Geneza, istota, zadania i metody inżynierii materiałowej.
Notatka z komentarzem z książki M.W. Grabskiego- „Istota inżynierii materiałowej”-Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 1995
Pierwszym materiałem, którym zainteresowała się nauka nowożytna była tajemnicza i nieprzewidywalna stal- czyli stop żelaza z węglem. Wraz z rozwojem metod analizy chemicznej oraz wykryciem roli utleniania w procesie metalurgicznym wytwarzania stali skutkowało to opracowaniem wydajnych i powtarzalnych metod jej produkcji. Sukcesy te spowodowały, że analiza chemiczna stała się główną metodą charakteryzowania stali. Dlatego w tym czasie (koniec XVIII i początek XIX wieku) materiały stanowiły domenę zainteresowania chemii i metalurgii. To chemiczno - metalurgiczne podejście do materiałów sprowadzało się do rozpatrywania związków pomiędzy ich składem chemicznym i technologią wytwarzania a podstawowymi cechami użytkowymi (plastyczność, kruchość, twardość). Równocześnie, wraz z rozwojem w budownictwie konstrukcji stalowych i matematycznych metod ich projektowania, pojawiła się konieczność opracowania metod i parametrów charakteryzowania ich własności mechanicznych. W tym czasie pierwsi metalografowie zaobserwowali, że mikrostrukturę można kształtować przez zmiany składu chemicznego i przez obróbkę cieplną oraz, że między mikrostrukturą a cechami użytkowymi materiałów istnieje bezpośredni związek.
Stwierdzono też, że występująca w stali faza, wpływająca na twardość stali to cementyt i jest on węglikiem żelaza (Abel 1888r). Wielki wpływ na kształtowanie wiedzy o materiałach miały prace nad wyjaśnieniem zjawisk zachodzących podczas hartowania stali. Cytowałem Wam podczas wykładów starożytne i średniowieczne karty technologiczne hartowania. Mówiłem także, że procedury to były opatrzone elementami magii i nie były powtarzalne. Dopiero w roku 1868 Czernow badając różne czynniki wpływające na jakość luf armatnich odkrył, że aby stal się zahartowała musi być uprzednio nagrzana do ściśle określonej, krytycznej temperatury. Był to podstawowy krok do stworzenia naukowych podstaw technologii obróbki cieplnej stali. Wkrótce metalami zaczęli interesować się oprócz chemików, metalurgów i metalografów także fizycy. Wiązało się to z rozwojem zastosowań elektryczności i potrzebą opracowania materiałów na przewodniki, magnesy i oporniki. Spowodowało to wzrost zainteresowania innymi niż stal stopami, doprowadziło do odkrycia i określenia roli wtrąceń niemetalicznych oraz faz międzymetalicznych. Wraz z opracowaniem metody dokładnego pomiaru temperatury (termopara - Le Chatelier -1888 r) możliwa była analiza termiczna stopów i wyznaczanie wykresów równowagi fazowej stopów. Badanie układów równowagi stanowi do dzisiaj aktywną dziedzinę nauki ze względu na ich podstawowe znaczenie dla projektowania materiałów czy oceny przewidywanych ich zachowań w określonych warunkach. Zatem teraz już wiecie Państwo dlaczego pierwszym warunkiem zdania u mnie egzaminu jest bliska znajomość z wykresami równowagi faz. Niezwykle pobudzającym wyobraźnię stało się odkrycie zjawiska rekrystalizacji, dzięki której umocniony w wyniku odkształcenia plastycznego metal po ogrzaniu do odpowiedniej temperatury powraca do swoich pierwotnych własności.
Ten wczesny, metalograficzny okres rozwoju stworzył techniczne i intelektualne podstawy do badania związków między budową fazową stopów, mikrostrukturą i właściwościami metali i ich stopów. W przededniu I wojny światowej prace nabrały zorganizowanego charakteru z racji intensywnych zbrojeń. Doprowadziło to do wykształcenia nowej, rozwijanej do dzisiaj dyscypliny METALOZNAWSTWA, której metalografia stała się częścią składową. METALOZNAWSTWO TRUDNI SIĘ BADANIAMI BUDOWY FAZOWEJ METALI I STOPÓW ORAZ ZACHODZĄCYCH W NICH PRZEMIAN Z PUNKTU WIDZENIA MIKROSTRUKTURY ORAZ ICH RELACJI Z TECHNOLOGIĄ I WŁAŚCIWOŚCIAMI. Naturalną konsekwencją wnikania przez metaloznawców w problemy budowy wewnętrznej tworzyw metalicznych była konieczność wykorzystywania osiągnięć w fizyce, chemii i krystalografii.
Tuż przed I wojną światową miały miejsce dwa zdarzenia, które zintegrowały trwale fizyką z metaloznawstwem. W 1906 roku odkryto przypadkowo zjawisko starzenia w temperaturach otoczenia stopów Al - Cu. Tu dygresja natrętna o studiowaniu na IPS. Moim zdaniem po przeczytaniu fragmentu tego tekstu o starzeniu stopów Al-Cu student IPS natychmiast dowiaduje się z najbliższego podręcznika na czym ten proces polega i czym skutkuje. Na odwrocie kartki tego materiału robi sobie notatkę,którą bezwiednie nawet przeczyta przygotowując się do egzaminu. Tak On(ten student)robi zawsze, gdy natrafi na lukę we własnej wiedzy. Drugi fakt to odkrycie przez Lauego w roku 1912 dyfrakcji promieni rentgenowskich na sieci krystalicznej i na podstawie tej metody wykazanie, że metale mają strukturę krystaliczną. Rozważania na temat budowy materiałów w skali atomowej nabrały tym samym sensu fizycznego. Również i fizyka czerpała inspirację z metaloznawstwa, gdy okazało się, że obserwowanych w metalach zjawisk nie da się objaśnić przy założeniu, iż atomy w sieci krystalicznej są idealnie uporządkowane. W rezultacie , w latach 30 XX wieku powstały podwaliny teorii defektów budowy krystalicznej. Te osiągnięcia odnosiły się początkowo do metali, jednak stopniowo strukturalne podejście zaczęto stosować do innych materiałów. W tych samych latach 30 XX wieku chemicy ustalili makrocząsteczkową budowę polimerów, powstały też podstawy mikrostrukturalnego podejścia do ceramik. Realizacja wielkich programów badawczych (np. programów atomowych i kosmicznych) wymusiła bezpośrednią współpracę metaloznawców z fizykami, chemikami i krystalografami. Jednym ze skutków tego procesu, wiążącym, się przede wszystkim z rosnącym zainteresowanie innymi tworzywami niż metale (półprzewodniki) było przekształcenie się fizyki metali w fizykę ciała stałego. Stanowi ona obecnie fundament nauki o materiałach. Doprowadziło to na początku lat 60 XX wieku do wyłonienia się NAUKI O MATERIAŁACH I INZYNIERII MATERIAŁOWEJ. ŁĄCZY ONA CAŁOŚĆ ZAJMUJĄCYCH SIĘ MATERIAŁAMI DZIEDZIN NAUKI: METALOZNAWSTWO, CERAMIKĘ I FIZYKOCHEMIĘ POLIMERÓW, FIZYKĘ CIAŁA STAŁEGO, KRYSTALOGRAFIĘ, CHEMIĘ FIZYCZNĄ, MECHANIKĘ OŚRODKÓW CIĄGŁYCH I ELEMENTY ZWIĄZANYCH Z MATERIAŁAMI DYSCYPLIN INŻYNIERSKICH.
Sukcesy nauki o materiałach i inżynierii materiałowej oraz świadomość, że wykształcenie specjalistów w tej dziedzinie wymaga innych podstaw niż te, które były wykładane na poszczególnych wydziałach spowodowały wydzielenie kształcenia w tej dyscyplinie. W Polsce proces ten zapoczątkowano w roku 1973.
Zadania inżynierii materiałowej:
Dostosowywanie materiałów do ekonomicznego zaspakajania określonych potrzeb przez opracowywanie nowych materiałów lub udoskonalanie istniejących tworzyw.
Charakteryzowanie materiałów pod względem budowy fazowej, mikrostruktury i właściwości.
Przewidywanie i wykorzystywanie wpływu jaki wywiera na materiał technologia jego syntezy i przetwarzania.
Przewidywania zachowania się materiału w czasie jego pracy.
Badanie przydatności materiału do spełniania wymagań.
Rozwiązywanie problemów materiałowych w zaawansowanych systemach technicznych.
Intelektualną podstawą i najistotniejszą cechą metody inżynierii materiałowej stanowi to, że w celu zrealizowania swoich zadań posługuje się ona analizą wielostronnych wzajemnych zależności istniejących pomiędzy czterema jej głównymi aspektami. Z tego wynika być może nudna już dla studentów ZiP-u konieczność zapoznania studentów IPS z zasadami analizy systemowej.
. zachowanie
. własności
technologia .
struktura .
Rys.1. Podstawowe aspekty inżynierii materiałowej.
Inżynieria materiałowa jest jedną z najkosztowniejszych dyscyplin naukowych i technicznych. Realizacja każdego z jej czterech podstawowych zadań jest związana ze stosowaniem bardzo kosztownych urządzeń technologicznych i wyspecjalizowanej aparatury badawczej. W czasie wykładu postaram się też wskazać na trudności w rekrutacji i kształceniu studentów w zakresie inżynierii materiałowej. Obecnie w Polsce wydziały inżynierii materiałowej przeżywają kryzys rekrutacyjny mimo, że atrakcyjnych ofert pracy dla takich specjalistów jest bardzo dużo. Na Wydziale Mechanicznym Politechniki Wrocławskiej tylko raz uruchomiono specjalność „ Inżynieria materiałów konstrukcyjnych”. Także w tym roku akademickim zgłoszeń nie było dostatecznie dużo. Dlaczego zatem rekrutacja w ramach IPS była udana?
UWAGA: Przedkładany materiał proszę traktować tylko jako notatki z wykładu.
Grzegorz Pękalski
25 sierpnia 2009
Wyjaśnienia i straszenia:
Jak widzicie powyżej tekst ten powstał w roku ubiegłym. Nic w nim nie zmieniam ale rozmawiałem z każdym Studentem w czasie długiego egzaminu (średnio trwał ten egzamin 1 godzinę) o zastrzeżeniach dotyczących przebiegu i organizacji zajęć. Były. Dlatego też w czasie pierwszego wykładu chcę się do nich odnieść, bo i warunki jego realizacji się zmieniły.
W tym roku akademickim w naborze na IPS dominowali studenci mechatroniki. W czasie wykładu na tym kierunku nic nie mówiłem o systemowym podejściu do rozwiązywania zagadnień naukowych (w tym materiałowych). Nie miałem na to czasu, a i jedna mądra Joasia tak mi poradziła. Z punktu widzenia „kursowego” studenta miała rację, ale z pozycji studenta IPS chyba już nie. Dlatego też (chcecie, czy nie chcecie) będę Was tym zagadnieniem nękał w wymiarze większym niż to robiłem przykładowo na ZiP-ie. Sądzę, że warto, a to z kolei przekonanie podbudowuje opiniami absolwentów IPS. Będzie Wam trudno to zaakceptować, bo dominuje wśród studentów przekonanie, że trzeba realizować precyzyjnie i konkretnie zarysowany program wykładu, potem najlepiej dostać zestaw pytań egzaminacyjnych, bardzo dobrze się przygotować a następnie zdać egzamin. Podstawowym zarzutem do mojego wykładu było stwierdzenie: „z czego i czego mam się przygotować do egzaminu”.
Informuję uprzejmie, że także będziecie je sobie zadawać, chociaż mam nadzieję, że z mniejszą niż poprzednicy intensywnością. Wykład nie ma za zadanie nauczyć Was inżynierii materiałowej, powinien on nauczyć myślenia w kategoriach szeroko pojmowanej inżynierii materiałowej, wskazać na jej założenia, interdyscyplinarność, pokazać jej perspektywy. Sam IPS zaś jest próbą stworzenia warunków do studiowania w realiach zbliżonych do tych jakie stwarzają „Uniwersytety Trzeciej Generacji”. W tym celu powiem Wam o takich uniwersytetach, nie bacząc na możliwe do przewidzenia refleksje typu: „po co on nam o tym mówi, przecież to nie jest inżynieria materiałowa”. Wskażę, że „awangardowe systemy kształcenia” były realizowane także w Polsce, już w dwudziestoleciu międzywojennym (1918 - 1939) np. w ośrodku akademickim we Lwowie (taki ówczesny IPS). Niektóre wybitne osobistości z tego ośrodka znalazły się po II wojnie światowej we Wrocławiu, mogłem się nawet z Nimi spotkać (np. Prof. Hugon Dionizy Steinhaus). Niestety nie skorzystałem z tej niezwykłej szansy, uważałem, że nie mam czasu (uczyłem się zamiast studiować).