Materiałoznawstwo - Forum Wydziału Inżynierii Środowiska

2013-09-30
Materiałoznawstwo
Imię, nazwisko i tytuł prowadzącego:
Mieczysław Łuźniak, dr inż.
pok. 236B, bud. D – 2,
tel. (071) 320 32 14,
e-mail: mieczyslaw.luzniak@pwr,wroc.pl
Materiały do pobrania na stronie:
http:/forum.iios.pwr.wroc.pl
Literatura podstawowa
Podręczniki
L. Dobrzański: Materiały inżynierskie i projektowanie materiałowe. WNT, Warszawa 2006
( znacznie materiałów, ich dobór na produkcji, materia i jej składniki, struktura metali i
ich stopów, kształtowanie struktury metali, obróbki cieplne i cieplno-chemiczne,
materiały niemetalowe: ceramiczne, węglowe, spiekane, polimerowe, kompozytowe,
materiały dla elektrotechniki, elektroniki optyki optoelektroniki)
M. Ashby, D. Jones ; Materiały inżynierskie.
Cz. 1 - Właściwości i zastosowania. WNT, Warszawa 1995
( podział, dostępność w przyrodzie, struktura i prognozy zużycia, ceny, właściwości tj. gęstość,
moduł sprężystości, wytrzymałość, plastyczność, twardość, kruchość, sprężystość, zmęczenie,
pełzanie, starzenie, korozja, tarcie, ścieranie )
Literatura uzupełniająca
L. Dobrzański: Metalowe materiały inżynierskie. WNT. Warszawa 2004
( rola materiałów we współczesnej technice, projektowanie materiałowe, zależność projektowania
materiałowego i technologicznego produktów z materiałów metalowych, stale i ich stopy,
metale nieżelazne i ich stopy)
L. Dobrzański: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach. WNT, Warszawa 1999
( struktura i umocnienie metali i stopów, kształtowanie struktury i własności metali i
stopów, własności wytrzymałościowe, twardość, udarność, pękanie, zmęczenie,
korozja, zużycie, stale, staliwa, żeliwa, metale nieżelazne i ich stopy, materiały spiekane).
Ashby M., Jones H., Materiały inżynierskie.
Cz. 2 - Kształtowanie struktury i właściwości, dobór materiałów. WTN W-wa, 1996r.
( metale i ich stopy, stale węglowe, stopy lekkie)
1
2013-09-30
Zawartość tematyczna wykładów
• Wstęp. Program wykładu. Literatura. Wymagania. Projektowanie inżynierskie. Studia i czynniki
uwzględniane w czasie projektowania. Kryteria doboru materiałów.
• Materiały inżynierskie. Podział. Dostępność surowców w przyrodzie. Struktura zużycia.
prognozy wykorzystania.
• Podstawowe właściwości fizyczne i mechaniczne materiałów inżynierskich: gęstość, wytrzymałość,
plastyczność, kruchość, sprężystość.
• Doraźna wytrzymałość materiałów na rozciąganie, zginanie i skręcanie. Twardość i ciągliwość
materiałów.
• Zniszczenie materiału w wyniku nagłego pękania i zmęczenia. Odkształcenie i pękanie w wyniku
pełzania.
• Tarcie, ścieranie i zużycie materiałów spowodowane tarciem.
• Metale. Podział. Stosowane procesy wytwórcze celem uzyskania wyrobów z metali. Typowe
zastosowania metali w inżynierii środowiska.
• Stopy żelaza z węglem. Podział. Podstawowe właściwości mechaniczne. Obróbka cieplna i cieplnochemiczna stali.
• Zużycie mechaniczne, utlenianie i korozja metali. Stosowane zabezpieczenia antykorozyjne
rurociągów podziemnych ze stali,
• Wpływ materiałów inżynierskich na środowisko. Możliwości ich utylizacji i wtórnego
wykorzystania.
OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA
PROCESÓW WYTWARZANIA PRODUKTÓW
Proces przetwarzania surowców materiałowych w produkty zwany jest wytwarzaniem.
Wytwarzanie polega na wykonywaniu produktów z surowców materiałowych w różnych
procesach, przy użyciu różnych maszyn i w operacjach zorganizowanych zgodnie z dobrze
opracowanym planem.
Proces wytwarzania polega na właściwym wykorzystaniu zasobów: materiałów, energii,
kapitału i ludzi.
Współcześnie wytwarzanie jest kompleksowym działaniem, łączącym ludzi, którzy wykonują
różne zawody i zajęcia, przy użyciu różnych maszyn, wyposażenia i narzędzi, w różnym stopniu
zautomatyzowanym, włączając komputery i roboty (rys. 1.1).
Celem wytwarzania jest każdorazowo zaspakajanie potrzeb rynkowych klientów, zgodnie
z opracowaną strategią przedsiębiorstwa lub organizacji zajmującej się wytwarzaniem (rys. 1.2),
wykorzystującej dostępne możliwości i urządzenia.
2
2013-09-30
Rys. 1.1 Ogólny model wytwarzania (wg R.B. Clase 'a, NJ. Aąuilano i ER. Jacobsa).
Rys. 1.2 Schemat strategii zaspokajania potrzeb rynkowych klienta przez przedsiębiorstwo
wytwarzające produkty (wg R.B. Cłase'a, NJ. Aąuilano i ER. Jacobsa).
3
2013-09-30
PROJEKTOWANIE PRODUKTÓW
Pierwsza faza projektowania produktu dotyczy wzornictwa przemysłowego związanego z ogólnym
opisem funkcji produktu oraz opracowaniem ogólnej jego koncepcji, obejmującej formę zewnętrzną,
kolor i ewentualnie ogólne założenia co do głównych elementów.
Następne fazy obejmują projektowanie inżynierskie i kolejno przygotowanie produkcji.
W projektowaniu inżynierskim można wyróżnić projektowanie systemu wytwarzania (rys 1.3)
oraz projektowanie produktów.
Rys. 1.3. Główne sfery wprowadzania produktów na rynek (wg R.B.Clasea, NJ. Aąuilano i
ER. Jacobsa).
Projektowanie produktu, łączy w sobie trzy równie ważne i nierozdzielne elementy (rys. 1.4):
- projektowanie konstrukcyjne, którego celem jest opracowywanie kształtu i cech geometrycznych
produktów zaspokajających ludzkie potrzeby,
- projektowanie materiałowe w celu zagwarantowania wymaganej trwałości produktu lub jego
elementów wytworzonych z materiałów inżynierskich o wymaganych własnościach fizykochemicznych i technologicznych,
- projektowanie technologiczne procesu umożliwiające nadanie wymaganych cech geometrycznych
i własności poszczególnym elementom produktu, a także ich prawidłowe współdziałanie po zmontowaniu, przy uwzględnieniu wielkości produkcji, poziomu automatyzacji i komputerowego wspomagania przy zapewnieniu minimalnych kosztów produkcji.
Rys. 1.4. Schemat współzależności
między elementami
projektowania inżynierskiego
produktu ( wg G.E. Dietera).
4
2013-09-30
DOBÓR MATERIAŁÓW W POSZCZEGÓLNYCH STADIACH
PROJEKTOWANIA INŻYNIERSKIEGO
Pierwsze stadium projektowania inżynierskiego (rys. 1.5) polega na opracowaniu koncepcji,
połączonym z ogólnym wyspecyfikowaniem dostępnych materiałów i procesów technologicznych.
W kolejnym stadium ogólnego projektowania inżynierskiego określa się kształt i przybliżoną wielkość
elementów, stosując inżynierskie metody analizy. W tym stadium projektant ogólnie typuje klasę stosowanych materiałów
oraz rodzaj procesu technologicznego, dobierając np. obróbkę plastyczną lub odlewanie do wytwarzania elementu ze
stopów metali nieżelaznych. Własności materiału należy przy tym określić bardziej precyzyjnie.
W stadium szczegółowego projektowania inżynierskiego ostatecznie dobiera się zarówno materiał, jak
i proces technologiczny. Dokonuje się wówczas doboru jednego, odpowiedniego materiału oraz najwyżej kilku wariantów
procesu technologicznego. W zależności od znaczenia projektowanego elementu, własności materiałów powinny być
znane projektantowi bardzo szczegółowo.
Rys. 1.5. Stadia projektowania inżynierskiego (opracowano na podstawie założeń M.F. Ashby'ego).
DOBÓR MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH
W STADIUM PROJEKTOWANIA SZCZEGÓŁOWEGO
Dobór właściwego materiału inżynierskiego wraz z odpowiednim procesem technologicznym
ma kluczowe znaczenie zapewniając największą trwałość produktu przy najniższych kosztach,
zważywszy że trzeba go dokonać z ponad 100 000 możliwych i dostępnych na rynku materiałów
inżynierskich, pomimo że przeciętny inżynier projektant dysponuje szczegółową wiedzą o zastosowaniach praktycznych 50 do 100 materiałów inżynierskich.
Możliwe są dwa podejścia do doboru kombinacji materiałów inżynierskich i procesu technologicznego danego elementu. W pierwszej kolejności można dobrać albo materiał inżynierski, co
jest częściej preferowane przez inżynierów, albo proces technologiczny.
Ze względu na bardzo zróżnicowane warunki eksploatacji różnych produktów, jak również
ich bardzo różnorodne cechy konstrukcyjne, do poprawnego doboru materiałów inżynierskich niezbędne jest zebranie wielu informacji szczegółowych, przykładowo zestawionych w tablicy 1.6.
5
2013-09-30
Czynniki decydujące o doborze materiałów inżynierskich
do różnych zastosowań
Wielokryterialna optymalizacja jako podstawa poboru materiałów
Mnogość dostępnych obecnie materiałów inżynierskich stwarza konieczność ich poprawnego doboru
na elementy konstrukcyjne lub funkcjonalne, narzędzia i ewentualnie inne produkty lub ich elementy.
Doboru tego należy dokonywać na podstawie wielokryterialnej optymalizacji, w tym także opierając
się na własnościach podanych w tablicy 1.1. Tablica ta obejmuje zespół własności umożliwiających
pełną charakterystykę materiałów inżynierskich.
Tablica 1.1. Własności materiałów inżynierskich uwzględniane w projektowaniu materiałowym
CZYNNIKI DECYDUJĄCE O DOBORZE MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH
ZE WZGLĘDU NA WYTWARZANIE
Ostatecznym kryterium doboru materiałów jest koszt wytworzenia elementu o wysokiej
jakości. Dla doboru najlepszych materiałów inżynierskich ze względu na wytwarzanie elementów
należy uwzględnić następujące czynniki:
- rodzaj i skład chemiczny materiału inżynierskiego (rodzaj stopu, materiału polimerowego,
ceramicznego lub kompozytowego), postać materiału inżynierskiego (pręt, rura, drut,
arkusz, blacha, płyta, proszek itp.),
- wielkość (wymiary i tolerancje wymiarowe),
- stan obróbki cieplnej,
- anizotropię własności mechanicznych,
- obróbkę powierzchniową,
- jakość (struktura, wtrącenia niemetaliczne itp.),
- wielkość produkcji,
- technologiczność (skrawalność, spawalność, lejność itp.),
- przydatność do recyklingu,
- koszt materiału inżynierskiego.
6
2013-09-30
Występowanie materiałów na Ziemi
Skład skorupy ziemskiej
Skierujmy teraz uwagę nie na to co zużywamy, ale na to co jest dostępne. Niewiele materiałów
inżynierskich syntetyzuje się z substancji pozyskiwanych z oceanów i atmosfery (jak np. magnez).
Prawie wszystkie pochodzą ze skorupy ziemskiej: wydobywane są w kopalniach jako rudy, następnie
wzbogacane do poziomu umożliwiającego ich ekstrakcję lub syntezę.
W tablicy 1.2 przedstawiono względną zawartość pierwiastków w skorupie ziemskiej, w
oceanach i w atmosferze. W skorupie ziemskiej aż 47% wag. stanowi tlen, a ponieważ atom tlenu
jest duży (zajmuje on 96% objętości), geologowie zwykli mówić, że skorupa ziemska to zestalony
tlen zanieczyszczony kilkoma procentami innych pierwiastków. Następnymi pod względem ilości
są krzem i aluminium; niewątpliwie najobfitszymi materiałami dostępnymi na Ziemi są właśnie
krzemiany i glinokrzemiany.
Mało jest natomiast metali - z powszechnie używanych pierwiastków występuje w tablicy tylko
aluminium i żelazo. W tablicy zamieściliśmy dane aż do węgla, ponieważ stanowi on trzon
wszystkich potencjalnych polimerów, w tym i drewna.
W oceanach i atmosferze jest podobnie - wszechobecny jest tlen i jego związki gdziekolwiek nie popatrzymy, otoczeni jesteśmy przez ceramiki lub surowce, z których można je
zrobić. Niektóre pierwiastki też występują wszędzie, chodzi głównie o żelazo i aluminium, ale ich
koncentracja jest zwykle tak znikoma, że wydobycie staje się nieopłacalne. W istocie, surowce do
produkcji polimerów są teraz bardziej dostępne niż rudy większości metali.
Olbrzymie pokłady węgla, którego miesięczne wydobycie przekracza roczne pozyskiwanie
żelaza, są na razie są spalane. Drugi składnik większości polimerów, wodór, należy również do
najobficiej występujących pierwiastków.
Tablica 1.2. Występowanie pierwiastków na Ziemi (w procentach wagowych).
7
2013-09-30
Ogólny przegląd głównych
grup materiałów inżynierskich
Podstawowe grupy materiałów
Materiałami w pojęciu technicznym nazywane są ciała stałe o własnościach umożliwiających
ich stosowanie przez człowieka do wytwarzania produktów.
Najogólniej wśród materiałów o znaczeniu technicznym można wyróżnić:
- materiały naturalne, wymagające jedynie nadania kształtu, do technicznej zastosowania,
- materiały inżynierskie, nie występujące w naturze lecz wymagające zastosowania
złożonych procesów wytwórczych do ich przystosowania do potrze technicznych po
wykorzystaniu surowców dostępnych w naturze.
Przykładami materiałów naturalnych są: drewno, niektóre kamienie, skały i minerały.
Do podstawowych grup materiałów inżynierskich są zaliczane (rys. 1.6):
- metale i ich stopy,
- polimery,
- materiały ceramiczne,
- kompozyty.
Rys. 1.6. Podstawowe grupy materiałów inżynierskich.
8
2013-09-30
Podstawą podanej klasyfikacji jest istota wiązań między atomami tworzącymi dany materiał
utrzymujących je w skoordynowanych przestrzennie układach i determinujących podstawowe
własności materiału (rys. 1.7).
Rys. 1.7. Rodzaje wiązań między atomami występującymi w podstawowych grupach
materiałów inżynierskich.
ISTOTA WIĄZAŃ MIĘDZY ATOMAMI
Tworzenie się wiązań między atomami polega na wymianie lub uwspólnieniu
elektronów walencyjnych. W tablicy 1.3 podano energię poszczególnych wiązań
występujących między atomami lub cząsteczkami.
KLASYFIKACJA WIĄZAŃ PIERWOTNYCH MIĘDZY ATOMAMI
Wyróżnia się następujące wiązania między atomami:
- jonowe,
- atomowe, zwane też kowalencyjnymi,
- metaliczne.
Tablica 1.3. Energia wiązań między
atomami w różnych substancjach.
9
2013-09-30
WIĄZANlE JONOWE
Gdy elektrony walencyjne jednego atomu
elektrododatniego są przyłączane przez drugi
atom elektroujemny, powstaje wiązanie jonowe
(rys. 1.8 a i b). W wyniku utraty elektronów
walencyjnych przez jeden atom i przyłączenia
tych elektronów przez drugi, oba atomy uzyskują
oktetowe konfiguracje elektronowe takie jakimi
charakteryzują się gazy szlachetne. W
wiązaniach jonowych są tworzone atomy, w
których występuje odpowiednio brak i nadmiar
jednego lub dwóch elektronów walencyjnych.
Wiązanie
jonowe
powoduje
dużą
rezystywność i oporność cieplną oraz kruchość
uzyskiwanych substancji, są one przezroczyste,
często o różnym zabarwieniu.
Rys. 1.8. Schemat pierwotnych wiązań między
atomami: a) i b) jonowe
(b - na przykładzie NaCl).
WIĄZANIE ATOMOWE CZYLI KOWALENCYJNE
W przypadku atomów pierwiastków
elektroujemnych, zwykle gazów, elektrony
walencyjne pierwotnie różnych atomów tworzą
pary elektronów należące wspólnie do jąder
dwóch atomów.
W wiązaniu tym, takie uwspólnione
elektrony nazywane są atomowymi
czyli kowalencyjnymi (rys. 1.9 c i d).
Wiązania atomowe, poza gazami,
występują także w substancjach stałych,
takich jak np. Si, Ge i diament.
Rys. 1.9. Schemat pierwotnych wiązań między
atomami: c) i d) kowalencyjne
(d - na przykładzie CH4).
10
2013-09-30
WIĄZAMIE METALICZNE
Wiązanie metaliczne występuje w dużych
skupiskach atomów pierwiastków metalicznych,
które po zbliżeniu się na wystarczająco małą
odległość, charakterystyczną dla stałego stanu
skupienia, oddają swoje elektrony walencyjne
na rzecz całego zbioru atomów. Elektrony
walencyjne przemieszczają się swobodnie
pomiędzy atomami ( jonami dodatnimi ),
tworząc tzw. gaz elektronowy, charakterystyczny
dla wiązania metalicznego (rys. 1.10 e i f).
Rys. 1.10. Schemat pierwotnych wiązań między
atomami: e) i f) metaliczne
CHARAKTERYSTYKA WIĄZAŃ WTÓRNYCH
WIĄZAŃ SIŁAMI VAN DER WAALSA
Wiązania wtórne występują między wszystkimi atomami lub cząsteczkami, lecz ich obecność
może być stwierdzona, jeżeli występuje choć jedno z trzech wiązań pierwotnych.
Wiązania wtórne są ewidentne między atomami gazów szlachetnymi które mają stabilną strukturę
elektronową, a ponadto między cząsteczkami utworzonymi w wyniku wiązań kowalencyjnych.
Siły van der Waalsa występują między dipolami cząsteczek lub atomów. Elektryczne dipole
Występują w przypadku rozdzielenia ładunków dodatnich i ujemnych w atomie lub cząsteczce.
Wiązianie van der Waalsa jest wynikiem przyciągania siłami Coulomba między dodatnim końcem
jednego a ujemnym końcem drugiego dipola (rys. 1.11).
Oddziaływa takie występują między:
- dipolami wyindukowanymi,
- dipolami wyindukowanymi i cząsteczkami spolaryzowanymi (które wykazują
dipole okresowo),
- cząsteczkami spolaryzowanymi.
Rys. 1.11. Przykłady wtórnych wiązań między cząsteczkami:
a) przyciąganie siłami van der Waalsa między chwilowymi dipolami,
b) przyciąganie siłami Londona,
c) wiązanie wodorowe.
11
2013-09-30
WIĄZANIA MIĘDZY CHWILOWYMI DIPOLAMI
Wiązania międzycząsteczkowe powstają w wyniku przyciągania siłami van Waalsa,
które występują między chwilowymi dipolami elektrycznymi, utwórząmi z atomów na skutek
nierównomiernego rozkładu ładunków w ich chmur elektronowych. Siły te powodują
skraplanie gazów szlachetnych oraz łączą w i stały cząsteczki, np. H 2, F2, Cl2, N2, powstałe w
wyniku wiązania atomowego.
WIĄZANIA SIŁAMI LONDONA
Dipole elektryczne mogą być wykreowane lub wyindukowane w atomach lub cząsteczkach,
które normalnie są elektrycznie obojętne. Siły Londona mogą wystąpić między cząsteczkami w
przypadku okresowych zmian ładunku w cząsteczkach, powodując ich przyciąganie.
WIĄZANIE WODOROWE
Wiązanie wodorowe jest najsilniejszym specjalnym wiązaniem wtórnym między s
polaryzowanymi cząsteczkami. Występuje ono między cząsteczkami, w których wodór jest
kowalencyjnie związany z fluorem (HF), tlenem (H20) lub azotem (NH3). W każdym wiązaniu
H-F, H-O lub H-N pojedynczy elektron wodoru jest uwspólniony z innym atomem. Wodorowy
koniec wiązania jest dodatnio naładowany przez obnażony proton, który nie jest ekranowany
przez żaden elektron. Ten silnie dodatnio naładowany koniec cząsteczki jest przyciągany przez
przeciwny, ujemnie naładowany, koniec innej cząsteczki.
METALE I ICH STOPY
Metale otrzymuje się z rud, będących najczęściej tlenkami. Procesy metalurgiczne
polegają zwykle na redukcji, prowadzącej do ekstrakcji metalu z rudy oraz na rafinacji, usuwającej z metalu pozostałe zanieczyszczenia. Elementy metalowe zwykle wykonywane są metodami
odlewniczymi, przeróbki plastycznej lub obróbki skrawaniem, a często także metalurgii
proszków. Własności metali i stopów są kształtowane metodami obróbki cieplnej, a powierzchnia
elementów metalowych często jest uszlachetniana metodami inżynierii powierzchni, zwiększającymi m.in. odporność na korozję lub odporność na zużycie.
Rys. 1.12. Układ okresowy pierwiastków chemicznych (metale zaznaczono na zielono).
12
2013-09-30
POLIMERY
Polimery, nazywane także tworzywami sztucznymi lub plastikami, są materiałami organicznymi
złożonymi ze związków węgla. Polimery są tworzone przez węgiel, wodór i inne pierwiastki
niemetaliczne z prawego górnego rogu układu okresowego (rys. 1.13).
Polimery są makrocząsteczkami i powstają w wyniku połączenia wiązaniami kowalencyjnymi
w łańcuchy wielu grup atomów zwanych monomerami jednego lub kilku rodzajów (rys. 1.14).
Rys. 1.13. Układ okresowy pierwiastków
chemicznych (pierwiastki tworzące
polimery zaznaczono na fioletowo).
Rysunek 1.14. Schemat prostoliniowego odcinka typowego łańcucha polietylenu (cały łańcuch
może zawierać 50 000 podstawowych jednostek monomerycznych).
MATERIAŁY CERAMICZNE
Ceramikę stanowią materiały nieorganiczne o jonowych i kowalencyjnych wiązaniach
międzyatomowych, wytwarzane zwykle w wysokotemperaturowych procesach związanych
z przebiegiem nieodwracalnych reakcji, chociaż do tej grupy materiałów zaliczane są również
szkła oraz beton i cement, pomimo że przy ich wytwarzaniu zachodzą nie wszystkie z tych
procesów. Na rysunku 1.15 przedstawiono liczne pierwiastki chemiczne wchodzące w skład
materiałów ceramicznych, które mogą być wytwarzane w wyniku połączenia metali (zielone) i
siedmiu kluczowych pierwiastków niemetalicznych (różowe).
Najogólniej do szeroko rozumianych materiałów ceramicznych można zaliczyć :
ceramikę inżynierską, cermetale, ceramikę porowatą, szkła, ceramikę szklaną.
Rys. 1.15. Układ okresowy pierwiastków chemicznych (pierwiastki tworzące materiały
ceramiczne zaznaczono na różowo).
13
2013-09-30
MATERIAŁY KOMPOZYTOWE
Materiały kompozytowe są połączeniami dwóch lub więcej odrębnych i nierozpuszczających się w sobie faz, z których każda odpowiada innemu podstawowemu materiałowi
inżynierskiemu, zapewniającymi lepszy zespół własności i cech strukturalnych, od właściwych
dla każdego z materiałów składowych oddzielnie (rys. 2.11).
Materiały kompozytowe, dzielą się ze względu na osnowę metalową, polimerową lub
ceramiczną. Materiały kompozytowe znajdują współcześnie zastosowanie między innymi
w sprzęcie kosmicznym, samolotach, samochodach, łodziach, jachtach, szybowcach i
sporcie sportowym.
Faza powodująca wzmocnienie kompozytów, nazywana także zbrojeniem może być
wprowadzona w postaci drobnych cząstek, niekiedy dyspersyjny krótkich włókien lub
płatków, a także włókien ciągłych.
Rys. 1.16. Klasy materiałów
kompozytowych.
HISTORYCZNY ROZWÓJ MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH
Człowiek od zarania dziejów wykorzystywał, a z czasem przetwarzał, materiały potrzebne do
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 nazwanie różnych okresów w dziejach ludzkości od materiałów decydujących wówczas o
warunkach życia, np. epoki: kamienia, brązu, żelaza (rys. 1.17).
Rys. 1.17. Schemat znaczenia różnych grup materiałów w różnych okresach rozwoju cywilizacji
ludzkiej z zaznaczeniem okresów wprowadzania nowych materiałów (wg M.F. Ashby'ego).
14
2013-09-30
Wykładniczy wzrost i czas podwojenia zużycia
Jak odmierzyć czas możliwości korzystania z zasobów - np. rtęci? Jak dla większości materiałów,
przyrost szybkości zużycia rtęci rośnie z czasem wykładniczo (rys. 1.18). Jeśli bieżącą szybkość
zużycia mierzoną w tonach na rok oznaczymy przez C, to wzrost wykładniczy oznacza, że:
Gdzie: r - przyrost procentowy w roku.
Rys. 1.18. Wykładniczy wzrost
zużycia materiałów.
Po scałkowaniu
gdzie Co - szybkość zużycia dla t = to.
Czas podwojenia szybkości zużycia tD otrzymamy, przyjmując C/C0 = 2
Zużycie stali rośnie o 3,4% rocznie - podwaja się zatem w ciągu około 20 lat. Zużycie aluminium
rośnie o 8% - co 9 lat się podwaja. Produkcja polimerów w USA rosła w ostatnich latach o 18%
rocznie, więc podwaja się co 4 lata.
15
2013-09-30
Dostępność zasobów
Dostępność zasobów zależy od ich zlokalizowania na terenie jednego lub kilku kraj.
Zależy także od ich wielkości, lub precyzyjniej, od bazy surowcowej ( rys. 1.19) oraz od energii
potrzebnej do ich wydobycia i przetworzenia. Wpływ takich czynników, jak wielkość zasobów i
energia można, w pewnych granicach, badać i przewidywać.
Kalkulacje czasu eksploatacji zawierają ważne rozróżnienie między dostępnymi obecnie
zasobami a całością zasobów istniejących w danym regionie. Przez dostępne obecnie zasoby
rozumie się znane pokłady, które można z zyskiem eksploatować przy zastosowaniu dzisiejszych
technik i przy aktualnych kosztach wydobycia (mają one niewiele wspólnego z prawdziwą wielkością
zasobów; nie są one do siebie nawet w przybliżeniu proporcjonalne).
Do całości zasobów zalicza się oczywiście nie tylko zasoby dostępne obecnie, ale również i te, które
mogą stać się dostępne w przyszłości, dzięki wyższym cenom zbytu, lepszej technologii czy
usprawnieniu transportu.
Rys. 1.19. Schemat McElveya.
DOBÓR MATERIAŁÓW JAK O PODSTAWOWY CEL NAUKI
O MATERIAŁACH I INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ
Dotychczas, od początku kreowania się najpierw metaloznawstwa a potem materiałoznawstwa
jako dyscypliny inżynierskiej, podstawową metodą nauki o materiałach i inżynierii materiałowej było
wprowadzanie nowych materiałów, głównie na podstawie badań empirycznych realizowanych metodą
prób i błędów.
Podejście to uległo zmianie w miarę poznawania podstaw procesów decydujących o własnościach
i zachowaniu się materiałów w trakcie wytwarzania i eksploatacji i wprowadzono początkowo dobór materiałów, a obecnie projektowanie materiałowe, w celu udostępnienia materiału o najkorzystniejszym
zestawie własności użytkowych zapewnianych przez odpowiedni skład chemiczny i proces technologiczny materiału.
Rys. 1.20. Podstawowe czynniki uwzględniane
w konwencjonalnych badaniach
nowo wprowadzanych materiałów
inżynierskich (wg D. Raabego).
16
2013-09-30
Proces wprowadzania nowych materiałów jest związany z doskonaleniem istniejących materiałów albo przez uwzględnianie nowych osiągnięć związanych z opracowywaniem nowych związków,
struktury oraz zapewnianiem nowych własności (rys. 1.21).
Podstawową możliwością jest projektowanie nowych materiałów bardzo często z uwzględnieniem
małej skali, do nanometrycznej włącznie, optymalizacja ich zastosowań, a także optymalizacja produkcji z uwzględnieniem modelowania własności i procesów.
Rys. 1.21. Schemat ogólnej strategii wprowadzania nowych materiałów inżynierskich
(wg H. Dos cha i M.H. Van de Yoorde).
Materiały są produkowane z surowców pobieranych ze środowiska naturalnego, w celu
kreowania rozwoju zapewniającego stworzenie bardziej komfortowych warunków życia.
Aktywność ta jest częścią systemu cywilizacyjnego, który stanowi fragment ekosfery
tworzonej przez geosystem i biosystem. Tradycyjny rozwój materiałów realizowany był niemal
wyłącznie w ramach systemu cywilizacyjnego, z ignorowaniem oddziaływań z ekosferą.
W ostatnich latach w projektowaniu, wytwarzaniu i eksploatacji materiałów wprowadzono
konieczność współdziałania z pozostałymi wymienionymi systemami, a wraz z nią pojęcie
ekomateriałów*), uwzględniających holistyczne całościowe podejście do ekosfery (rys.1.22).
Rys.1.22. Schemat koncepcji
ekomateriałów
(wg K. Yagiego i K. Halady).
17
2013-09-30
KONIECZNOŚĆ EKONOMICZNEGO
STOSOWANIA MATERIAŁÓW
Istniejąca sytuacja oraz prognozowanie na przyszłość stale wymagają od inżynierów
skoordynowanych działań w celu oszczędzania dostępnych surowców polegających na:
- projektowaniu z oszczędnym wykorzystaniem materiałów, zwłaszcza trudno dostępnych i
wyczerpujących się, przy minimalizacji ich energochłonności,
- stosowaniu zamienników łatwiej dostępnych i o dużej rezerwie czasu połowicznego
wyczerpania się zasobów surowcowych oraz o mniejszej energochłonności w miejsce
trudno dostępnych i wyczerpujących się,
- pełnym wykorzystaniu energooszczędnego recyklingu w celu ponownego wykorzystania
i pełnego odzysku materiałów we wszystkich możliwych i ekonomicznie uzasadnionych
przypadkach.
Rysunek 2.33 przedstawia ogólne spojrzenie na techniczny cykl trwania materiałów
inżynierskich: krótki cykl wytwarzania łączy się z bardzo długim cyklem geologicznym ziemi.
Zauważyć należy, że recykling zużytych produktów prowadzi do skrócenia cyklu produkcyjnego.
Rys. 1.23. Schemat technicznego cyklu trwania materiałów inżynierskich
(opracowano według C. Neweya i G. Weawra).
18
2013-09-30
Na rysunku 2.34 przedstawiono model rozdrobnienia karoserii samochodowej i dalszej
przeróbki uzyskanych w wyniku tego mieszanek materiału jako przykład współczesnego
procesu recyklingu.
Rys. 1.24. Model rozdrobnienia karoserii samochodowej jako przykład współczesnego
procesu recyklingu (opracowano według ER. Fielda i J.R Clarka).
KOSZTY WŁAŚCIWE PODSTAWOWYCH GRUP MATERIAŁÓW
Na rysunku 1.25 orientacyjnie przedstawiono zakresy kosztów podstawowych grup
materiałów technicznych w odniesieniu do 1 kg (można określić je jako koszty właściwe).
Rys. 1.25. Orientacyjne koszty rożnych grup materiałów odniesione do 1 kg materiału
(wg M.E Ashby'ego).
19