo).

Mniejsze zastosowanie mają metody galwaniczne i natryskowe, które są stosowane głównie do tworzenia warstw wierzchnich.

W.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, wyciskanie i rozdmuchiwanie.

Dość szeroko są stosowane tworzywa sztuczne do wytwa­rzania powłok antykorozyjnych, np. metodą natryskową lub flu­idalną.

W.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 wylewanie tafli szklanych.

W.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 gamę metod, dostosowanych do specyfiki materiałów, z któ­rych są wytwarzane.

W.13. Jaki jest związek między metodą wytwarzania a strukturą oraz własnościami materiałów?

Związek ten jest bardzo istotny. Na przykład w metalach własno­ści wyrobów są znacznie lepsze po obróbce 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 ogól większą wy­trzymałość niż jednofazowe. Szkło metaliczne cechuje bardzo wy­soka wytrzymałość, ale znikoma ciągliwość.

W przypadku polimerów również istnieje wyraźna zależność między strukturą a własnościami; termoplasty mają budowę łań­cuchową a struktura duroplastów jest wynikiem przestrzennego sieciowania liniowych cząsteczek żywicy.

W.14. Jakie są zewnętrzne czynniki wpływające na własności materia­łów?

Do czynników wpływających na własności materiałów należą:

1. sposób obciążenia (statyczny, dynamiczny, zmienny, w zakre­sie sprężystości lub odkształcenia plastycznego),

2. temperatura (ze wzrostem temperatury obniżają się własności wytrzymałościowe, ale rośnie plastyczność, z obniżeniem zwiększa się skłonność do kruchego pękania),

3. atmosfera (zwykle atmosfera zawierająca tlen wpływa de­strukcyjnie na metale i polimery; niektóre metale mają skłon­ność do pochłaniania gazów, co powoduje ich kruchość),

4. korozja (metale mogą ulegać korozji gazowej przy wysokich temperaturach w atmosferze zawierającej tlen i siarkę; mogą także korodować 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),

5. 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).

---