METALE I STOPY METALICZNE ORAZ ICH
WPA
YW NA ROZWÓJ INŻYNIERII
MATERIAA
OWEJ W POLSCE
Adolf Maciejny
Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii
Politechnika ÅšlÄ…ska
e-mail: [e-mail]
1. Wprowadzenie
Materiały, a przede wszystkim metale i stopy metaliczne, stanowią od
zamierzchłych czasów aż do współczesności podstawę cywilizacyjnego postępu
ludzkości. Szczególne znaczenie materiałów jako nośnika cywilizacji wynika z faktu,
że zwiększają one dostęp człowieka do pozostałych z
ródeł cywilizacji, głownie energii
(w tym żywności) oraz informacji. Stanowią, bowiem tworzywo do wykonywania na
przestrzeni tysiącleci użytecznych dla ludzi produktów-od narzędzi i broni, ozdób,
przedmiotów kultu oraz dzieł sztuki, po maszyny i urządzenia, budowle i konstrukcje
inżynierskie, pojazdy i środki komunikacji, mikroukłady elektroniczne i komputery.
Pojawienie się tych produktów jest ściśle związane z postępem w zakresie tworzyw
metalicznych, w kolejnych fazach rozwoju tych materiałów [1]:
-ð umiejÄ™tnoÅ›ci naturalnych,
-ð sztuki rzemieÅ›lniczej,
-ð wynalazków inżynierskich,
-ð odkryć naukowych.
Rozwojowi materiałów w jego kolejnych fazach towarzyszą głębokie
przemiany społeczne, ekonomiczne, kulturowe i cywilizacyjne.
Pierwszymi metalami, z którymi zetknął się człowiek były najprawdopodobniej
występujące w przyrodzie w postaci wolnej: złoto i miedz
. Miało to miejsce w
państwie Sumerów w V tysiącleciu p.n.e. Ryciny na płytach nagrobnych egipskich
dostojników państwowych z IV i III tysiąclecia p.n.e. wskazują na wysoki poziom
technologii przerobu tego metalu. Złoto to pochodziło z samorodków zawierających
14 Adolf Maciejny
również domieszki srebra, irydu, platyny, palladu i rodu. W starożytnym Egipcie
stosowano oprócz złota, srebra i miedzi, również cynę, ołów, rtęć i antymon.
Punktem zwrotnym w pozyskiwaniu metali i ich stopów było odkrycie, że
miedz
 zanieczyszczona cynÄ… jest znacznie twardsza od czystej miedzi.
W ten sposób prawdopodobnie już w IV tysiącleciu p.n.e. wynaleziono brąz
odznaczający się w porównaniu z czystą miedzią lepszą lejnością oraz większą
wytrzymałością, twardością i podatnością do utwardzania przez kucie. Dzięki tym
właściwościom brąz z upływem lat zyskiwał coraz to nowe i szersze zastosowania.
W Egipcie w II tysiącleciu p.n.e. wysoki poziom osiągnęło odlewnictwo brązu.
Stosowano brązy cynowe, ołowiowe, arsenowe i antymonowe. W Grecji miało to
miejsce dopiero około tysiąc lat póz
niej. Świat starożytny znał ponadto amalgamat
złota stosowany do złocenia powierzchni brązu. Warto podkreślić, że gdy w
Europie hutnictwo cynku rozwinięto dopiero w XVIII wieku n.e. w Chinach
otrzymywano ten metal już kilka wieków wcześniej.
Żelazo jako metal było w świecie starożytnym przez długi czas okryte nimbem
tajemniczości, gdyż zanim otrzymano go przez redukcję rudy, było pozyskiwane z
meteorytów. Z zawartością od 8 do 10% niklu żelazo takie określono jako "miedz
z
nieba i przypisywano mu nadprzyrodzone właściwości. Ślady wyrobów z żelaza
pochodzące z IV tysiąclecia p.n.e. spotkano w Egipcie i dzisiejszym Sudanie. Żelazny
miecz ze złoconą rękojeścią wykonany z żelaza meteorytowego, pochodzący z 3100
roku p.n.e. znaleziono w wykopaliskach starożytnego miasta sumeryjskiego w
południowej Mezopotamii. Jednakże otrzymywanie żelaza z rudy w większej ilości
przez redukcję bezpośrednią węglem drzewnym miało miejsce około 1500 roku p.n.e.
na południe od Kaukazu. Już znacznie wcześniej w Chinach udało się po raz pierwszy
uzyskać stop żelaza z węglem (nazwany stalą od połowy XIX wieku n.e.) otrzymany
przez wytopienie rud żelaza dymarkowego. Również w Azji Mniejszej i Indiach
otrzymywano w połowie II tysiąclecia p.n.e. żelazo nawęglone z rud poprzez ich
przetapianie, jak również zgrzewanie i przekuwanie.
W I tysiącleciu p.n.e. nastąpił intensywny rozwój umiejętności wytapiania i
obrabiania żelaza na obszarze wschodniej części basenu Morza Śródziemnego.
Pojawiły się nieznane dotąd narzędzia m. in. żelazne siekiery do wyrębu lasów i
narzędzia do obróbki drewna (ok. 700 lat p.n.e.), nożyce do strzyżenia owiec (ok.
Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 15
500 lat p.n.e.), kowadła i przeciągadła (ok. 200 lat p.n.e.) oraz inne narzędzia
żelazne [1]. W wyniku tych dokonań żelazo w coraz większym stopniu wypiera
stopy miedzi z szerszego użycia i od około IV wieku p.n.e. rozpoczyna się epoka
żelaza. Wprawdzie już w X wieku n.e. w górach Harzu otrzymywano żelazo w
stanie płynnym w postaci surówki (żeliwa), to jednak metoda jego otrzymywania
na drodze redukcji bezpośredniej dotrwała aż do czasów nowożytnych. Na tej
długiej drodze były wybitne osiągnięcia m. in. w postaci stali damasceńskiej, zbroi
i broni średniowiecznej oraz kolczug tkanych przez Wikingów w X wieku n.e.
Metale i stopy metaliczne epok brązu i żelaza będące wytworem sztuki
rzemieślniczej i rękodzieła stanowiły podstawę postępu cywilizacyjnego przez
ponad cztery tysiąclecia, obejmujące czasy starożytności, średniowiecza i
renesansu, aż do końca XVIII stulecia n.e.
Z upływem czasu umiejętność otrzymywania, przerobu i stosowania tworzyw
metalicznych dotarła z Europy Południowej i Bliskiego Wschodu na obszar Europy
Åšrodkowej i Wschodniej. ÅšwiadczÄ… o tym wykopaliska m. in. na obszarze
południowej Ukrainy w kurhanach Scytów.
Mimo ogromnego postępu w rozwoju tworzyw metalicznych, były one
traktowane przez tysiąclecia jako nieodłączny element środowiska i egzystencji
człowieka, co nie skłaniało do dociekań poznawczych dotyczących ich natury.
Wynikało to po części z ukształtowanego w starożytnej Grecji dualistycznego
widzenia świata, utrwalającego rozdział pomiędzy duchem i materią oraz prymat
teologii i filozofii nad nauką. Zaistniałe w dobie renesansu ożywienie intelektualne
kierowało stopniowo zainteresowanie na materiały jako tworzywo dóbr materialnych.
Znalazło to swój wyraz w wydanym w 1556 roku traktacie Agricoli pod
tytułem De Re Metallica, jak również w poemacie Walentego Roz
dzińskiego pod
tytułem Officina ferraria albo huta i warstat z kuz
niami szlachetnego dzieła
żelaznego, który ukazał się w Polsce w 1612 roku. Były to zwiastuny końca epoki
tworzyw metalicznych opartych na wiedzy i doświadczeniu sztuki rzemieślniczej.
Sprzyjało temu zapoczątkowane ożywienie w naukach ścisłych i przyrodniczych
będące dziełem wielkich umysłów, wśród nich Galileusza (1564-1642),
Kartezjusza (1596-1650), Newtona (1643-1727) oraz wybitnych matematyków:
Leibnitza (1646-1716), Eulera (1707-1783) oraz Laplace a (1749-1827). Jednakże
16 Adolf Maciejny
zapoczątkowanie badań metali i stopów metalicznych jest dopiero zasługą
słynnych fizyków i chemików doby oświecenia w XVIII wieku n.e.
2. Rozwój metaloznawstwa i inżynierskich stopów metali
Zgromadzony na przestrzeni wieków i tysiącleci ogromny zasób umiejętności
rękodzielniczych dotyczących otrzymywania i obróbki metali nie stworzył w tym
zakresie teoretycznych i metodycznych podstaw. Stanowił jednak inspirację do
dociekań i poszukiwań związku  anatomii metalu z jego właściwościami. Jak już
wspomniano, zadanie to podjęli wybitni fizycy i chemicy począwszy od XVIII
stulecia nowej ery. Szczególne miejsce w ich gronie zajmuje R. A. Réaumur, który
w 1722 roku podjął próbę wizualnego wniknięcia w wewnętrzną budowę stopu
żelaza. Jako pierwszy w świecie, badając pod mikroskopem przy powiększeniu
prawdopodobnie mniejszym niż 150x  ziarno stali , wykonał graficzny schemat
wewnętrznej budowy stali, którą to budowę określił jako komórkową (rys.1).
Rys. 1. Budowa komórkowa stali oglÄ…dana pod mikroskopem przez Réaumura w 1722r.:
M- komórki, V- pustki
Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 17
SformuÅ‚owany przez Réaumura poglÄ…d, że obróbkÄ™ cieplna stali należy
tłumaczyć zachodzącymi w niej przemianami wewnętrznymi, ukierunkował
dociekania i badania metali i stopów metalicznych w następnych latach. Odtąd
rozwój tych tworzyw będzie stymulowany postępem wiedzy w zakresie fizyki i
chemii, technologii oraz metod badawczych.
Niemal do połowy XX stulecia n.e. badania metaloznawcze koncentrowały się
na stopach żelaza, w tym szczelnie na układzie równowagi fazowej żelazo-węgiel
[2]. Na przełomie XVIII i XIX wieku grono badaczy ujawniło w stopach żelaza
obecność substancji węglistej, co doprowadziło do stwierdzenia, że zróżnicowanie
cech żelaza, stali i surówki wynika z różnej zawartości w nich węgla. Potwierdzili
to w 1799 roku badacze francuscy Clouet i Guyton de Morveau, którzy po raz
pierwszy otrzymali stal metodą  syntetyczną przez stopienie bez dostępu
powietrza żelaznego tygielka z kawałkiem zawartego w nim diamentu. Dało to
podstawę do określenia stali jako stopu żelaza z węglem. W 1824 roku Karsten
podaje, że węgiel w stopach Fe-C może występować w postaci wolnej jako grafit i
w postaci związanej jako związek chemiczny Fe i C oraz w  masie żelaza (co przy
obecnym stanie wiedzy odpowiada roztworowi stałemu). W połowie XIX wieku
utrwala się pogląd o alotropii żelaza i związku obróbki cieplnej stali z
zachodzącymi w niej przemianami. Fundamentalne znaczenie dla kształtowania
podstaw obróbki cieplnej stali miało odkrycie przez Czernowa punktów
(temperatur) krytycznych w procesie obróbki plastycznej na gorąco stali na
odkuwki armatnie (1868 r.). Intensyfikacji badań przemian w żelazie i stali sprzyjał
gwałtowny wzrost jej produkcji związany z wprowadzeniem procesu
bessemenowskiego (1855 r.) i martenowskiego (1865 r.). Nastała trwająca do
połowy XX wieku era stali. Podczas gdy w połowie XIX wieku światowa
produkcja stali nie przekroczyła ok. 100 tys. ton, to w roku 1900 wyniosła 28 mln
ton. Druga połowa XIX wielu to okres wielkiego postępu w badaniach układu Fe-
C. Ścierały się poglądy dotyczące odpowiedzi na pytania, czy istnieje jeden
(pojedynczy) układ Fe-C, czy też dwa alternatywne układy: Fe-C i Fe-Cgrafit.
Chodziło o odpowiedz
na pytanie, czy grafit wydziela się bezpośrednio z ciekłego
roztworu Fe-C czy też jest produktem rozpadu związku Fe3C. Kontrowersje
dotyczące tego zagadnienia dotrwały aż do lat pięćdziesiątych XX-go wieku [2].
18 Adolf Maciejny
Postęp wiedzy o stopach żelaza przebiegał w wielu etapach. W 1885 roku
Osmond i Werth przedstawili pogląd na strukturę stali, postać węgla i znaczenie
alotropii stali dla obróbki cieplnej. Stwierdzono też, że występująca w
mikrostrukturze stali twarda faza nazwana cementytem, jest węglikiem żelaza Fe3C
(Abel 1888 r.). Równocześnie Sorby definiuje cztery główne składniki strukturalne
stali: czyste żelazo, perlit, węglik żelaza i grafit. W 1895 roku Osmond ujawnił w
zahartowanej stali miękki składnik, który określił jako Feł i nazwał austenitem.
Odkrył również martenzyt jako odrębną fazę w zahartowanej stali. Roberts  Austin
w 1897 roku dokumentują istnienie niezależnych układów Fe-Fe3C i Fe-Cgrafit i
przedstawiają ich pierwsze wersje. Równocześnie Le Chatelier wprowadza do
układu Fe-C pojecie roztworu stałego. Te dokonania kształtują metaloznawstwo
jako dyscyplinę naukową i obszar wiedzy obejmującej znajomość: zjawisk i
procesów występujących w metalach, ich stopach i w materiałach pochodnych,
metod badania metali, charakterystyki składu chemicznego, struktury i własności
użytkowych materiałów metalowych. Pod koniec XIX stulecia następuje
intensyfikacja badań metaloznawczych w USA i Japonii. W roku 1903 H. M.
Howe publikuje w Bostonie opracowanie pt. Iron Steel and Other Alloys uważane
za pierwszy w świecie podręcznik metaloznawstwa.
Trwające od początku XIX wieku badania układu Fe-C stanowiły podstawę
intensywnego rozwoju stopów żelaza. Przy ówczesnym stanie wiedzy
metaloznawczej rozwój ten opierał się z konieczności na empirycznym
wykorzystywaniu metody prób i błędów jak również intuicji, doświadczenia i
wiedzy inżynierów. Postępy industrializacji, techniki i gospodarki stwarzały
zapotrzebowanie na coraz to bardziej wyspecjalizowanie tworzywa metaliczne. Ich
przykładem są: stop łożyskowy Sn-Sb-Cu (Charpy 1847 r.), stal narzędziowa
samohartowna (Mushet 1861 r.), staliwo trudnościeralne (Hadfield 1871 r.), stal
niklowa (Riley 1889 r.), a przede wszystkim stal szybkotnÄ…ca (Taylor i White 1900 r.)
na narzędzia skrawające, które mogły skrawać nawet po rozżarzeniu do
czerwoności. Zwiększanie ilości wytwarzanej stali i związane z tym obniżenie jej
ceny wpłynęło znacząco na jej dostępność w tym na wielkie konstrukcje stalowe
mostów i wiaduktów, hal fabrycznych, dworców i linii kolejowych oraz obiektów
Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 19
infrastruktury. Symbolem tych konstrukcji pozostaje po dzień dzisiejszy wieża
Eiffela (1889 r.) w Paryżu.
PoczÄ…wszy od XVII wieku w kolejnych stuleciach coraz liczniejsze sÄ…
odkrycia w zakresie fizyki i chemii stanowiÄ…ce podstawÄ™ nowych metod badania
materiałów. Wśród tych metod na szczególne podkreślenie zasługuje oparta na
mikroskopii świetlnej metalografia pojmowana przez badaczy jako  opis metalu ,
której rozwój następował w długim przedziale czasu i obejmował:
-ð wynalazek mikroskopu Å›wietlnego; J. i Z. Janssen (Holandia, lata 1560-1590),
Galileusz (1638 r.) zapoczątkowuje rozwój instrumentalnych metod obserwacji
przyrody (teleskop, mikroskop),
-ð Leeuvenhaek (Holandia, lata 1632-1723), udoskonala konstrukcjÄ™ mikroskopu,
-ð Anosow (Rosja, 1830 r.) oraz Sorby (1884 r.) prowadzÄ… obserwacje
mikrostruktury stali na zgładach polerowanych i trawionych,
-ð Ernest Abbé (1876 r.) podaje wzór na obliczenie zdolnoÅ›ci rozdzielczej i
powiększenia użytecznego mikroskopu oraz określa możliwość uzyskiwania
maksymalnych powiększeń,
-ð Le Chatelier (1984 r.) buduje nowoczesny mikroskop metalograficzny ze
stolikiem mikroskopu na górze i stosuje elektrolityczne trawienie zgładów,
-ð Osmond i Werth (1885 r.) dokumentujÄ… krystalicznÄ… i komórkowÄ… strukturÄ™
metali i stopów, stosując fotograficzną rejestrację obrazu,
-ð w pierwszej poÅ‚owie XX wieku powstajÄ… udoskonalone mikroskopy specjalne z
zastosowaniem ultrafioletu, światła spolaryzowanego, kontrastu fazowego,
fluorescencji oraz obserwacji w podwyższonej temperaturze.
Na rozwój konstrukcyjnych stopów metali, w tym szczególnie stopów żelaza,
miały postępy wiedzy i metod eksperymentalnych w zakresie mechaniki
materiałów. Od XVII wieku po dzień dzisiejszy analizowane są zjawiska
zachodzące kolejno w materiale pod obciążeniem i obejmujące: odkształcenie
sprężyste, odkształcenie plastyczne, umocnienie oraz pękanie (dekohezję).
Osiągnięcia na tym polu są dziełem wielu wybitnych uczonych.
Rozwój przemysłu już w XIX wieku stworzył zapotrzebowanie na
funkcjonalne stopy metali o szczególnych właściwościach elektrycznych,
magnetycznych i cieplnych. Intensywny rozwój tej grupy tworzyw metalicznych
20 Adolf Maciejny
nastąpił w XX wieku. Jego podstawą były fundamentalne odkrycia naukowe w
obszarze fizyki i chemii oraz oparte na nich metody badania materiałów.
Przełomowe znaczenie miało odkrycie dyfrakcji promieni rentgenowskich na
płaszczyznach sieci krystalicznej (von Laue, 1912 r.) i wykorzystanie tego
zjawiska przez braci Braggów (1913 r.) do potwierdzenia krystalicznej struktury
metali i identyfikacji faz. Metalografia i rentgenografia oraz pomiary własności
fizycznych: rozszerzalności (dylatometria), oporności elektrycznej i magnetyzacji
stanowiły podstawowe narzędzia analizowania struktury stopów metali z
początkiem XX wieku. Sformułowanie przez Gibbsa w 1876 roku reguły faz oraz
wyprowadzenie pojęć potencjału termodynamicznego (Gibbs, Helmholtz), entropii,
entalpii i energii swobodniej stworzyło teoretyczną podstawę analizowania
kinetyki przemian fazowych, zjawisk krystalizacji i rekrystalizacji oraz procesów
wydzieleniowych. Opracowanie podstaw krystalizacji, nauka zawdzięcza
Tammannowi (1903-1905), a wytwarzanie monokryształów - działającemu w
latach międzywojennych na Politechnice Warszawskiej J. Czochralskiemu.
Osiągnięcie to, łącznie z rozwojem rentgenografii, stworzyło szerokie możliwości
badania struktury i właściwości monokryształów, a następnie dzięki opracowaniu
techniki oczyszczania metodą strefowego topnienia, stanowiło punkt wyjścia dla
rozwoju przemysłu półprzewodników i elektroniki.
W okresie dwudziestolecia międzywojennego stworzone zostały podstawy
elektronowej teorii metali i mechaniki falowej (Bloch, de Broglie, Brilloun, Fermi,
Dirac, Heisenberg, Schrödinger, Einstein), teorii defektów budowy krystalicznej,
fizyki odkształcenia plastycznego i pękania oraz granic ziarn (Frenkiel, Schottky,
Taylor, Orowan, Polyani, Griffith, Hargreaves, Hill).
Wybitnym osiągnięciem poznawczym w pierwszej połowie XX wieku
towarzyszą równie znaczące dokonania w rozwoju inżynierskich stopów metali,
zarówno konstrukcyjnych, jak i funkcjonalnych. Dla przykładu można wymienić
stale magnetyczne dla elektroenergetyki, chromowe stale odporne na korozjÄ™,
wysoko wytrzymałe stopy Al dla lotnictwa, druty wolframowe do żarówek,
utwardzane wydzieleniowo stopy lekkie. Znacznym postępem w tworzeniu
podstaw obróbki cieplnej stali było wprowadzenie wykresów CTP (czas -
temperatura - przemiana) przez Davenporta i Baina w 1932 roku. Wykresy opisujÄ…
Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 21
produkty przemiany austenitu w funkcji temperatury i prędkości chłodzenia dla
stali o określonym składzie chemicznym. Dzięki wykresom CTP ujawniono
między perlitem i martenzytem nieznany dotąd składnik strukturalny  bainit i
możliwości wytworzenia stali bainitycznych.
W okresie międzywojennym rozwojowi wiedzy metaloznawczej dorównywał,
a często go wyprzedzał, postęp techniczny w zakresie opracowywania i
doskonalenia inżynierskich stopów metali głównie dla nowych gałęzi przemysłu
chemicznego, motoryzacyjnego, zbrojeniowego, lotnictwa, energetyki i górnictwa.
Przemysł aparatury badawczo-pomiarowej, elektrotechnika, elektronika, radio i
telekomunikacja rodzą zapotrzebowanie na nowe generacje materiałów
funkcjonalnych.
W Polsce okresu dwudziestolecia międzywojennego ukształtowały się trzy
ośrodki badań i wiedzy metaloznawczej w uczelniach technicznych Warszawy,
Krakowa i Lwowa. Pierwsze wykłady z metalografii na terenie Polski wygłosił w
1914 roku na Politechnice Lwowskiej profesor Witold Broniewski (1880-1939),
doktorant Le Chateliera na Sorbonie. W latach 1920-1939 profesor W. Broniewski
kierował Katedrą Technologii Metali na Wydziale Mechanicznym Politechniki
Warszawskiej. W jego bogatym dorobku publikowanym w języku francuskim i
polskim jest m.in. pierwszy polski podręcznik z zakresu metaloznawstwa Zasady
metalografii (1921 r.).
W 1929 roku została utworzona na Wydziale Chemicznym Politechniki
Warszawskiej Katedra Metalurgii i Metaloznawstwa. Kierownictwo Katedry objÄ…Å‚
profesor Jan Czochralski (1885-1953), któremu - jak już wspomniano - światową
sławę przyniosło opracowanie metody otrzymywania monokryształów.
ProblematykÄ™ metaloznawstwa w zastosowaniu praktycznym podjÄ…Å‚ w
Politechnice Lwowskiej profesor Stanisław Anczyc (1868-1927) kierujący
Zakładem Technologii Mechanicznej Metali. W latach 1917-1928 ukazały się
książki St. Anczyca zatytułowane: Badania metalograficzne w zastosowaniu
fabrycznem (1917 r.), Żelazo (1923 r.), Hartowanie stali (1926 r.), Technologiczne
stopy metali (1928 r.).
22 Adolf Maciejny
W powołanej do życia w 1918 roku Akademii Górniczej w Krakowie
problematykÄ™ metaloznawczÄ… podjÄ…Å‚ w 1922 roku profesor Iwan Feszczenko -
Czopiwski.
W 1928 roku ukazał się pierwszy tom trzyczęściowego, nowoczesnego
podręcznika J. Feszczenki - Czopiwskiego zatytułowany Metaloznawstwo.
Potrzeby materiałowe przemysłu zbrojeniowego i gospodarki państw
uprzemysłowionych w okresie II Wojny Światowej wpłynęły na powstanie nowych
stopów metali i zwróciły uwagę na zagadnienie substytutów i tzw. materiałów
oszczędnych. Trudności surowcowe uwypukliły znaczenie technologii i struktury
stopu w kształtowaniu jego właściwości. Powoływane do rozwiązywania
problemów materiałowych interdyscyplinarne zespoły badawcze  technologów,
materiałoznawców, fizyków, chemików i specjalistów z innych dziedzin
przyspieszyły proces przenikania się dyscyplin i z czasem ukształtowały jednolite
spojrzenie na metale, ceramikÄ™ i polimery.
Zaistniałe w wyniku II Wojny Światowej zmiany na geopolitycznej mapie świata
oraz w sferze gospodarki techniki i przemysłu nadały priorytetowe znaczenie
problematyce materiałów. Od zakończenia wojny trwają intensywne badania metali i
stopów metalicznych. Finalizowane są badania układu Fe-C. W 1948 roku w ZSRR
zostaje opublikowany pojedynczy układ Fe-C, a w roku 1949 w Niemczech - układ
podwójny. Prowadzona równocześnie przez Hansena i Anderko szczegółowa analiza i
ocena ogromnego zbioru danych doświadczalnych dotyczących układu Fe-C,
gromadzonych przez dziesięciolecia, dała podstawę do opracowania i opublikowania w
1958 roku syntetycznej wersji układu Fe-C jako podwójnego, upowszechnianego w
podręcznikach metaloznawstwa po dzień dzisiejszy. Symbolizuje to schyłek trwającej
od 100 lat ery stali i dominacji inżynierskich stopów metali. Wiele ich gatunków
ogólnego i szczególnego przeznaczenia, jak stale konstrukcyjne, żeliwa, brązy i inne
stopy metaliczne znajduje zastosowanie również obecnie. Z postępem wiedzy powstała
możliwość dokonywania szczegółowych charakterystyk fizycznych właściwości
metali. Przykładem może być określenie zależności współczynnika rozszerzalności
cieplnej metalu od jego temperatury topnienia. Wyliczono, ze każdy metal od
temperatury zera bezwzględnego do temperatur topnienia rozszerza się o ok. 7%
(rys. 2).
Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 23
Rys. 2. Zależność współczynnika rozszerzalności cieplnej ą od temperatury topnienia metalu [3]
Zarówno stopy techniczne, jak i użytkowe zyskują szczegółowy opis
posiadanych cech i właściwości (rys. 3 i 4).
Rys. 3. Wpływ temperatury i składu chemicznego na wartość współczynnika
rozszerzalności cieplnej stopów Fe-Ni [3]
24 Adolf Maciejny
Rys. 4. Związek barwy stopu jubilerskiego Au-Ag-Cu z jego składem chemicznym (wg.
Leusera)
W roku 1945 po zniszczeniach wojennych, w zmienionym geograficznie i
ustrojowo usytuowaniu Polski, trud odbudowy kształcenia metaloznawczego w
polskich uczelniach podjęli wychowankowie i byli współpracownicy wybitnych
polskich metaloznawców okresu międzywojennego. W Politechnice Warszawskiej
i równolegle w Szkole Inżynierskiej im. Wawelberga i Rotwanda zadanie to
wypełniał profesor Kornel Wesołowski (1903-1976), w Akademii Górniczo -
Hutniczej w Krakowie kolejno profesorowie: Aleksander Krukowski (1894-1978),
Władysław A
oskiewicz (1891-1956) i Zygmunt Jasiewicz (1897-1966), w
Politechnice Śląskiej w Gliwicach przybyły ze Lwowa profesor Fryderyk Staub
(1899-1982), a w Politechnice A
ódzkiej- profesor Zofia Wendorff (1906-1991).
Podstawowym zadaniem edukacyjnym było wprowadzenie do krajowych
programów kształcenia światowych osiągnięć w zakresie teoretycznych podstaw
metaloznawstwa opartych na postępach fizykochemii ciała stałego, fizyki metali i
Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 25
mechaniki materiałów. Jest to szeroki krąg zagadnień poznawczych obejmujący
istotę wiązań międzyatomowych, elektronową teorię budowy metali, elementy
krystalografii i strukturę rzeczywistych kryształów, przemiany fazowe, podstawy
termodynamiki metali i stopów oraz mechanizmy odkształcenia, umocnienia i
dekohezji metali. Zagadnienia te były systematycznie wprowadzane do treści
skryptów i podręczników akademickich, przy czym pionierską rolę pod tym
względem spełniały podręczniki i opracowania dydaktyczne dotyczące podstaw
teoretycznych metaloznawstwa autorstwa Jerzego Kaczyńskiego (1908-1977) z
Politechniki Warszawskiej, profesora Stanisława Prowansa (1918-1992) z
Politechniki Szczecińskiej oraz profesora Bohdana Ciszewskiego (1922-1998) z
Politechniki Warszawskiej i Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie. Do
upowszechnienia postępu wiedzy metaloznawczej przyczyniły się również
wydawane w latach 1960-1970 pozycje Biblioteki Fizyki Metali Wydawnictwa
Śląsk w Katowicach, a przede wszystkim ułatwiony od połowy lat pięćdziesiątych
dostęp do światowej literatury naukowej w tłumaczeniach z języka rosyjskiego.
Działalność badawcza w zakresie metaloznawstwa skupiona początkowo w
politechnikach i AGH w Krakowie została znacznie poszerzona i wzbogacona wraz
z powstaniem Instytutu Podstaw Metalurgii PAN w Krakowie (1977 r.),
Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie (1951 r.) oraz badawczych
instytutów resortowych, w tym głównie Instytutu Metalurgii Żelaza (1945 r.) i
Instytutu Metali Nieżelaznych w Gliwicach (1952 r.) oraz Instytutu Odlewnictwa
w Krakowie (1951 r.).Współdziałanie tych jednostek z zakładami doświadczalnymi
hut i zakładów metalurgicznych oraz uczelni wyższych wzbogaciło o nowe gatunki
krajową ofertę stopów metali. Wybitnie tworzą działalność Instytutu Metalurgii
Żelaza w zakresie projektowania, badania i wdrażania do krajowego hutnictwa
nowych jakościowo gatunków stali stopowych zainicjował Profesor Tadeusz
Malkiewicz (1904-1981), dyrektor Instytutu w latach powojennych, autor
unikatowego podręcznika Metaloznawstwo stopów żelaza [4]. Trwająca już
sześćdziesiąt pięć lat badawczo - rozwojowa działalność Instytutu w zakresie
stopów metalicznych wzbogaciła krajowy przemysł i gospodarkę o cały szereg
nowych pod względem składu chemicznego gatunków stali stopowych, a w
szczególności:
26 Adolf Maciejny
-ð stale spawalne o podwyższonej i wysokiej wytrzymaÅ‚oÅ›ci umacniane
wydzieleniowo mikrododatkami pierwiastków stopowych,
-ð stale trudnordzewiejÄ…ce o podwyższonej wytrzymaÅ‚oÅ›ci,
-ð stale na blachy i szyny ulepszone cieplnie o zwiÄ™kszonej odpornoÅ›ci na
ścieranie z przeznaczeniem dla górnictwa i kolejnictwa,
-ð żarowytrzymaÅ‚e stale dla energetyki z zawartoÅ›ciÄ… chromu, molibdenu, wanadu
i boru,
-ð austenityczne stale odporne na korozje.
Badawczo - rozwojową działalność IMŻ dotyczące stali stopowych objęła
opracowanie technologii ich wytwarzania i przetwórstwa, metod kontroli oraz
charakterystyk wytrzymałościowych i użytkowych. Dla realizacji tych zadań duże
znaczenie miał postęp krajowego hutnictwa w zakresie technologii wytapiania i
przeróbki plastycznej stopów metali.
Do znaczÄ…cych innowacji technologicznych w metalurgii stali, przeznaczonej
zarówno do przeróbki plastycznej, jak i na odlewy, zalicza się przede wszystkim
obróbkę pozapiecową ciekłej stali. Jest to proces dwuetapowy. Ciekła stal w
konwertorze tlenowym lub piecu łukowym po świeżeniu (odwęglenie +
odfosforowanie) zostaje przemieszczona do pieco-kadzi, gdzie podlega zabiegom
rafinacyjnym, które obejmują:
-ð odtlenianie za pomocÄ… żelazostopów: Fe-Si i Fe-Mn oraz Al,
-ð odsiarczenie kÄ…pieli do pożądanego stężenia siarki przez wprowadzenie do
kadzi żużla zasadowego o zawartości ok. 60% CaO, 30% Al2O3 i 5% CaF2,
-ð modyfikacjÄ™ wtrÄ…ceÅ„ niemetalicznych za pomocÄ… Ca lub CaSi,
-ð wprowadzenie skÅ‚adników stopowych i mikrododatków, rafinacjÄ™ argonowÄ…
ciekłej stali i korektę jej składu chemicznego.
Częstym zabiegiem jest umieszczanie kadzi z ciekłą stalą w komorze
próżniowej, aby przez odgazowanie uzyskać zmniejszenie zawartości wodoru,
azotu, tlenu i węgla. Dodatkowe przepuszczenie argonu przez dno w kadzi
uzyskuje się wydatne zmniejszenie ilości wtrąceń niemetalicznych, co zapewnia
otrzymanie ultra-czystych stali.
Postęp w metalurgii stali umożliwił wytworzenie wysokojakościowych
odlewów ze stali o wysokiej wytrzymałości i udarności o składzie chemicznym
Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 27
zawierającym Mn, Ni, V i Mo. Osiągnięciem są również ferrytyczno -
austenityczne staliwa odporne na korozję naprężeniową i międzykrystaliczną w
środowisku jonów chlorkowych.
Dla topienia specjalnych stali i nadstopów dla astronautyki, techniki jądrowej,
petrochemii i medycyny stosuje się w świecie metodę otrzymywania półwyrobów
(wlewków, prętów, pierścieni) poprzez rozpylanie ciekłego stopu argonem i
osadzenie na obracającej się podkładce, na której szybko krzepnie. Dzięki temu
stop jest wolny od makrosegregacji składu chemicznego, a ziarna są bardzo
drobne. Gotowe elementy ze stopu są wykonywane metodą obróbki mechanicznej.
Metody numerycznej i fizycznej symulacji procesów przemysłowych
znacząco wpłynęły na rozwój ciągłego odlewania stali. Znajomość mechanicznych
właściwości stali w wysokich temperaturach, a w szczególności przedziałów
obniżonej plastyczności, pozwala sterować procesem odlewania stali tak, aby
przeciwdziałać powstawaniu pęknięć.
W badaniach procesów przeróbki plastycznej ujawniono możliwość uzyskania
w metalach i stopach ultra drobnoziarnistej mikrostruktury przez skumulowanie w
materiale dużych odkształceń plastycznych. Osiągnięciem jest również
szczegółowe poznanie strukturalnych i wytrzymałościowych efektów cieplno
plastycznej obróbki stali.
Mimo dominacji stopów żelaza w badaniach i procesach rozwojowych - już w
pierwszych latach po wyzwoleniu - zespoły badawcze szeregu politechnik podjęły
badania stopów metali nieżelaznych, głównie brązów, koncentrując się na
zagadnieniu wpływu składu chemicznego i obróbki cieplnej stopów na ich
właściwości użytkowe. Znaczące poszerzenie tematyki badawczej w tym zakresie
przyniosła i nadal przynosi działalność Instytutu Metali Nieżelaznych w Gliwicach
we współpracy z Instytutem Podstaw Metalurgii PAN w Krakowie. Z bardzo
licznych dokonań Instytutu Metali Nieżelaznych, w zakresie opracowania
unikatowych stopów i tworzyw metalicznych na szczególne wyróżnienie zasługują:
-ð Stopy magnetycznie miÄ™kkie o zawartoÅ›ci 38-80% Ni oraz magnetycznie
miękkie taśmy amorficzne i nanokrystaliczne na bazie żelaza i kobaltu o małej
stratności i niewielkiej mocy magnesowania, na rdzenie transformatorów
rozdzielczych w przemyśle elektrotechnicznym i energetycznym.
28 Adolf Maciejny
-ð Stopy oporowe typu konstantan i manganin przeznaczone na oporniki
precyzyjne.
-ð Stopy FeNi oraz CuFe przeznaczone na ażury Å›cieżkowe.
-ð Stopy srebra, w tym materiaÅ‚y stykowe i luty twarde na bazie srebra.
-ð Spoiwa bezsrebrowe typu CuMnNi i CuMnCo.
-ð Utleniane wewnÄ™trznie stopy: AgCdO i AgSnO2 .
Instytut Podstaw Metalurgii Pan w Krakowie (obecnie: Instytut Metalurgii i
Inżynierii Materiałowej im. Aleksandra Krupkowskiego PAN) opracował - na
bazie szeroko prowadzonych badań podstawowych w zakresie teorii stopów metali,
przemian fazowych i niekonwencjonalnych technologii - szereg nowatorskich
stopów pod względem składu chemicznego oraz charakterystyki ich struktury i
właściwości. Wśród tych dokonań na szczególne wyróżnienie zasługują:
-ð Stopy lekkie: aluminium-lit, aluminium-lit-skand oraz aluminium-lit-magnez.
-ð Otrzymywanie wysokowytrzymaÅ‚ych stopów aluminium z dodatkiem cyrkonu i
skandu z zastosowaniem rozdrobnienia ziarna w procesie szybkiego
krzepnięcia.
-ð Stopy dla lutowania bezoÅ‚owiowego na bazie srebra, miedzi, cyny i indu.
-ð Podstawy technologii brÄ…zów cynowo-fosforanowych dla przemysÅ‚u
elektronicznego i elektrotechnicznego.
-ð Instytut dysponuje potencjaÅ‚em naukowym niezbÄ™dnym do realizacji zadaÅ„
badawczych w zakresie funkcjonalnych stopów metali: amorficznych,
nanokrystalicznych, z pamięcią kształtu, gradientowych i innych
zaawansowanych technicznie.
3. Kształtowanie się inżynierii materiałowej
Trwające od połowy XIX wieku  era stali stworzyła cywilizacje
przemysłowe, których rozwój uwarunkowany był dostępnością surowców, energii i
wykwalifikowanej siły roboczej. Kult industrializacji  za wszelką cenę oraz
rozwój gałęzi przemysłu o dużej chłonności materiałów i energii stworzył wiele
problemów społecznych, gospodarczych i ekologicznych, ujawniając  granice
wzrostu na tej drodze. Sytuacja po II wojnie światowej zaostrzyła te problemy.
Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 29
Równocześnie nowe dziedziny techniki i odpowiadające im gałęzie przemysłu
stworzyły potrzebę pozyskiwania nowych materiałów o nieosiągalnych dotąd
cechach i właściwościach, zapewniających wykonanym z nich elementom wysoki
stopień niezawodności, trwałości oraz stabilności właściwości i struktury.
Zagadnienie to unaoczniło się z całą ostrością w USA w okresie tzw. zimnej wojny
stających przed koniecznością opracowania nowych materiałów i racjonalnego ich
doboru na potrzeby techniki lotniczej, kosmicznej i zbrojeniowej, energetyki
jądrowej, a szczególnie szybko rozwijających się technik informatycznych. Dla
rozwiązania tych zagadnień wykorzystano doświadczenia z okresu II wojny
światowej, tworząc już w 1959 roku interdyscyplinarne centra badawcze, w
których znalez
li zatrudnienie liczni emigrujÄ…cy z Europy naukowcy-badacze o
wysokich kwalifikacjach oraz absolwenci uczelni amerykańskich realizujących
nowy profil studiów materiałoznawczych.
Ukształtowanie się nowego podejścia do problemu materiałów w aspekcie
naukowym, technicznym i edukacyjnym nastąpiło w USA w latach
siedemdziesiątych XX wieku. Została wygenerowana nowa dyscyplina o nazwie
Materials Science and Engineering (MSE)*ð. Jej zasadniczym celem jest
opracowanie i dobór materiałów dla określonych zastosowań przy
wykorzystywaniu osiągnięć poznawczych i technicznych dotyczących wewnętrznej
budowy materiałów. Jak przedstawia schemat na rys. 5, ujmujący istotę i sposób
działania inżynierii materiałowej, użyteczność materiału dla określonego
zastosowania jest określona zespołem współzależności: wytwarzanie - struktura -
właściwości. Prawidłowy dobór materiału jest oparty na zespole wymaganych
właściwości niezależnie od rodzaju materiału: metalu, ceramiki, polimerów czy
kompozytów [5].
*ð
w Polsce ze względów językowych przyjęła się dla dyscypliny MSE skrócona nazwa
Inżynieria Materiałowa ujmująca umownie pełne przetłumaczenie nazwy MSE Nauka i
Inżynieria Materiałów.
30 Adolf Maciejny
Rys. 5. Cztery podstawowe elementy składające się na sposób działania inżynierii
materiałowej [5]
Jak stwierdza profesor Maciej W. Grabski [1]  zrozumienie znaczenia
integralnego podejścia do problematyki materiałów, charakterystycznego dla
inżynierii materiałowej, z wielkim trudem torowało sobie drogę i prawo
obywatelstwa w polskich środowiskach naukowych, nawet w grupie
najwybitniejszych przedstawicieli wiedzy metaloznawczej . Wielkim
propagatorem nowej dyscypliny naukowej (MSE) był Profesor S. T. Jaz
wiński
(1907 - 1998) z Politechniki Warszawskiej. Utworzenie nowego kierunku studiów
Inżynieria Materiałowa nastąpiło w 1971 roku na Wydziale Metalurgicznym
Politechniki ÅšlÄ…skiej i na Wydziale Ceramicznym AGH w Krakowie. W
Politechnice Warszawskiej kształcenie w zakresie inżynierii materiałowej podjęto
w 1973 roku, a jego bazą naukową i dydaktyczną stał się utworzony w 1975 roku
samodzielny Instytut Inżynierii Materiałowej (z prawami wydziału).
W 1980 roku rozpoczął działalność Komitet Nauki o Materiałach PAN i
zaczynają się ukazywać dwa periodyki poświęcane inżynierii materiałowej:
Kwartalnik Archiwum Nauki o Materiałach (PAN) oraz Inżynieria Materiałowa
(Wydawnictwo Sigma).
Kształtowaniu się inżynierii materiałowej towarzyszy wiele znaczących
odkryć poznawczych w obszarze stopów metalicznych. W poszukiwaniu sposobów
na umocnienie stopów konstrukcyjnych odkryto oddziaływanie na ich
Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 31
wytrzymałość wielkości ziarna, struktury granic ziarn, gęstości dyslokacji oraz
wydzielania dyspersyjnych cząstek węglików azotków lub faz
międzymetalicznych. Znajomość tych oddziaływań umożliwiła opracowanie
szeregu odmian niskowęglowych stali konstrukcyjnych o podwyższonej i wysokiej
wytrzymałości, przesyconych i starzonych stopów metali nieżelaznych, a w dalszej
kolejności umacnianych związkami międzymetalicznymi w procesach starzenia
wysokiej wytrzymałości martenzytycznych stali typu maraging oraz
żarowytrzymałych nadstopów niklu i kobaltu.
Przykładem zachodzących zmian może być opracowana w 1900 roku stal
szybkotnąca W-Cr-V (18-4-1) nie będąca w stanie już w latach pięćdziesiątych
sprostać ekstremalnym warunkom obciążeń jakie oddziałują na narzędzie w
szybkobieżnej obrabiarce.
Rozwiązaniem stały się stellity i spiekane węgliki wolframu, a z biegiem lat
cermetale i ceramika, zaś z końcem ubiegłego stulecia  diament polikrystaliczny i
azotek boru [6].
Przykładem ewolucji stopów funkcjonalnych są materiały magnetyczne
twarde oparte na poczÄ…tku XX wieku na stalach zahartowanych z dodatkiem
wolframu lub chromu i stopach typu Al Ni Co zastępowane w drugim półwieczu
XX wieku przez tworzywa oparte na związkach międzymetalicznych, w tym
samaru (Sm) z kobaltem i innymi metalami, względnie neodymu (Nd) z żelazem i
borem. Materiały te odznaczają się bardzo dużą energią magnetyczną, co
umożliwia zmniejszenie masy magnesu.
Od wynalezienia w XVIII wieku maszyny parowej aż do XXI wieku trwa
nieprzerwanie postęp w rozwoju żarowytrzymałych stopów metali na maszyny
cieplne  silniki i turbiny.
Odkrycia poznawcze w badaniach metali i stopów metalicznych podjętych
przez inżynierię materiałową zaowocowały nowymi odmianami tworzyw
metalicznych, wśród których na szczególną uwagę zasługują:
1. Stopy nadplastyczne poddane do wielkich odkształceń plastycznych bez
naruszenia wewnętrznej spójności. Stopy te podatne działaniu wyjątkowo
niskich naprężeń w wysokich temperaturach przy odpowiedniej prędkości
odkształcenia mogą osiągać wydłużenia do 2000% bez tworzenia szyjki w
32 Adolf Maciejny
próbie rozciągania. Efekt nadplastyczności zauważono po raz pierwszy w roku
1920 w eutektycznym stopie Zn  Cu  Al, lecz systematyczne badania stopów
nadplastycznych trwają od lat sześćdziesiątych XX wieku. Nadplastyczność
występuje głównie w stopach ultradrobnoziarnistych z ziarnem o rozmiarach
poniżej 10 źm i równoosiowym kształcie. Uzyskuje się to głównie w
eutektycznych stopach metali nieżelaznych [7].
2. Stopy z pamięcią kształtu wykorzystują zjawisko pamięci kształtu w metalach
wywołane odwracalną przemianą martezytyczną. Jeśli stop zostanie plastycznie
odkształcony w niższej temperaturze, to odzyskuje swój początkowy kształt po
podgrzaniu do wyższej temperatury, a zjawisko to jest odwracalne. Odkrycie to
zostało dokonane w latach 1960 - 1965 w badaniach stopu Ni-Ti pod nazwą
 Nitinol o zawartości 53-57 % Ni. Efekt pamięci kształtu występuje również w
innych stopach. Do najważniejszych z nich należy zaliczyć stopy na osnowie
miedzi o strukturze fazy ², w których poprzez zmianÄ™ skÅ‚adu chemicznego
można w szerokich granicach regulować temperaturę początku przemiany
martenzytycznej Ms. Stopy z pamięcią kształtu stworzyły nowe możliwości
konstrukcyjne w szeregu zastosowań, w tym: do wytworzenia trwałych
połączeń mechanicznych i elektrycznych w układach hydraulicznych, do
tłumienia drgań, jako wyłączniki termiczne i układy przeciwpożarowe, bardzo
skutecznie zastępują termobimetale [8].
3. Szkła metaliczne określane również jako materiały amorficzne są produktem
przechodzenia cieczy metalicznej w sposób ciągły z pominięciem procesu
krystalizacji, co prowadzi do powstania ciała stałego o nieuporządkowanym
rozkładzie atomów, podobnym do struktury cieczy. Po raz pierwszy zostało to
ujawnione w badaniach stopu złota z krzemem w 1960 roku przez badaczy w
USA. Szkło metaliczne otrzymuje się przez bardzo szybkie schłodzenie metalu
ze stanu ciekłego. W tym celu stosuje się m.in. metodę natrysku ciekłego
metalu za pomocą sprężonego gazu obojętnego na metaliczne podłoże, metodę
dwóch walców polegającą na wprowadzeniu cienkiej strugi ciekłego metalu
między dwa szybko obracające się walce, względnie metodą ciągłego odlewania
polegajÄ…cÄ… na wprowadzeniu strumienia cieczy na powierzchniÄ™ szybko
obracającego się bębna miedzianego. Ciekły metal, chłodzony dodatkowo
Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 33
strumieniem argonu, krzepnie na powierzchni bębna w postaci cienkiej taśmy.
Wymienione sposoby umożliwiają otrzymanie metalicznych taśm o grubości od
10 do 200 źm i długości nawet do tysiąca metrów. Zeszkleniu najłatwiej ulegają
stopy wieloskładnikowe, w tym na bazie metalu przejściowego: Fe, Co, Ni, Zr,
Nb, względnie metalu szlachetnego: Au, Pd, Pt z dodatkiem niemetalu: Si, P, B
do 30%. Stan szklisty metali jest stanem termodynamicznie niestabilnym.
Jednak w większości szkieł metalicznych w temperaturze otoczenia nie
zachodzą zjawiska dyfuzji i samodyfuzji nawet w bardzo długich czasach.
Proces krystalizacji metalu ze stanu amorficznego jest zazwyczaj wieloetapowy,
a temperatura jego przebiegu zależy od składu chemicznego stopu. Szkła
metaliczne wytwarzane są najczęściej w postaci taśm, folii, włókien i drutów
(maksymalna średnica do 250 źm). O ich zastosowaniach technicznych
decydują nieosiągalne w konwencjonalnych stopach własności, w tym
wytrzymałość na rozciąganie zbliżona do wartości teoretycznej, odporność na
korozję oraz szczególnie własności magnetyczne jako materiałów magnetycznie
miękkich. Możliwość uzyskania wymienionych własności zależy od składu
chemicznego szkła metalicznego [9].
Nowe stopy metaliczne, będące efektem odkryć poznawczych i postępów
technologii metali stanowią tworzywo nieodzowne dla zaawansowanych systemów
technicznych ostatnich dziesięcioleci. Jednakże siłą napędową przeobrażeń
gospodarczych, społecznych i cywilizacyjnych współczesnego świata są trwające
nieprzerwanie od wynalezienia tranzystora w latach czterdziestych i obwodów
scalonych w latach pięćdziesiątych, postępy w rozwoju zaawansowanych naukowo
i technicznie materiałów dla mikroelektroniki, optoelektroniki i informatyki.
Otrzymywanie tych materiałów stworzyło nowy model przemysłu, w którym
wytwarzanie materiału jest połączone z technologią wytwarzania produktu.
Odbiega to znacznie od konwencjonalnych technologii metali wywodzÄ…cych siÄ™ z
metalurgii.
34 Adolf Maciejny
4. Rozwój metod badania materiałów
Rodzaj i jakość wytwarzanych materiałów zależą od poziomu rozwoju metod
ich badań i pomiarów. Przy końcu lat czterdziestych i w dekadzie lat
pięćdziesiątych nie było w Polsce gotowych narzędzi badawczych i odpowiednich
metod badań struktury ciała stałego. W tych warunkach w Instytucie Metalurgii
Żelaza powstały zespoły budowy aparatury z biurem konstrukcyjnym. Zbudowano
szereg typów dylatometrów do badania przemian fazowych w metalach,
opracowano metodę znaczników izotopowych do analizy procesów
metalurgicznych oraz metodę autoradiografii do śledzenia rozmieszczenia
niektórych pierwiastków w stopach metali. Dla analizy procesów przeróbki
plastycznej wykonano kilka rodzajów plastomerów i oprzyrządowania walcarek.
Wielki wkład Instytutu Metalurgii Żelaza w rozwój metod badawczych materiałów
jest głównie zasługą profesora Zbigniewa Bojarskiego - kierownika Zakładu Badań
Strukturalnych IMÅ» w latach 1958 - 1969 i dyrektora Instytutu Fizyki i Chemii
Metali Uniwersytetu Śląskiego w latach 1974 - 1991. W obu tych placówkach
profesor Zbigniew Bojarski rozwijał i udoskonalał metody rentgenowskiej analizy
strukturalnej. Zaprojektował specjalistyczne kamery do wykonywania
rentgenogramów z rejestracją fotograficzną do ilościowej i jakościowej analizy
fazowej. Do osiągnięć należy m.in. zaliczyć upowszechnienie w kraju metody
precyzyjnego pomiaru parametrów sieci krystalograficznej, rejestracji i analizy
tekstury oraz badania przemian fazowych w wysokich temperaturach do 1200 oC i
w temperaturach podzerowych do -190 oC. Ważnym wkładem w ugruntowanie w
krajowych zespołach badawczych umiejętności stosowania metod rentgenowskiej
analizy strukturalnej stały się monografie [10] oraz seminaria i konferencje
naukowe, w tym przede wszystkim międzynarodowa konferencja Applied
Crystalography. Szeroko pojęta rentgenografia jest z powodzeniem rozwijana w
krajowych placówkach naukowych. Międzynarodową renomę zyskały badania
tekstur prowadzone w Instytucie Metalurgii i Inżynierii Materiałowej im.
Aleksandra Krupkowskiego PAN, szczególnie w zakresie rozwoju metody funkcji
rozkładu orientacji umożliwiającej dokonywanie analizy ilościowej wszystkich
Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 35
tekstur składowych i przewidywanie anizotropii własności. Rozwijane w instytucie
Fizyki PAN w Warszawie i w Instytucie Niskich Temperatur i Badań
Strukturalnych PAN we Wrocławiu metody topografii rentgenowskiej umożliwiają
badanie struktury dyslokacyjnej i dezorientacji bloków mozaikowych. Wysoki
poziom metod rentgenowskich badania struktury polikryształów oparty jest na
stosunkowo dobrym wyposażeniu ośrodków krajowych w nowoczesne
dyfraktometry zautomatyzowane i w pełni skomputeryzowane.
Nową i stale zyskującą na znaczeniu metodą badawczą ukształtowaną głównie
na gruncie metalografii ilościowej jest stereologia. Zapoczątkowana w latach
sześćdziesiątych jest stale doskonalona. Stereologia jest zbiorem metod opisu
trójwymiarowej struktury na podstawie badania jej płaskich przekrojów. Podstawą
stereologii jest analiza obrazów mikrostruktury z mikroskopii świetlnej,
elektronowej i skaningowej, względnie uzyskiwanych innymi technikami przy
szerokim wykorzystaniu wiedzy w zakresie geometrii, w tym stereometrii,
matematyki, metod rachunku prawdopodobieństwa i statystyki matematycznej.
Możliwości elektronicznego przetworzenia obrazu i jego komputerowej analizy
stworzyły w ostatnich latach bardzo istotną metodę pozwalającą na ilościową
korelację określonych cech mikrostruktury z własnościami mechanicznymi i
fizycznymi. Rozwój stereologii w Polsce jest wybitną zasługą profesora AGH
Jerzego Rysia [11], który stworzył od podstaw polską szkołę stereologii rozwijaną
przez młodych naukowców z AGH, Politechniki Warszawskiej, Politechniki
Śląskiej i Politechniki Krakowskiej [12 - 14]. Osiągnięcia badawcze tego zespołu
oraz organizowane konferencje i wydawane periodyki zyskały wysoką rangę
międzynarodową.
Mikroskopia elektronowa cieszy się w Polsce niesłabnącym uznaniem i
popularnością. Wynika to z faktu, że w początkowej fazie rozwoju stanowiła
poniekÄ…d kolejny etap rozwoju metalografii. Pierwszy w kraju mikroskop
elektronowy do badania struktury metali zainstalowano w połowie lat
pięćdziesiątych w Katedrze Metaloznawstwa Politechniki Śląskiej w Gliwicach.
ByÅ‚ to mikroskop berliÅ„skiej firmy Werk für Fernmeldewesen umożliwiajÄ…cy
badanie struktury techniką replik odwzorowujących relief powierzchni zgładu oraz
replik ekstrakcyjnych umożliwiających identyfikację wyekstrahowanych cząstek
36 Adolf Maciejny
wydzieleń metodą dyfrakcji. Te techniki badawcze rozwinęły się również w
Instytucie Metalurgii Żelaza w Gliwicach. W wyniku prac badawczych
prowadzonych w latach pięćdziesiątych w Wielkiej Brytanii rozwinęła się
transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM) na cienkich foliach metalowych.
Powstała możliwość badania wewnętrznej morfologii faz, ich struktury
dyslokacyjnej, procesów wydzieleniowych we wczesnych stadiach, struktury
granic ziarn. Od początku lat sześćdziesiątych TEM zaczęła się rozwijać również w
polskich laboratoriach badawczych dzięki kolejnym zakupom dobrej jakości
mikroskopów produkcji japońskiej w AGH (1960 r.) IMŻ, Politechnice
Warszawskiej, Politechnice Poznańskiej, Politechnice Wrocławskiej i Politechnice
ÅšlÄ…skiej w Katowicach oraz w instytutach PAN w Warszawie i Krakowie.
Równocześnie w świecie następował intensywny rozwój TME. Okazało się przy
tym, że mikroskop elektronowy jest nie tylko przyrządem do oglądania obrazów,
lecz ze względu na możliwość detekcji złożonych oddziaływań rozpędzonych
elektronów z materią jest najbardziej wszechstronnym przyrządem naukowym w
badaniach materiałów. Rosnące możliwości technologiczne w zakresie mechaniki
precyzyjnej i technik próżniowych umożliwiły produkcję nowej generacji TEM o
napięciu przyśpieszającym od 100kV do 3 MV i osiągnięcie zdolności rozdzielczej
poniżej 0,2 nm. Dało to podstawę do opracowania szeregu precyzyjnych technik
dyfrakcji selektywnej przydatnej do badania procesów uporządkowania w
strukturze krystalicznej. Wysokorozdzielcza TEM pozwala odwzorować strukturę
materiału w skali atomowej w folii o grubości ok. 10 nm. Pod koniec lat
dziewięćdziesiątych udało się w pewnym stopniu pokonać ograniczenia
wynikające z istnienia aberracji sferycznej soczewek, co pozwoliło na osiągnięcie
długo oczekiwanej zdolności rozdzielczej mikroskopu poniżej 0,1 nm (dokładnie
0,078 nm) i uzyskanie bezpośredniej informacji o położeniu atomów. Pojawienie
się nowych detektorów promieniowania rentgenowskiego i spektrometrów typu
EDS i EELS spowodowało, że mikroskop elektronowy przekształcił się w
analityczne urządzenie umożliwiające ilościową analizę składu chemicznego w
mikro- i nanoobszarach dla niemal wszystkich pierwiastków układu okresowego, z
wyjątkiem wodoru i helu będących nadal wielkim wyzwaniem współczesnej
analizy [15].
Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 37
Rozwijająca się od połowy lat sześćdziesiątych skaningowa mikroskopia
elektronowa (SEM) stanowi cenne uzupełnienie mikroskopii TEM. Umożliwia
bowiem oglądanie i analizowanie silnie rozwiniętych powierzchni na przełomach
materiałów. Zaletą mikroskopu skaningowego jest dobra zdolność rozdzielcza, co
najmniej 15 nm przy dużej głębi ostrości około 500 razy większej niż w
mikroskopach świetlnych, co czyni go szczególnie przydatnym w badaniach
faktograficznych i mikromechaniki pękania. Sprzężenie mikroskopu skaningowego
ze spektrometrem rentgenowskim typu EDS pozwala na analizÄ™ chemicznÄ…
wybranych szczegółów i ujawnienie rozkładów pierwiastków na badanej
powierzchni. W ostatnim dwudziestoleciu ubiegłego wieku pojawiły się w
powszechnym użyciu mikroskopy skaningowo - transmisyjne (STEM).
Mikroskopy z przystawkami skaningowymi są szczególnie przydatne podczas
wykonywania analiz chemicznych, gdyż umożliwiają obrazowe przedstawienie
rozkładu dowolnego pierwiastka w analizowanym obszarze próbki tzw. mapping.
Można też wyznaczać zmiany stężenia pierwiastka wzdłuż dowolnej linii.
Możliwość korzystania ze światowych osiągnięć mikroskopii elektronowej w
Polsce zaistniała dopiero w 1995 roku. Ze środków Fundacji na rzecz Nauki
Polskiej zostały zakupione dwa mikroskopy wysokorozdzielcze JEM 3010
zainstalowane w Politechnice Warszawskiej i na Uniwersytecie ÅšlÄ…skim oraz
analityczny JEM 2010 ARP w AGH. Rozwój mikroskopii elektronowej w Polsce
wiąże się nierozerwalnie z osobą profesora Stanisława Gorczycy (1925 - 2000),
który od początku lat sześćdziesiątych prowadził w AGH specjalne kursy i szkoły
mikroskopii elektronowej o zasięgu krajowym. Do upowszechnienia tej metody
badawczej walnie przyczyniły się organizowane cyklicznie przez profesora
Stanisława Gorczycę konferencje Mikroskopii Elektronowej Ciała Stałego.
Rozwój metalurgii, materiałoznawstwa i inżynierii materiałowej jest
nierozerwalnie związany z postępem metod analizy chemicznej. Analityka
hutnicza przeszła długą drogę od klasycznych metod miareczkowych i wagowych
do optycznej spektrometrii emisyjnej ze wzbudzeniem iskrowym i fluorescencji
rentgenowskiej. Metody te nie wymagają przeprowadzenia analizowanych próbek
do roztworu. Natomiast jest to konieczne przy zastosowaniu metod
instrumentalnych jak atomowa spektrometria (AAS) oraz metoda optycznej
38 Adolf Maciejny
spektrometrii emisyjnej z plazmą sprzężoną indukcyjnie. W badaniach materiałów,
w tym szczególnie metali i stopów dużym postępem były zainicjowane już z w
latach pięćdziesiątych w IMŻ badania mikroanalityczne i dyfrakcyjne na izolatach
faz uzyskanych na drodze chemicznej lub elektrochemicznej. Symbolem postępu w
zakresie analizy chemicznej materiałów, a szczególnie metali i stopów stał się
mikroanalizator rentgenowski określany również jako sonda elektronowa. Zasada
jego działania opiera się na spektometrii charakterystycznego promieniowania
rentgenowskiego wzbudzonego wiązką elektronów o mikronowej średnicy,
rozpędzonych w polu elektrostatycznym podobnie jak w mikroskopie
elektronowym. Urządzenie pozwala na określenie składu chemicznego w
wybranym mikroobszarze zgładu o średnicy około 1 źm. A
Ä…cznie z metodami
analitycznej mikroskopii elektronowej zapewnia to prowadzenie mikroanalizy
chemicznej w szerokim zakresie wielkości badanych szczegółów struktury.
Pierwszy w kraju mikroanalizator rentgenowski zastał zainstalowany w IMŻ w
Gliwicach w 1965 roku. Rychło nastąpiło upowszechnienie metody w
laboratoriach badawczych i jej szczegółowy opis w szeregu monografii [16 - 18].
Do pogłębienia wiedzy w zakresie mechaniki materiałów i poznania istoty
mechanicznych własności metali przyczyniły się znacznie opublikowane
monografie. Na szczególne wyróżnienie zasługuje cykl książek i opracowań
profesora Stanisława Kocańdy (1922 - 2006) z Wojskowej Akademii Technicznej,
poświęconych zagadnieniu wytrzymałości zmęczeniowej metali [19, 20].
Opublikowane zostały monografie dotyczące procesów pełzania i zmęczenia w
materiałach [21], mechaniki pękania [22], odkształcania i pękania metali [23] oraz
żarowytrzymałości stali i stopów [24].
W części krajowych laboratoriów badawczych stosuje się do badania
przemian fazowych metody termiczne. Jest to najczęściej dylatometria,
deriwatografia i różnicowa analiza termiczna. Stosowane są również metody oparte
na wykorzystaniu zmian własności fizycznych funkcji temperatury np. oporności
elektrycznej, namagnesowania czy tarcia wewnętrznego. Rozwój tych metod w
ostatnich latach wiąże się z automatyzacją i komputeryzacją, co znacznie poprawia
dokładność, czułość oraz zmniejsza pracochłonność tych badań.
Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 39
5. Metale i stopy metaliczne na przełomie XX i XXI wieku
Inżynieria Materiałowa w Polsce kształtowana od początku lat
siedemdziesiątych na bazie metaloznawstwa i ceramiki weszła w lata
dziewięćdziesiąte i w następną dekadę ze znacznym potencjałem naukowym.
Wzrosła liczebność kadry naukowej zatrudnionej zarówno w sferze badań jak i
edukacji. Częstsze kontakty naukowe przyczyniły się do wzbogacenia wiedzy
podstawowej i w zakresie metod badawczych. Ważną rolę pod tym względem
spełniały konferencje naukowe, w tym organizowana od lat pięćdziesiątych co trzy
lata Konferencja Metaloznawcza, w 1992 roku ukierunkowana tematycznie na
nowoczesne materiały i technologie. Do wzrostu aktywności naukowej i integracji
środowiska badawczego walnie przyczyniły się uruchamiane od połowy lat
siedemdziesiątych centralne programy badawcze. Ważnym dorobkiem krajowego
środowiska naukowego są stosunkowo liczne monografie dotyczące nowych
stopów metali o niekonwencjonalnych właściwościach i zastosowaniach oraz
rosnącym znaczeniu dla współczesnej techniki i warunków życia. Ukazały się
m.in. opracowania dotyczące stopów tytanu [25], żarowytrzymałych stopów metali
[26], materiałów metalowych dla energetyki jądrowej [27], materiałów na
elementy lotniczych silników turbinowych [28], nowoczesnych materiałów
narzędziowych [6], odlewów ze stali stopowych [29], materiałów metalowych z
udziałem faz międzymetalicznych [30], inżynierii nanomateriałów i struktur ultra
drobnoziarnistych [31], projektowania i wytwarzania funkcjonalnych materiałów
gradientowych [32]. Tematyka wymienionych monografii została wydatnie
wzbogacona w artykułach i rozprawach publikowanych w czasopiśmie Inżynieria
Materiałowa oraz w materiałach konferencyjnych i w znacznej części odpowiada
priorytetowej tematyce w obszarze nauki o materiałach ujętej w Białej Księdze
Unii Europejskiej z 2001 roku [33]. Szczególnie preferowane są nanomateriały i
biomateriały, zaawansowane materiały funkcjonalne, materiały dla elektroniki,
fotoniki, na układy magnetyczne i dla technik informatycznych, materiały
inteligentne i hybrydowe oraz nadprzewodniki. Preferencje Białej Księgi zyskały
również materiały konstrukcyjne związane z wytwarzaniem i magazynowaniem
40 Adolf Maciejny
energii oraz do pracy w ekstremalnych warunkach. Szczególne znaczenie
przypisuje się inżynierii powierzchni, technikom laserowym oraz wytwarzaniu
zaawansowanych kompozytów.
W ostatnich dwóch dekadach ukształtowały się w części krajowych placówek
naukowych wyspecjalizowane zespoły badawcze dysponujące zaawansowaną
wiedzą podstawową i metodyczną w zakresie inżynierii metali i stopów
metalicznych. Wiedza ta ugruntowana w toku realizacji projektów badawczych i
pogłębiona w kontaktach z nauką światową, stanowi podstawę do kształtowania
programów badawczych przy uwzględnieniu kierunków rozwoju światowej nauki
oraz krajowych potrzeb i uwarunkowań rozwojowych.
Względy surowcowe uzasadniają nadanie w Polsce wysokiej rangi badaniom
tworzyw metalicznych opartych na miedzi. Miało to już miejsce i jest realizowane
w pracach badawczych Instytutu Metali Niezależnych w Gliwicach oraz w
Instytucie Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN w Krakowie. Tematyka tych
prac obejmuje m.in. brązy o specjalnych własnościach i zastosowaniach, lutowia
na bazie miedzi i srebra oraz bezsrebrowe typu CuMnNi i CuMnCo, stopy
magnetycznie miękkie 36-80% Ni, srebro i stopy srebra.
Aluminium i jego stopy cechuje stały wzrost znaczenia we współczesnej
technice. Decyduje o tym mała gęstość i duża wytrzymałość, dobra przewodność
elektryczna i cieplna, wysoka odporność na korozję oraz dobra lejność i podatność
do odkształcania plastycznego. Dla poprawy określonych cech użytkowych
aluminium powstawały jego stopy z miedzią, krzemem, cynkiem i magnezem, w
ostatnich dekadach zmienił się kierunek zastosowań stopów aluminium. Z
materiału na opakowania, sprzęt gospodarczy i sportowy oraz proste elementy w
budownictwie, tworzywa metaliczne na bazie aluminium o wysokiej
wytrzymałości znajdują obecnie szerokie zastosowanie w przemyśle
motoryzacyjnym, lotniczym i kolejnictwie. W przemyśle lotniczym stopy
aluminium wciąż są niezastąpione m.in. na konstrukcje nośne samolotów czy
wysokowytrzymałe elementy poszycia kadłuba. Na elementy pracujące w
warunkach cyklicznego zmęczenia stosowane na stopy Al-Cu wykazujące dobrą
odporność na pękanie. Wysoką wytrzymałością odznaczają się stopy aluminium z
litem i z metalami ziem rzadkich, jak również stopy ultradrobnoziarniste o
Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 41
mikrostrukturze kształtowanej w procesach obróbki plastycznej. Zagadnienia te
wchodzą w zakres zainteresowań zespołów badawczych Politechniki Warszawskiej
oraz Instytutu Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN w Krakowie. W świecie
trwają intensywne poszukiwania nowych sposobów podwyższania wytrzymałości
stopów Al. Przykładem są technologie wytwarzania tych stopów metodami  in
situ (kompozyty  in situ ), w których cząstkami wzmacniającymi są TiB2, AlN,
BN lub inne fazy międzymetaliczne. Ten kierunek badań jest stale rozwijany i
oczekuje się istotnej poprawy własności wytrzymałościowych, temperatury pracy,
odporności na pękanie i pełzanie.
Tytan należy do grupy metali przejściowych. Odkryty w 1791 roku w
Wielkiej Brytanii, dopiero w 1948 roku został wyprodukowany na skalę
przemysłową. Od tego czasu stale zwiększa się rola tytanu i jego stopów we
współczesnej technice, mimo wysokich kosztów wytwarzania i przetwarzania.
Rozwój stopów tytanu jest w szczególnej mierze determinowany, rozwojem
techniki lotniczej, ale także postępami w chemii, medycynie i przemyśle
zbrojeniowym. Podstawowym konstrukcyjnym stopem tytanu, przedmiotem badań
i różnorakich zastosowaÅ„ również w Polsce, jest dwufazowy (Ä…+²) stop
martenzytyczny Ti-6Al-4V. TrwajÄ… prace nad uzyskiwaniem tego stopu metodÄ…
przetapiania jednokrotnego z użyciem plazmy lub wiązki elektronów. Ponieważ
wanad wykazuje oddziaływania kancerogenne, w medycynie stosuje się na
implanty stopy tytanu, w których wanad jest zastępowany niobem lub tantalem, są
to stopy: Ti6Al(4-9)Nb, Ti-6Al(3-6)Nb(1-6)Ta, Ti-13Nb-13Zr o strukturze Ä…+² ,
wzglÄ™dnie Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Ti-15Mo-5Zr-3Al, Ti-13Nb-13Zr o strukturze ². W
medycynie znalazły również zastosowanie stopy Ni-Ti z pamięcią kształtu i
nadsprężystością. Wciąż zyskują na znaczeniu stopy na osnowie fazy
międzykrystalicznej TiAl (ł), w tym płyty wielowarstwowe Ti-6Al-4V/TiAl/Ti-
6Al-4V. Zwiększa się zastosowanie stopów tytanu w konstrukcjach podwozi
dużych samolotów (A-380, Boening 787). Są to przede wszystkim odkuwki ze
stopów jednofazowych ² (Ti-10V-2Fe-3Al i Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr). Stopy te
zastąpiły z powodzeniem stal, zmniejszając masę konstrukcji i koszty jej
konserwacji. Istotną poprawę mechanicznych właściwości tytanu uzyskuje się
przez rozdrobnienie ziarn do rozmiarów nanometrycznych metodami dużego
42 Adolf Maciejny
odkształcenia plastycznego. Zmniejszenie średniej średnicy ziarn tytanu
technicznego po procesie wyciskania hydrostatycznego do około 50 nm umożliwia
2,5-krotne zwiększenie jest wytrzymałości. Stopy na osnowie fazy
międzykrystalicznej TiAl (ł) ze względy na małą gęstość, wysoką wytrzymałość
względną oraz dobrą odporność na pełzanie i utlenianie stanowią atrakcyjny
materiał konstrukcyjny nowej generacji do zastosowania na elementy wirujące
silników lotniczych do pracy w wysokiej temperaturze. Stają się w wielu
przypadkach alternatywne dla nadstopów niklu. Poprawę żaroodporności i
odporności na ścieranie stopów tytanu uzyskuje się przez nakładanie na
powierzchniÄ™ warstw tlenkowych: ZrO2+Y2O3 lub Al2O3+TiO2.
Do stopów metalicznych ultralekkich zalicza się stopy magnezu. Postęp w
przemyśle lotniczym i samochodowym wpłynął na intensywny rozwój stopów
magnezu w latach dwudziestych XX wieku. W 1924 roku po raz pierwszy
zastosowano stopy magnezu zawierające aluminium i cynk na tłoki silników
samochodowych, a w roku 1940 w USA po raz pierwszy skonstruowano samolot
Northrop XP-56, w którym praktycznie wszystkie części nie narażone na działanie
podwyższonej temperatury wykonywano z magnezu i jego stopów. W
amerykańskim bombowcu B-36 zastosowano stopy magnezu o łącznej masie 9
Mg. Samochód Garbus firmy Volkswagen wyprodukowany w 1949 roku zawierał
ponad 20 kg elementów wykonanych ze stopów magnezu. Stopy magnezu
charakteryzują się najmniejszą gęstością spośród wszystkich metalicznych
materiałów konstrukcyjnych (ok. 1,8 g/cm3), przy wysokiej wytrzymałości
właściwej wykazują dobrą lejność, skrawalność i spawalność w atmosferach
kontrolowanych, wysoką odporność na korozję gazową oraz dużą zdolność do
tłumienia drgań. Magnez znajduje największe zastosowanie jako składnik stopów
aluminium, natomiast stopy magnezu najczęściej są stosowane do wytwarzania
odlewów ciśnieniowych, których głównym odbiorcą jest przemysł motoryzacyjny.
Odlewy grawitacyjne poddawane obróbce cieplnej znajdują zastosowanie w
przemyśle lotniczym. Pomimo korzystnych właściwości mechanicznych
zastosowanie stopów magnezu przeznaczonych do przeróbki plastycznej jest
niewielkie i stanowi zaledwie 1% rocznej produkcji magnezu na świecie. Wynika
to z ograniczonej plastyczności stopów magnezu. Pierwiastki stopowe: aluminium,
Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 43
cynk, cyrkon, stront, wapń, pierwiastki ziem rzadkich oraz mangan, nikiel i żelazo,
intensywnie wpływają na właściwości stopów magnezu. Przykładowo, skand
zwiększa odporność na pełzanie, co może pozwolić na eksploatację stopów
magnezu w temperaturze do 350oC. W przemyśle motoryzacyjnym stosuje się
obecnie stopy Mg-Al i Mg-Si modyfikowane wapniem oraz stopy z dodatkiem litu,
które stanowią perspektywiczna grupę stopów magnezu do przeróbki plastycznej.
Lit wpływa korzystnie na właściwości plastyczne magnezu, lecz obniża
wytrzymałość na rozciąganie. Obecnie znaczenie techniczne ma stop Mg-Li z Al i
Mn oznaczony LA141, produkowany w postaci blach. Nowoczesne badania
stopów magnezu podjęła obecnie grupa młodych badaczy na Wydziale Inżynierii
Materiałowej i Metalurgii Politechniki Śląskiej.
Jak już wielokrotnie podkreślano, przemysł lotniczy jest nader ważnym
inkubatorem nowoczesnych stopów metalicznych. Przykładem są żarowytrzymałe
nadstopy na łopatki lotniczych turbin gazowych, których skład chemiczny jest
doskonalony od sześćdziesięciu lat. Dla umożliwiania osiągnięcia przez gazy
spalinowe możliwie najwyższej temperatury, decydującej o sprawności silnika
wzbogacono wyjściowy stop żaroodporny Ni-Cr w coraz to nowe pierwiastki, w
tym wzmacniające osnowę (np. Co, Mo, W, Re), polepszające plastyczność (np.
Hf), stabilizujące umacniającą fazę ł` (np. Ti, Al, Ta), zwiększające wytrzymałość
granic ziarn (np. B i Zr). Równolegle ze zmianami składu chemicznego stopów
następowały zmiany technologii ich wytwarzania. Pierwsze elementy z nadstopów
wytwarzano metodami przeróbki plastycznej. Współcześnie wykorzystuje się
technologie odlewnicze. Pierwsza generacja łopatek odlewanych posiadała
strukturę polikrystaliczną. Poprawę właściwości uzyskano po zastosowaniu
kierunkowej krystalizacji. Obecnie dąży się do wytwarzania łopatek o strukturze
monokrystalicznej. Zmianom technologii towarzyszą również zmiany składu
chemicznego nadstopu.
Dla spełnienia wymogów eksploatacyjnych elementów części gorącej turbiny
stosuje się powłoki ochronne, w tym przede wszystkim żaroodporne typu barier
cieplnych, nanoszone na elementy metodą natryskiwania plazmowego. Powłoki te
w połączeniu z systemami chłodzenia łopatek monokrystalicznych zwiększają
odporność na korozję i zmęczenie cieplne oraz zmniejszają temperaturę
44 Adolf Maciejny
powierzchni elementu. W obszarze tych zagadnień znaczące osiągnięcia uzyskali
specjaliści obróbki powierzchniowej z Politechniki Śląskiej i Politechniki
Rzeszowskiej.
Nową generacją metalowych tworzyw żarowytrzymałych tworzą stopy na
osnowie uporządkowanych faz międzykrystalicznych zawierających aluminium. Są
to stopy z układów Ti-Al i Fe-Al. W prowadzonych w Polsce badaniach ostatnich
lat zajmowano się głównie stopami na osnowie faz Fe3Al i FeAl. Stopy te
wykazują doskonałą odporność na utlenianie, nasiarczanie i korozję w środowisku
wody morskiej. Są tańsze od stali odpornych na korozję zawierające nikiel i
molibden. Ich obszar zastosowań to przemysł energetyczny, chemiczny,
petrochemiczny i okrętowy. Nadają się na różnego rodzaju elementy grzewcze-
wymienniki ciepła, grzejniki elektryczne, kuchnie [30].
Kluczowym zagadnieniem współczesnej inżynierii materiałowej są
nanomateriały i nanotechnologie. Ideę kontrolowanego tworzenia cząstek o
nanometrycznych rozmiarach poprzez łączenie pojedynczych atomów, przedstawił
w 1959 roku Richard Feynman - póz
niejszy laureat nagrody Nobla. W roku 1986
potwierdzono eksperymentalnie możliwość budowania materii przez składanie
pojedynczych atomów tj. nanotechnologii w skali atomowej. Zostaje wprowadzona
jednolita definicja nanomateriału. Jest ona oparta na kryterium geometrycznym i
ocenie najmniejszego elementu mikrostruktury. Terminem  nanomateriały określa
się materiały zawierające cząstki lub ziarna o średniej wielkości poniżej 100 nm. Z
kolei materiały zawierające cząstki lub ziarna o średniej wielkości 100 -1000 nm
określane są jako materiały ultradrobnoziarniste. Brak dyslokacji w stopach
nanokrystalicznych znacznie zwiększa ich wytrzymałość i zmniejsza plastyczność
(rys. 6).
Dzisiejsze nanotechnologie często nie opierają się już na pierwotnej koncepcji
budowy materii poprzez składanie pojedynczych atomów. Dąży się do
uruchamiania takich nanotechnologii, które zapewniłyby szybką i ekonomiczną
produkcję dużych ilości nanomateriałów oraz były przystosowane do współpracy z
już istniejącymi liniami produkcyjnymi.
Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 45
Rys. 6. Mapa mechanizmów odkształcenia plastycznego w zależności od wielkości ziarna
w metalach o sieci RSC [34]
Wytwarzanie nanomateriałów poprzez konsolidację pojedynczych atomów
jest na skalę przemysłową prowadzone przy użyciu specjalnej aparatury. Jedna z
najczęściej stosowanych klasycznych metod jest synteza cząstek z fazy gazowej.
Metal w specjalnej komorze syntezy osiąga temperaturę zbliżoną do temperatury
topnienia. Atomy metalu odparowujÄ… z jego powierzchni. Poddaje siÄ™ je
oddziaływaniu z gazem szlachetnym, na przykład takim jak hel, który nie reagując
chemicznie z odparowywanymi atomami ochładza, je co powoduje ich
kondensację w postaci mikroskopijnych skupisk wielkości 100 nm - 1 źm. Na
wielkość kondensowanych cząstek można wpływać poprzez rodzaj i ciśnienie gazu
szlachetnego [31]. Prostszymi sposobami wytwarzania nanoproszków jest
mechaniczne mielenie w młynach kulowych. Wyżarzanie materiałów
amorficznych, a przede wszystkim zastosowanie bardzo dużych odkształceń
plastycznych w warunkach skręcania pod wysokim ciśnieniem lub przeciskania
przez kanał kątowy.
Wyniki dotychczasowych badań nanokrystalicznych stopów metali ujawniają
cały szereg ich unikatowych właściwości zarówno jako materiałów
konstrukcyjnych jak i funkcjonalnych. Zagadnienie to jest przedmiotem badań i
dociekań również w krajowych zespołach badawczych [35].
46 Adolf Maciejny
Literatura:
[1] Grabski M. W., Kozubowski J. A.: Inżynieria Materiałowa, Oficyna
Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2003.
[2] Tyrkiel E.: Wykres żelazo - węgiel w rozwoju historycznym, Wydawnictwo
Ossolineum, Wrocław 1963.
[3] Blumenauer H.: Einführung in die Werksfoffwiessenschaft, Deutscher Verlag
für Grund-stoffindustrie, Leipzig 1972.
[4] Malkiewicz T.: Metaloznawstwo stopów żelaza, PWN, Warszawa- Kraków
1968.
[5] Wojciechowski S.: Co to jest inżynieria materiałowa?, Inżynieria
Materiałowa, nr 4, Katowice 2009.
[6] Wysiecki M.: Nowoczesne materiały narzędziowe, WNT, Warszawa 1997.
[7] Ciszewski B., Przetakiewicz W.: Nowoczesne materiały w technice,
Wydawnictwo Bellona, Warszawa 1993.
[8] Bojarski Zb.: Metale z pamięcią kształtu , PWN, Warszawa 1989.
[9] Cieślek A
.: Szkła metaliczne - nowa klasa współczesnych materiałów,
Materiały Konferencji PAN  Nowoczesne osiągnięcia metaloznawstwa ,
Gliwice 1992.
[10] Bojarski Zb., A
Ä…giewka E.: Rentgenowska analiza strukturalna, PWN,
Warszawa 1988 i 1995.
[11] Ryś J.: Stereologia materiałów, Wydawnictwo Fotobit Design, Kraków 1995.
[12] Wojnar L., Kurzydłowski K. J., Szala J.: Praktyka analizy obrazu,
Wydawnictwo Polskie Towarzystwo Stereologiczne, Kraków 2002.
[13] Cwajna J.: Postępy nauki o materiałach i inżynierii materiałowej,
Wydawnictwo Politechniki ÅšlÄ…skiej, Gliwice 2002.
[14] Wojnar L., Majorek M.: Komputerowa analiza obrazu, Wydawnictwo Fotobit
Design, Kraków 1994.
[15] Dymek S., Czyrska-Filemonowicz A.: Rozwój transmisyjnej mikroskopii
elektronowej, Inżynieria Materiałowa, nr 4/2002, Katowice 2002.
Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 47
[16] Bojarski Zb.: Mikroanalizator rentgenowski, Wydawnictwo ÅšlÄ…sk, Katowice
1971.
[17] Żelechower M.: Wprowadzenie do mikroanalizy rentgenowskiej,
Wydawnictwo Politechniki ÅšlÄ…skiej, Gliwice 2007.
[18] Szummer A.: Podstawy ilościowej mikroanalizy rentgenowskiej, WNT,
Warszawa 1994.
[19] Kocańda St.: Zmęczeniowe niszczenie metali, WNT, Warszawa 1972.
[20] Kocańda St., Kocańda A.: Niskocyklowa wytrzymałość zmęczeniowa metali,
PWN, Warszawa 1989.
[21] Jakowluk A.: Procesy pełzania i zmęczenia w materiałach, WNT, Warszawa
1993.
[22] Neimitz A.: Mechanika pękania, PWN, Warszawa 1998.
[23] Wyrzykowski J.W., Pleszakow E., Sieniawski J., Odkształcenie i pękanie
metali, WNT, Warszawa 1999.
[24] Hernas A.: Żarowytrzymałość stali i stopów, Wydawnictwo Politechniki
ÅšlÄ…skiej. Gliwice 2000.
[25] Bylica A., Sieniawski J.: Tytan i jego stopy, PWN, Warszawa 1985.
[26] Hernas A., Maciejny A.; Żarowytrzymałe stopy metali, Wydawnictwo
Ossolineum, Wrocław 1989.
[27] Adamczyk J., Szkaradek K.: Materiały metalowe dla energetyki jądrowej,
Wydawnictwo Politechniki ÅšlÄ…skiej, Gliwice 1992.
[28] Sieniawski J.: Kryteria i sposoby oceny materiałów na elementy lotniczych
silników turbinowych, Wydawnictwo Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów
1995.
[29] Głownia J.: Odlewy ze stali stopowej, Wydawnictwo Fotobit Design, Kraków
2002.
[30] Bojar Zb., Przetakiewicz W.: Materiały metalowe z udziałem faz
międzymetalicznych, Wyd. Bel Studio, Warszawa 2006.
48 Adolf Maciejny
[31] Richert M.: Inżynieria nanomateriałów i struktur ultra drobnoziarnistych,
Wyd. AGH, Kraków 2006.
[32] Major B.: Projektowanie i wytwarzanie funkcjonalnych materiałów
gradientowych (prace zbiorowe), Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej
PAN, Kraków 2007.
[33] Wojciechowski S.: Aktualne problemy inżynierii materiałowej w obszarze
nauki, techniki i kształcenia, Inżynieria Materiałowa, nr1/2003, Katowice
2003.
[34] Bojar Zb., Józ
wik P., Bystrzycki J.: Analiza mechanizmu odkształcenia
plastycznego w litych nanomateriałach metalowych, Inżynieria Materiałowa,
nr4/2005, Katowice 2005.
[35] Leonowicz M., Kurzydłowski K.J.: Nanomateriały metaliczne, ceramiczne i
organiczne, Inżynieria Materiałowa, nr2/2003, Katowice 2003.