Fizyczne podstawy materiałoznawstwa

Wstęp

1. Jakie jest znaczenie nauki o materiałach?

Materiały są podstawowym tworzywem, z którym mają do czynienia inżynierowie każdej specjalności, zarówno ci którzy zajmują się wytwarzaniem materiałów, ich badaniem, konstruowaniem i wykorzystaniem. Jakikolwiek postęp techniczny jest niemożliwy bez stałego ulepszania materiałów i tworzenia nowych. Można bez przesady powiedzieć, że materiały były zawsze "wąskim gardłem" rozwoju technicznego i cywilizacyjnego, a najbardziej rozwinięte kraje świata przodują również w rozwijaniu, wytwarzaniu i stosowaniu nowych materiałów. Dlatego jest bardzo ważne aby każdy inżynier posiadał podstawową wiedzę o aktualnie dostępnych materiałach i rozumiał ich zachowanie się w warunkach eksploatacyjnych, gdyż to umożliwia racjonalny dobór i stosowanie materiałów.

2. Jakie są podstawowe rodzaje materiałów stosowanych w technice?

Do podstawowych materiałów zaliczamy metale i ich stopy, materiały ceramiczne, tworzywa sztuczne i kompozyty, a także farby, lakiery, emalie i kleje.

3. Podaj krótką charakterystykę metali i stopów

Metale są najważniejszym materiałem, gdyż są podstawowym tworzywem konstrukcyjnym maszyn, konstrukcji i środków transportu. Mają dużą wytrzymałość i ciągliwość, a niektóre także bardzo wysoką temperaturę topnienia. Czyste metale są wykorzystywane dość rzadko, a najczęściej stosuje się ich stopy, z których stale, t.j. stopy na bazie żelaza są najbardziej popularne. Stopy metali mają bowiem lepsze własności wytrzymałościowe, a dodatkami stopowymi i obróbką cieplną można nadawać im wymagane własności (np. żaroodporne, nierdzewne, magnetyczne i inn.). Z innych metali należy wymienić miedź, aluminium, tytan, magnez, cynę, cynk, ołów, które znalazły największe zastosowanie zarówno w postaci czystej jak i stopów. Metale można podzielić na różne grupy w zależności od ich własności np. na lekkie lub ciężkie, łatwo-, średnio- lub trudnotopliwe, nieszlachetne, półszlachetne lub szlachetne itp.

4. Podaj krótką charakterystykę materiałów ceramicznych

Materiały ceramiczne są wytwarzane z drobnych ziarn mineralnych, przez formowanie i wypalanie przy wysokiej temperaturze, a ostatnio także przez rozwłóknianie i natryskiwanie. Materiały ceramiczne można podzielić na różne grupy jak porcelanowe, porelitowe, fajansowe, kamionkowe, ogniotrwałe, elektroizolacyjne, ceramikę budowlaną (cegły, kafle, dachówki, klinkier, ceramikę dekoracyjną i sanitarną), wyroby porowate i włókniste, a także materiały wiążące (cement i gips). Do ceramiki zalicza się również szkło. W ostatnich latach coraz większego znaczenia nabierają nowe materiały zwane cermetalami (są to spieki ceramiczno-metalowe), które stosuje się np. na narzędzia i łopatki turbin.

5. Podaj krótką charakterystykę polimerów

Polimery są to materiały powstające przez połączenie się bardzo wielu jednakowych lub różnych prostych cząsteczek, zbudowanych głównie z atomów węgla i wodoru z możliwym jednak udziałem atomów chloru, krzemu, fluoru i siarki. Polimery są zwane także tworzywami sztucznymi lub plastykami. Polimery dzieli się na termoplasty, duroplasty i elastomery. Termoplasty miękną po nagrzaniu i dają się łatwo kształtować, duroplasty podczas polimeryzacji przechodzą nieodwracalnie w stan utwardzony i kruchy i nie można ich w tym stanie formować, a elastomery wykazują zdolność po dużym odkształceniu przy temperaturze pokojowej do natychmiastowego powrotu do postaci pierwotnej (są to kauczuki: naturalny i syntetyczne).

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

6. Co to są spieki?

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

7. Co to są kompozyty?

Kompozyty są to tworzywa składające się z dwóch lub więcej faz o własnościach nieosiągalnych w żadnym innym materiale. Do najbardziej znanych kompozytów należą żelazo - beton, eternit, szkło zbrojone siatką metalową, węgliki spiekane, cermetale i inn. Kompozyty dzielimy na umacniane cząstkami (dyspersyjnie) i włóknami (włókniste). Te z kolei dzielimy na umacniane włóknami ciętymi i ciągłymi. Możliwe są różne kombinacje przy komponowaniu kompozytów. Np. osnowa metaliczna, polimerowa, ceramiczna, a cząstki lub włókna mogą być metalowe, ze związków międzymetalicznych, ceramiczne, węglowe (grafit), polimerowe, lub o złożonej budowie (np. włókna borsic). Kompozyty pozwalają na otrzymywanie lekkich, mocnych i elastycznych konstrukcji. Są nimi także materiały żarowytrzymałe (np. łopatki turbin gazowych) i narzędzia (np. węgliki spiekane).

8. Co rozumiemy przez strukturę materiałów?

Struktura materiałów może być rozważana w różnych aspektach. Z jednej strony strukturą nazywamy sposób ułożenia atomów lub cząsteczek, np. bezpostaciowa (amorficzna) lub krystaliczna, z uwzględnieniem defektów, z drugiej zaś - wzajemny układ i dyspersję różnych ziarn (kryształów). W pierwszym przypadku mówi się o strukturze krystalicznej, która może być analizowana za pomocą metod dyfrakcyjnych przy użyciu promieni rentgenowskich, elektronów i neutronów, w drugim istnieje szeroki zakres metod badawczych począwszy od obserwacji "gołym" okiem (makrostruktura), a przy większych powiększeniach za pomocą mikroskopu optycznego (mikrostruktura) lub elektronowego (submikrostruktura).

Metale mają na ogół strukturę krystaliczną z tym, że niektóre stopy można uzyskiwać w postaci amorficznej(szkło metaliczne). Wiele substancji ceramicznych ma wprawdzie strukturę krystaliczną, ale wiązania międzyatomowe są niemetaliczne, co powoduje, że są one bardzo kruche (np. Al₂O₃, SiO₂). Wiele materiałów ceramicznych i polimerów ma strukturę bezpostaciową. Mają one własności różne od tworzyw krystalicznych. Struktura polikrystaliczna (ziarnista) jest typowa dla większości metali, wielu ceramików i niektórych polimerów. Ziarna mogą różnić się orientacją krystalograficzną, wielkością i kształtem, co istotnie wpływa na własności tworzywa. Struktura może być jednofazowa lub częściej wielofazowa. Własności będą zależały nie tylko od procentowego udziału poszczególnych faz, ale i od stopnia ich dyspersji i kształtu ziarn.

9. Jakie są metody wytwarzania materiałów metalicznych?

Metody wytwarzania materiałów metalicznych są bardzo zróżnicowane, zależnie od rodzaju materiału, ale zawsze wywierają istotny wpływ na strukturę, a więc i własności. Metale wytwarza się w większości przez odlewanie do form. Formy te mogą nadawać metalowi ostateczny kształt lub mogą formować t.zw. wlewek przeznaczony do przeróbki plastycznej na gorąco lub zimno.

Struktura, a więc i własności, zależą istotnie od metody formowania i z reguły są bardziej korzystne po przeróbce plastycznej niż po odlewaniu.

Pewien wpływ wywiera również sposób przeróbki plastycznej, która może polegać na kuciu, prasowaniu, ciągnieniu, wyciskaniu, walcowaniu. Inna metoda wytwarzania metali opiera się na metalurgii proszków (t.zn. prasowaniu i spiekaniu), która ma wiele zalet, a mianowicie pozwala na uzyskanie gotowych elementów, o dużej jednorodności chemicznej i strukturalnej i jest bezkonkurencyjna jeśli chodzi o wytwarzanie metali trudnotopliwych (Pt, W, Mo). Mniejsze zastosowanie mają metody galwaniczne i natryskowe, które są wykorzystywane głównie do konstytuowania warstw wierzchnich.

10. Jak kształtuje się polimery?

Jest wiele metod kształtowania polimerów. Większość z nich można kształtować przez odlewanie grawitacyjne, wtryskowe lub odśrodkowe. Niekiedy stosuje się spiekanie. Oprócz tego tworzywa sztuczne są kształtowane przez prasowanie, kalandrowanie (walcowanie), tłoczenie i wyciskanie. Dość szeroko są stosowane tworzywa sztuczne do wytwarzania powłok antykorozyjnych np. metodą natryskową lub fluidalną.

11. Jak kształtuje się materiały ceramiczne?

Są w zasadzie dwie metody kształtowania materiałów ceramicznych: odlewanie z mas lejnych (metoda ta jest stosowana np. w przypadku wytwarzania porcelany), lub prasowanie, gdy materiałem wyjściowym są masy plastyczne (np przy produkcji cegły). Oprócz tego stosuje się wyciskanie, prasowanie izostatyczne i spiekanie ciśnieniowe. W przypadku szkła jest stosowane dodatkowo walcowanie, wydmuchiwanie wyciąganie, rozwłóknianie i wlewanie tafli szklanych.

12. Jak wytwarza się kompozyty?

Kompozyty wytwarza się przez odlewanie, zalewanie, infiltrację, prasowanie i spiekanie oraz łączenie wybuchowe.Kompozyty umacniane cząstkami wytwarza się z reguły metodami stosowanymi w metalurgii proszków, a więc przez prasowanie i spiekanie. Natomiast do wytwarzania kompozytów włóknistych stosuje się całą gammę metod, dostosowanych do specyfiki materiałów, z których są wytwarzane.

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

Związek ten jest bardzo istotny. Na przykład w metalach własności wyrobów są znacznie lepsze po przeróbce plastycznej niż po odlewaniu. Odlewy cechują się bowiem gruboziarnistością, segregacją (zróżnicowanie składu chemicznego), obecnością pęcherzy gazowych i jam skurczowych, co obniża zarówno własności wytrzymałościowe jak i plastyczne. Metale odkształcane na zimno mają większą wytrzymałość i mniejszą plastyczność niż odkształcane na gorąco. Istnieje generalna zasada, że im większa jest drobnoziarnistość i jednorodność materiału tym korzystniejsze są jego własności. Materiały wielofazowe mają na ogół większą wytrzymałość niż jednofazowe. Szkło metaliczne cechuje bardzo wysoka wytrzymałość, ale znikoma ciągliwość. W przypadku polimerów również istnieje wyraźna zależność między strukturą i własnościami: termoplasty mają budowę łańcuchową a struktura duroplastów jest wynikiem przestrzennego sieciowania liniowych cząsteczek żywicy.

14. Jakie są zewnętrzne czynniki wpływające na własności materiałów?

Do czynników wpływających na własności materiałów należą:

sposób obciążenia (statyczny, dynamiczny, zmienny, w zakresie sprężystości lub odkształcenia plastycznego),
temperatura (ze wzrostem temperatury obniżają się własności wytrzymałościowe, ale rośnie plastyczność, z obniżeniem zwiększa się skłonność do kruchego pękania),
atmosfera (zwykle atmosfera zawierająca tlen wpływa destrukcyjnie na metale i polimery; niektóre metale mają skłonność do pochłaniania gazów, co powoduje ich kruchość),
korozja (metale mogą ulegać korozji gazowej przy wysokich temperaturach w atmosferze zawierającej tlen i siarkę; mogą także ulegać korozji w roztworach soli i kwasów. Działanie naprężeń może przyspieszyć ten proces. Także materiały ceramiczne korodują w kontakcie z innymi materiałami ceramicznymi w stanie ciekłym np. żużlem),
uszkodzenia radiacyjne (materiały narażone na działanie cząstek o wysokiej energii (np. neutronów w reaktorach) ulegają destrukcji objawiającej się spadkiem wytrzymałości i wzrostem kruchości, puchnięciem i pękaniem).