15742 IMG12 313 (2)

312 14. Wpływ mikrostruktury na właściwości stopów

14.5. NOWE MOŻLIWOŚCI KSZTAŁTOWANIA STRUKTURY MATERIAŁÓW

Dwa ważne czynniki decydują o właściwościach materiałów: są to możliwości kształtowania ich struktury oraz techniki wytwarzania, przetwarzania (lub uszlachetniania), praktycznie umożliwiające uzyskiwanie oczekiwanych struktur z minimalizowaniem występowania takich wad, jak np. mikropęknięcia, pory, obecność niepożądanych faz. Współczesna technika stawia nowe i coraz większe wymagania materiałom, bez których nie byłaby możliwa realizacja zaawansowanych koncepcji konstrukcyjnych lub rozwiązali funkcjonalnych. Inżynieria materiałowa odpowiada tworzeniem nowych klas materiałów. Takimi nowymi klasami materiałów są np. materiały z gradientem właściwości i materiały nanokrystaliczne.

Materiały z gradientem właściwości stanowią rodzinę materiałów charakteryzujących się tym, że skład chemiczny i będąca jego skutkiem struktura fazowa zmieniają się w sposób ciągły na przekroju półfabrykatów lub gotowych wyrobów. Gradienty stężenia składników występują często w wyniku rzeczywistych warunków otrzymywania materiałów (np. krzepnięcie stopów metali - punkt 6.3) lub zabiegów obróbki cieplno-che-micznej, ale zwykle są one słabo kontrolowalne. Istotą materiałów z gradientem właściwości jest natomiast projektowanie gradientów stężenia składników (a więc ciągłej zmiany struktury) w sposób optymalny.

Ideę materiałów z gradientem właściwości przedstawiono w Japonii w 1984 r„ a w 1987 r. wykorzystano ją do projektowania nowych materiałów płaszcza statków kosmicznych (wymagane: duża żaroodpomość powierzchni zewnętrznej, odporność na duże gradienty temperatury, duża wytrzymałość przy wewnętrznej powierzchni płaszcza - rys. 14.6).

żoroodporność

Rys. 14.6. Schemat wpływu zmian w udziale faz (kółka i krzyżyki) na zmianę właściwości przekroju (między powierzchniami A i B)

Materiały z gradientem właściwości mogą być wytwarzane licznymi metodami (np. metalurgicznymi, obróbki cieplno-chemicznej, procesami fizykochemicznymi).

gakres ich zastosowania stale wzrasta i są to nie tylko materiały konstrukcyjne, ale także coraz częściej funkcjonalne (np. w elektronice, w technice nuklearnej, biomateriały)-

Proste materiały z gradientem właściwości wytwarzane były niejednokrotnie intuicyjnie. Wytworzenie zaawansowanego materiału wymaga jednak opracowania modelu fizycznego i matematycznego z zastosowaniem metody elementów skończonych i projektowania komputerowego. Wybór metody wytwarzania powinien następować w sprzężeniu zwrotnym z doskonaleniem opracowanego modelu.

Nanomateriaty stanowią klasę materiałów, w których wielkość agregatów atomowych (np. ziaren krystalicznych) nie przekracza 100 nanometrów (dla niektórych rodzajów nanomaterialów granica ta jest niższa). W porównaniu z materiałami o mikro-raetrycznej wielkości ziarna nanomateriały wykazują różnice w zakresie wielu własności fizycznych (np. gęstość, ciepło właściwe, współczynniki dyfuzji, współczynniki rozszerzalności cieplnej, temperatury przemian fazowych, mikrotwardość, moduł Younga). Wytwarzane są w postaci warstwy (np. magnetyczne nośniki zapisu informacji) lub jako materiały masywne (np. konstrukcyjne). W tym drugim przypadku można rozpatrywać nanomateriały metaliczne (jednofazowe lub wielofazowe), złożone z faz międzymetalicznych oraz ceramiczne. Dla nanomaterialów metalicznych obserwuje się dużą wytrzymałość, czego można by oczekiwać na podstawie zależności Halla i Petcha (punkt 10.1.1), gdyby nie to, że w zakresie bardzo małych wielkości ziarna zależność ta przestaje obowiązywać. Należy zauważyć, że przy małych średnicach ziaren bardzo duża część atomów znajduje się w ich granicach (tym więcej, im mniejsza jest wielkość ziarna) i że możliwe są mechanizmy dyfuzyjne. Mechanizm umocnienia nanomaterialów nie jest wystarczająco wyjaśniony, zwłaszcza w zakresie ziaren o wielkości 3 + 15 pm, dla którego wyniki nie są jednoznaczne. Istnieje kilka sposobów otrzymywania masywnych nanomaterialów: konsolidacja nanoziamistych proszków (otrzymywanych metodą intensywnego mielenia), nanokrystalizacja szkieł metalicznych (punkt 13.2), rozdrabnianie struktury w wyniku intensywnego odkształcania plastycznego. Uzyskanie lepszej powtarzalności wyników oraz unikanie niepożądanych efektów (np. niejednorodności struktury) stanowi uzasadnienie dla dalszych badań nad metodami otrzymywania nanomaterialów.

Przy wytwarzaniu warstw wykorzystuje się m.in. kondensację z fazy gazowej i osadzanie w wyniku procesów chemicznych. Metody te są stosowane w produkcji masowej.

W przypadku nanomaterialów ceramicznych oczekiwane jest zmniejszenie kruchości.