Wrocław, 05.03.2009
Materiałoznawstwo
materiały pomocnicze do wykładu doc. dr inż. Grzegorza Pękalskiego
dla Studentów Wydziału Mechanicznego
kierunków Zarządzania i Inżynierii Produkcji, Mechatroniki i Studium Kształcenia Podstawowego
Temat: Materiały a cywilizacje
Nauka o materiałach spośród wszystkich innych nauk przyrodniczych jest chyba najbardziej zdolna do łączenia intuicji z logiką, piękna z użytecznością i mikroświata atomu z makroświatem. Jeśli to prawda - a wierzę, że tak jest - to nie oczekuj, że w czasie tego wykładu otrzymasz zbiór „logarytmów, wzorów i formułek“. Jego myśl przewodnia zawiera się raczej w tekście Johna R.Platt'a, „Science“, 1964 rok:
„Mówi się, że nauka nie jest nauką, dopóki nie daje się skwantyfikować. Zastępujemy rozumowanie zasadnicze przez układanie równań, badanie zaś związków przyczynowych przez obliczanie korelacji. Pomiary i równania mają podobno wyostrzyć umysł, jednak… częściej uczą myślenia bezładnego i prowadzonego systemem „szufladkowania“. Pojawia się charakterystyczna tendencja do tego, aby stały się one same celem naukowych manipulacji, zamiast tego, by być narzędziem pomocniczym rozumowania w formułowaniu podstawowych wniosków.
Wiele, być może większość, wielkich tematów w nauce ma charakter jakościowy, nie zaś ilościowy - nawet w fizyce i chemii. Równania i pomiary są pożyteczne tylko wtedy, gdy celem ich jest potwierdzenie dowodu. Jednakże udowodnienie tezy, albo jej obalenie musi być czynnością pierwszej wagi i dowód jest w gruncie rzeczy najpewniejszy, gdy jest w pełni przekonywujący bez jakichkolwiek pomiarów ilościowych.
Innymi słowy: można zjawiska uchwycić i umieścić je jak gdyby w skrzynce logicznej, albo też matematycznej. Skrzynka logiczna jest chropowata, ale za to mocna; skrzynka matematyczna ma ściany dokładnie wygładzone, ale sama jest słaba. Skrzynka matematyczna jest pięknym opakowaniem problemu, lecz nie wyjśni zjawisk, jeśli nie zostały one umieszczone najpierw w skrzynce logicznej.“
Materiałem nazywamy te wszystkie skondensowane, czyli stałe substancje, których właściwości czynią je użytecznymi dla ludzi, gdyż wykonujemy z nich złożone produkty pracy. Znaczenie materiałów zostało już dawno dostrzeżone przez antropologów. Wynika to ze stosowanej przez nich definicji gatunku homo sapiens - jako stworzenia, które potrafi wytwarzać narzędzia.
Gdyby ktoś miał wątpliwości czy materiały rzeczywiście wywierały istotny wpływ na cywilizację, to niech odpowie sobie na pytania:
Dlaczego pan Christian Thompsen (duński archeolog z XIX wieku) podzielił prehistorię na trzy okresy: epokę kamienia łupanego, brązu a potem żelaza?
Dlaczego po epoce żelaza mówimy (od połowy XIX wieku) o epoce stali, a obecnie o epoce półprzewodnika?
Biorąc pod uwagę sposoby wytwarzania i wykorzystania materiałów można wyodrębnić cztery fazy rozwojowe:
Fazę umiejętności naturalnych
Fazę sztuki rzemieślniczej
Fazę wynalazków inżynierskich
Fazę odkryć naukowych.
Każda z nich związana była z pojawieniem się określonych formacji społecznych i niosła ze sobą daleko idące przeobrażenia świata.
Faza umiejętności naturalnych
Jest charakterystyczna dla niezorganizowanych społeczeństw pastersko-myśliwskich sprzed epoki brązu. Na Bliskim Wschodzie zaczęła się ona ok. 3000 lat p.n.e., w Europie ok. 2000 lat p.n.e., zaś koniec epoki brązu przypada pomiędzy 1000 a 700 r p.n.e..
Związana była z używaniem materiałów łatwo dostępnych (naturalnych) na własne potrzeby. Były to: kamienie, skóra, glina a także kompozyty naturalne czyli kości i drewno. Te materiały można było stosować bez podania ich głębokiej obróbce, czyli nie wymagało to szczególnych umiejętności. Zatem nie zachodziła potrzeba specjalizacji.
Odkrycie, które zakończyło tę fazę (ok. 4000 lat p.n.e. - Jerycho) nastąpiło w chwili, gdy pierwszy mieszkaniec Bliskiego Wschodu ogrzewając miękką i łatwo formowalną glinę, uzyskał trwałą ceramikę krystaliczną. Dzięki temu zapewne doznać musiał boskiego uczucia, że panuje nad przyrodą.
Faza sztuki rzemieślniczej
Obejmuje epokę brązu i wczesną epokę żelaza. Bazowała na odkryciach wynikających z kojarzenia prostych faktów przez niektórych, bardziej spostrzegawczych i rozumnych ludzi. Powodowało to specjalizację pracy.
Wynalezione w tym czasie technologie mistrzowie przekazywali swoim następcom jako pilnie strzeżone tajemnice. Najczęściej okraszono je także magią. Napisana jeszcze pismem klinowym instrukcja ochrony własności intelektualnej brzmiała: „Niech wtajemniczony pokaże to wtajemniczonemu, niewtajemniczony niechaj tego nie ogląda. Należy to do spraw stanowiących tabu rzeczy wielkich bogów.“.
Najważniejszym odkryciem tej fazy było opanowanie umiejętności redukowania rud metali za pomocą węgla drzewnego i otrzymywanie w wyniku tego procesu metali. Opanowano przy tym sztukę ich odlewania i kucia. W ten sposób wytworzono i zastosowano materiały, które nie występowały w przyrodzie. Zauważono, że stop Cu-Sn jest znacznie twardszy od miedzi i zastosowano go na miecze. Jeszcze później zaczęto je robić z żelaza i obrabiać cieplnie , .
W fazie sztuki rzemieślniczej pojawiły się emalie, szkło i papier. Najpierw na Dalekim Wschodzie, a dopiero ho, ho później w Europie (Martini z Rotterdamu). Odkrycia te doprowadziły do głębokich zmian społecznych - zaistniała potrzeba podziału i specjalizacji pracy. Produkcja była zbyt duża jak na lokalne potrzeby i musiał rozwinąć się handel. Wynaleziono pieniądz, budowano drogi a konie i narzędzia rolnicze „uzbrojono“ w żelazne podkowy i lemiesze.
Jednak technologie przetwórstwa materiałów były niedokładne i mało powtarzalne. Stąd np. miecze, które przypadkiem udało się we właściwy sposób obrobić cieplnie są do dzisiaj owiane legendą (Excalibur). Uznaje się, że fazę tę wieńczy wydane w roku 1556 dzieło Agricoli pod tytułem „De Re Metallica“. Zatem trwała ona bardzo długo spinając świat antyczny z czasami nowożytnymi.
Faza wynalazków inżynierskich
Rozpoczeła się pod koniec XVIII wieku i wiązała się z przemianami epoki Oświecenia. Pierwsi inżynierowie wiedzieli, że każdy materiał ma swoje odrębne właściwości i nauczyli się go obrabiać w powtarzalny sposób. Jednak złożoność natury materiałów wymykała się ich intelektom: „Dlaczego?“ było w tym czasie najtrudniejszym pytaniem.
Ważna zmiana nastąpiła w połowie XIX wieku, kiedy to opanowano skutecznie metody analizy chemicznej oraz technologię produkcji stali (plastycznej i wytrzymałej). Zaczęto wprowadzać kolejno - zamiast stali zgrzewnej - stal zlewną - potem zlewną niskowęglową, potem o podwyższonej zawartości węgla, jeszcze później stale zawierające Si i Ni. Wprowadzono metody masowego wytwarzania stali (Bessemer 1856r., Siemens 1863 r., bracia Martinowie 1865 r.). Wywołało to 10-krotny spadek ceny stali i ogromny wzrost produkcji (1850 rok - 60 tys. ton, 1900 rok - 28 mln. ton a obecnie 700 mln. ton). Jeszcze w latach 60-tych XX wieku poziom produkcji stali był miarą potęgi przemysłowej i militarnej państwa.
Teraz ta sytuacja uległa zmianie - ogólna produkcja stali spada. Ważniejsza jest produkcja stali wysokojakościowych. W fazie wynalazków inżynierskich przeszkodą w zaspokajaniu rosnących potrzeb stanowiła niewielka różnorodność i niski stopień wyspecjalizowania materiałów (głównie doskwierał brak materiałów narzędziowych - twardych i odpornych na ścieranie).
Wynalezienie stopowych stali szybkotnących (Taylor i White - 1900 rok) udostępniło narzędzia, które mogły skrawać nawet po rozżarzeniu do czerwoności. Prawie w tym samym czasie - 1903 rok - Ford i Taylor opracowali zasady produkcji seryjnej i masowej rewolucyjnie obniżającej koszty produkcji. Tę ogromną „produkcję“ np. samochód Ford T3) ktoś musiał nabywać - spowodowało to z kolei poprawę sytuacji ekonomicznej społeczeństw w krajach uprzemysłowionych.
Udoskonalenie technlogii w tej fazie następowało głównie dzięki wynalazkom praktyków - inżynierów, a rola badań naukowych, chociaż istotna, była jednak stosunkowo mała. Postęp wynikał z działań empirycznych (metoda prób i błędów) oraz intuicji opartej na wątłych podstawach naukowych.
Faza odkryć naukowych
Jej początek datuje się na połowę XX wieku. Wtedy to właściwie nastąpił skokowy wzrost zainteresowania materiałami spowodowany ogromnymi zadaniami badawczymi (zbrojenia, program atomowy, kosmiczny i lotniczy, telekomunikacja, informatyka). Powody tworzenia takich programów to np.:
Do kwietnia 1946 roku ujawniono pęknięcia w ponad tysiącu frachtowców zbudowanych w czasie II Wojny Światowej. Dziewięć tankowców i trzy transportowce typu „Liberty“ przełamały się „na pół“ i zatoneły z powodu pęknięć w strefach wpływu ciepła połączeń spawanych - stale niskostopowe o podwyższonyej wytrzymałości - spawalne.
31 stycznia 1951 roku (zwracam uwagę, że była to zima) podczas przejazdu tylko jednego samochodu zerwany został most drogowy w Quebec`u (Kanada). Zniszczone zostały trzy przęsła mostu - każde o rozpiętości 50 metrów. Most ten oddano do użytku w 1947 roku. Stąd wynikają badania nad zachowaniem się materiałów w obniżownych i niskich temaperatutrach oraz określanie dla nich temperatury przejścia plastyczno-kruchego.
W grudniu 1982 roku w USA dokonano pierwszego wszczepienia człowiekowi sztucznego serca. Podstawowym materiałem konstrukcyjnym było aluminium (zapewne stop aluminium). Ze stopu tego zrobiono rusztowanie, które następnie pokryto materiałem poliestrowym. Mówiłem Wam już, że prace nad sztucznym sercem trwają nadal. Wstyd to ogromny dla Polski, że prof. Zbigniew Religa musi się przeobrażać w żebraka, by zbierać środki na tego rodzaju prace.
Podstawę intelektualną fazy odkryć naukowych było zrozumienie, że metody opracowania nowych materiałów wymagają pogłębionej wiedzy o tym, DLACZEGO materiał zachowuje się w taki, a nie inny sposób. Jest to możliwe dzięki sukcesom fizyki z XX wieku, a także ze względu na wysoki rozwój metod badawczych.
Postęp, który nastąpił w zakresie opracowywania nowych materiałów i ich wpływ na przeobrażenia cywilizacyjne jest szybki i niezwykły. Najbardziej spektakularnego, powszechnie znanego przykładu dostarczają wspomniane już półprzewodniki, które umożliwiając powstanie mikroeelektroniki i informatyki radykalnie przeobraziły nasze prywatne oraz społeczne życie.
Inny przykład stanowią materiały polimerowe, które w latach 60-tych bardzo wolno torowały sobie drogę do zastosowań konstrukcyjnych, aby na początku lat 80-tych w wielu krajah np. we Francji, przekroczyć objętością produkcji łączną objętość wytapianej stali i aluminium. Łatwo widocznym społecznym skutkiem masowego stosowania poliemrów w budowie sprzętu mechanicznego (co wymagało zresztą przezwyciężenia wielu nawyków wśród konstruktorów i producentów) był spadek jego cen i upowszechnienie, czego skutki widzimy np. w naszych gospodarstwach domowych.
Wprowadzenie nowego materiału, którym były wytrzymałe i lekkie kompozyty o osnowie polimerowej, zbrojone początkowo włóknem szklanym lub organicznym, a później również włóknem węglowym i borowym, miało na celu przede wszystkim obniżenie masy samolotów i samochodów, a przy sposobności, dzięki polepszeniu jakości sprzętu, obniżeniu jego ceny i zwiększeniu skali produkcji spopularyzowało i zdemokratyzowało wiele gałęzi sportu i rekreacji (narciarstwo, żeglarstwo, wędkarstwo) zmieniając w ten sposób nasze obyczaje.
Oberwujemy wyraźny wpływ również na wyniki sportowe. Zastąpienie bambusa metalem, a następnie kompozytami znajduje swoje odzwierciedlenie w kilkumetrowym wzroście rekordu świata w skoku o tyczce. Zwykle bywa tak, że zanim nowy materiał zostaje wprowadzony do budowy bardziej odpowiedzialnych konstrukcji, takich jak np. samochody czy samoloty, znajduje zastosowanie w sprzęcie sportowym i rekreacyjnym (jak to było w przypadku np. kompozytów) lub urządzeniach powszechnego użytku. Dzieje się tak dlatego, że wytwórca uzyskuje w ten sposób do dyspozycji ogromny poligon doświadczalny, a poza tym drobny, ale masowy odbiorca, wiedziony chęcią posiadania coraz lepszego sprzętu czy snobizmem, chętnie płaci zań nieco większą cenę przejmując tym samym znaczną część kosztów ponoszonych na badaniai i rozwój.
Kolejnego przykładu wpływu materiału na cywilizację dostarcza optoelektronika (fotonika). Dzięki opracowaniu włókien ze specjalnych szkieł światłowodowych o przezroczystości o cztery rzędy wielkości większej niż najlepszych szkieł optycznych można było tradycyjny nośnik informacji, którym są impulsy elektryczne, zastąpić fotonami emitowanymi przez półprzewodnikowy laser, co zrewolucjonizowało telekomunikację nie tylko dzięki zwiększeniu jakości, gęstości i niezawodności transmisji (pierwszy transatlantycki kabel światłowodowy uruchomiono w 1992 roku - pozwala on na równoczesne prowadzenie 40 000 rozmów), ale również przez umożliwienie łączności multimedialnej.
Podsumowanie
Podobnych przykładów jest wiele. Wprowadzenie nowych, nasyconych wiedzą naukową materiałów do praktyki przemysłowej przyczynie się do powstawania nowych zawodów, nowych gałęzi przemysłu oraz nowych rodzajów usług. Materiały takie wymagają zupełnie nowych, zorientowanych na budowę wewnętrzną, zaawansowanych techniologii syntezy i przeróbki. Ich rozwój i upowszechnienie prowadzi też do konieczności zmiany dotychczasowych form organizacyjnych. Dominującą rolę w przeobrażeniach społeczno-gospodarczych krajów o najwyższym poziomie cywilizacji przestały bowiem odgrywać dymiące huty i gigantyczne zakłady mechaniczne.
Pozdrawiam,
Grzegorz Pękalski
Materiał dydaktyczny opracowany został na podstawie:
Maciej władysław Grabski - „Istota inżynierii materiałowej“ - Oficyna Wydawnicza Politechniki Wawszawskiej, Warszawa 1995;
Leszek Andrzej Dobrzański - „Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo“ - WNT, Gliwice-Warszawa 2002;
Kilka „staroci“, encyklopedii, a nawet gazet.
Autor materiału: docent dr inż. Grzegorz Pękalski
Redakcja: mgr inż. Milena Dziębaj
Taki stop nazywa się brązem cynowym, są też inne brązy aluminiowe, berylowe…
Oto „karta technologiczna“ dla stali damasceńskiej (1300 lat p.n.e.): „Miecz żelazny nagrzać, aż zaświeci blaskiem wschodzącego słońca pustyni. Wtedy ochłodzić do barwy cesarskiej purpury zatapiając w ciele muskularnego niewolnika. Moc niewolnika przechodzi do kindżału i przydaje mu twardości.“. Technologia średniowieczna nie była aż tak okrutna, ale też ciekawa i uzasadniona - zalecała bowiem chłodzenie rozgrzanego miecza w moczu rudego chłopca.
Kiedyś nie wiedziałem, że w „Odysei“ są fragmenty dotyczące obróbki cieplnej metali, a przecież: „Jako kowal siekierę ukutą w kuźnicy kładzie w wodę dla hartu. Straszny syk powstaje, przez co mistrz swej robocie trwałą dzielność daje.“ Także: „Zwycięzcom igrzysk wręczono w nagrodę kawałek żelaza i kawałek złota.“.
Upowszechnienie umiejętności czytania wśród rzemieślników i usprawnienie przekazywania informacji oraz wzrost zainteresowania „uczonych mężów“ sprawami przyrody.
1
Wyszukiwarka