01_Wstep.pdf

1. Wstęp

1.1.Historyczny rozwój materiałów

Człowiek od zarania dziejów wykorzystywał, a z czasem przetwarzał, materiały dla zdobycia

pożywienia, zwiększenia swego bezpieczeństwa i zapewnienia sobie odpowiedniego poziomu

życia. Śledząc dzieje cywilizacji ludzkiej można dojść do przekonania, że o jej rozwoju decyduje

w dużej mierze rozwój materiałów i towarzyszący temu rozwój sił wytwórczych. Świadczy o

tym niewątpliwie między innymi nazwanie różnych okresów w dziejach ludzkości od

materiałów decydujących wówczas o warunkach życia, np. epoki: kamienia, brązu, żelaza.

Również wdrożenie różnych wynalazków stało się możliwe dopiero po udostępnieniu

odpowiednich materiałów. Przykładowo już w notatkach Leonardo da Vinci z piętnastego wieku

znaleziono szkic helikoptera, lecz śmigłowiec wyprodukowano dopiero w latach czterdziestych

dwudziestego wieku. Statki kosmiczne dawno opisano w literaturze, a niezbędnych obliczeń

dokonano już w pierwszym dziesięcioleciu dwudziestego wieku, gdy pierwszy sztuczny satelita

Ziemi wystartował z sukcesem dopiero pod koniec lat pięćdziesiątych, a pierwszy prom

kosmiczny w latach siedemdziesiątych tego wieku.

1.2. Materiały konstrukcyjne

Metaloznawstwo jest nauką o budowie, właściwościach i metodach badań metalicznych

materiałów konstrukcyjnych, tzn. używanych do produkcji maszyn, urządzeń i konstrukcji.

Zadaniem tej dziedziny wiedzy technicznej jest określanie wpływu zmiany warunków

zewnętrznych, w tym również wywołanej procesami technologicznymi, na budowę tworzywa

oraz ustalanie zależności pomiędzy składem i budową tworzywa a jego właściwościami.

Zrozumienie tych zależności wymaga znajomości elementarnych mikroprocesów zachodzących

w materiale pod wpływem zmian temperatury, obciążenia i innych czynników zewnętrznych.

Zdefiniowanie pojęcia struktury (budowy) materiału zależy od przyjętej skali obserwacji.

W skali podmikroskopowej (atomowej) rozpatruje się strukturę krystaliczną , tj. przestrzenny

rozkład cząstek materii (atomów, jonów, cząsteczek), typ i symetrię sieci przestrzennej, rozkład

cząstek materii w komórce zasadniczej, jej wymiary wreszcie. Współczesne metody

eksperymentalne w zasadzie nie umożliwiają bezpośredniej obserwacji poszczególnych atomów,

a tylko pewnych ich zgrupowań (np. strefy G P). Jednak pośrednio metodami dyfrakcji

rentgenowskiej lub elektronowej wymienione cechy struktury krystalicznej można określić i

zmierzyć ze znaczną dokładnością.

W skali mikroskopowej rozpatruje się podstrukturę , tj. strukturę rzeczywistą kryształu albo

ziarna. Struktura rzeczywista obejmuje granice, orientację i rozmiary bloków oraz defekty

struktury krystalicznej. Bezpośrednią obserwację podstruktury, zwłaszcza granic

wąskokątowych lub dyslokacji, umożliwia mikroskopia elektronowa z wykorzystaniem techniki

folii.

Wreszcie w skali mikroskopowej albo makroskopowej mówi się odpowiednio o mikrostrukturze

albo makrostrukturze . Jej opis obejmuje w materiałach jednofazowych kształt, wielkość i

orientację poszczególnych ziarn, a w materiałach wielofazowych ponadto rodzaj, udział i

wzajemne usytuowanie faz składowych. W obu przypadkach opis obejmuje również ewentualne

wady materiałowe: wtrącenia niemetaliczne (kształt i rozkład wydzieleń), pęknięcia, pory itp.

Metody makroskopii oraz mikroskopii świetlnej i elektronowej umożliwiają bezpośrednią

obserwację makrostruktury i mikrostruktury materiału oraz przy wykorzystaniu odpowiednich

wskaźników jej ilościowy opis.

Pełny opis struktury wymaga więc znajomości składu chemicznego materiału (faz

składowych), struktury krystalicznej, podstruktury i mikrostruktury. Warto pamiętać, że

struktura materiału jest stabilna w określonych warunkach zewnętrznych (temperatura,

ciśnienie). Zmiana tych warunków może wywołać w materiale przemianę fazową i w

konsekwencji zmianę struktury, a więc i właściwości. Analogiczny skutek można uzyskać

poddając materiał odpowiednim procesom technologicznym; w tym zakresie szczególnie

efektywne są obróbka plastyczna i obróbka cieplna.

Do cech materiału o szczególnym znaczeniu użytkowym należą właściwości mechaniczne.

Rozumie się przez nie zespół cech (granica sprężystości, wytrzymałość, twardość)

określających wytrzymałość oraz (granica plastyczności, wydłużenie, przewężenie, udarność)

charakteryzujących plastyczność materiału. Spośród nich najczęściej wytrzymałość albo granica

plastyczności są podstawą obliczeń podczas projektowania. Decydując o wymiarach przekroju

elementów, niezbędnych do przenoszenia przewidywanych obciążeń, wespół z ciężarem

właściwym przesądza o gabarycie i ciężarze konstrukcji.

Zespół cech umożliwiających zachowanie, niezmiennych w czasie, właściwości materiału,

jak odporność na korodujące lub mechaniczne (erozja, kawitacja) działanie środowiska oraz

mechaniczne działanie (ścieranie) współpracujących elementów, wreszcie odporność na

działanie podwyższonej temperatury decydują o niezawodności i trwałości konstrukcji.

Przez właściwości technologiczne rozumie się podatność materiału do określonych technik

wytwarzania, jak odlewanie (lejność), spawanie (spawalność), obróbka plastyczna (ciągliwość,

tłoczność), obróbka skrawaniem (skrawalność), obróbka cieplna (hartowność) itp. Właściwości

te, przy uwzględnieniu wielkości produkcji, decydują o wyborze optymalnej technologii, a w

połączeniu z ceną materiału o koszcie konstrukcji.

Specjalne właściwości fizyczne, np. temperatura topnienia, rozszerzalność cieplna,

przenikalność magnetyczna itp., czy chemiczne, np. odporność na utlenianie w wysokiej

temperaturze, odporność na działanie określonej substancji chemicznej itp., w konkretnych

przypadkach przesądzają wybór materiału, usuwając na dalszy plan właściwości mechaniczne,

technologiczne oraz cenę.

Ogromna liczba współcześnie stosowanych materiałów konstrukcyjnych stwarza wielorakość

kryteriów klasyfikacyjnych. Jedną z najogólniejszych jest klasyfikacja oparta na charakterze

dominującego wiązania działającego między cząstkami materii. Z tego punktu widzenia

wyróżnia się materiały:

metaliczne o wiązaniu metalicznym,

ceramiczne o wiązaniu kowalencyjnym albo jonowym,

polimeryczne, w których działa wiązanie kowalencyjne (w obrębie makrocząsteczek) i

siły Van der Waalsa (między makrocząsteczkami).

Materiały metaliczne , tj. metale techniczne i ich stopy, należą do grupy tworzyw

krystalicznych. Charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi i

plastycznymi, dobrą przewodnością elektryczną i cieplną oraz zróżnicowaną odpornością na

korozję. Odznaczają się na ogół dobrymi właściwościami technologicznymi oraz łatwością

nadawania im (stopy metali) bardzo różnorodnych właściwości fizycznych i chemicznych. Wadą

materiałów metalicznych jest na ogół duży ciężar właściwy. Stanowią one podstawowe

tworzywo na wyroby przemysłu maszynowego oraz na konstrukcje metalowe.

Materiały ceramiczne należą w zasadzie do tworzyw krystalicznych, jakkolwiek mogą mieć

pewien udział fazy amorficznej. Cechuje je duża twardość i kruchość. Przeważnie są izolatorami

elektrycznymi i cieplnymi, o znacznej odporności na korozję. Wadą ich są złe właściwości

technologiczne, przez co wymagają specjalnych technik przetwarzania. Właściwości

predystynują materiały ceramiczne do specjalnych zastosowań, np. do wyrobu elementów

żaroodpornych, elektroizolacyjnych, termoizolacyjnych oraz jako specjalne materiały

narzędziowe (ostrza narzędzi skrawających, środki ścierne i polerskie).

Materiały polimeryczne , tj. tworzywa sztuczne, należą do grupy tworzyw amorficznych.

Odznaczają się stosunkowo dobrymi właściwościami mechanicznymi, są elektroizolatorami oraz

są bardzo odporne na działanie czynników chemicznych. Zaletą ich jest mały ciężar właściwy, a

wadą - mała odporność na działanie temperatur przekraczających 200-300° C (organiczne

związki węgla z wodorem i tlenem). Aktualnie obserwuje się ogromny wzrost zastosowań

tworzyw sztucznych, coraz skuteczniej konkurujących z materiałami metalicznymi w zakresie

elementów maszyn i zdecydowanie wypierających metale i szkło w zakresie opakowań, albo

metale i drewno w zakresie elementów wystroju wnętrz i taboru komunikacyjnego. Jednym z

powodów wzrostu produkcji tworzyw sztucznych jest możliwość wydatnego powiększenia ich

cech mechanicznych przez tzw. zbrojenie kompozyty), np. włóknami metalicznymi lub

ceramicznymi (szkło, węgiel).

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: