Podstawy nauki o materialach

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
1 rozdz 6-11-02 22:53 Page 1
Wstęp
1 rozdz 6-11-02 22:53 Page 2
Treść i forma książki
ZAŁOŻENIA MERYTORYCZNE DOTYCZĄCE TREŚCI KSIĄŻKI
Mottem książki, którą oddaję do Państwa rąk, jest sparafrazowana dedykacja,
którą przeczytałem w którejś z prac:
„Tym, którzy studiują obecnie,
a zapewnią postęp w przyszłości“.
Sądzę zresztą, że książka ta, choć głównie adresowana do studentów i to wielu kie-
runków i specjalności, zresztą nie tylko inżynierskich, winna trafić do aktywnych
zawodowo inżynierów, menadżerów i pracowników naukowych.
Od wielu książek dostępnych na rynku krajowym z zakresu inżynierii materiało-
wej ta właśnie rożni się podejściem. Materiał jest bowiem tworzywem, z którego wy-
twarza się produkty interesujące klientów. Stąd najistotniejsze jest projektowanie
materiałów, tak by kształtować ich strukturę i własności
*)
spełniające wymagania
w warunkach pracy. Nie wystarczy zatem jedynie skatalogowanie materiałów, ze
zwróceniem uwagi na różnorodność dostępnych substancji i sposoby ich wytwarza-
nia. Materiał jest tworzywem w rękach projektanta, który musi zwrócić uwagę za-
równo na kształt i postać produktu lub jego elementu, ale równocześnie zadecydo-
wać z czego ten produkt będzie wykonany oraz jaki będzie proces technologiczny
tego produktu. Wynika z tego, że projektowanie jest procesem zespołowym, wyma-
gającym zaangażowania specjalistów z co najmniej tych trzech branż, przy czym
trudno ustalić, czy którykolwiek z nich odgrywa rolę wiodącą. Z drugiej strony, pro-
ces wytwarzania materiału (jak np. proces metalurgiczny i przetwórstwa stali, często
bardzo szczegółowo opisany w książkach z podstaw inżynierii materiałowej) scho-
dzi na plan dalszy i z tego punktu widzenia jest interesujący jedynie ze względu na
to, że historia technologiczna materiału i dziedziczenie niektórych elementów struk-
tury może mieć wpływ na finalne własności produktu. Podejście to narzuca sposób
prezentacji bardzo obszernej wiedzy dotyczącej materiałów inżynierskich. Z punk-
tu widzenia projektowania produktów równoprawne są wszystkie materiały inży-
nierskie, które mogą zapewnić wymagane własności produktów, a wielokryterialna
*)
W książce konsekwentnie używane jest pojęcie „własność“, a nie „właściwość“, dla określenia
cech materiałowych, wychodząc z założenia za „Słownikiem języka polskiego PWN“, Warsza-
wa 1981 (red. M. Szymczak), że obydwa wyrażenia stanowią synonimy, chociaż własność
(w języku angielskim
property
) kojarzy się bardziej z czymś przypisanym nierozłącznie do wła-
ściciela, natomiast właściwość (
characteristic
) jedynie charakteryzuje przedmiot. Stąd, pomi-
mo licznych przykładów używania słowa „właściwość“ w krajowej literaturze, Autor opowiada
się za pojęciem „własność“.
2
1 rozdz 6-11-02 22:53 Page 3
Treść i forma książki
optymalizacja jest podstawą selekcji tworzywa o najlepszych własnościach użytko-
wych i technologicznych oraz najniższych możliwych kosztach wytwarzania, prze-
twórstwa i eksploatacji materiału i produktu. Problem zatem jest stawiany: „z czego
może być wytworzony produkt interesujący nabywcę na rynku“, a nie: „co może być
wytworzone z materiału, którym dysponujemy, lub który znamy“.
Wśród wielu kryteriów coraz większego znaczenia, oprócz wymagań konstruk-
cyjnych, technologicznych i eksploatacyjnych, nabierają także względy ekono-
miczne oraz ekologiczne. Ważne jest przy tym spostrzeżenie, że nie zawsze naj-
niższy koszt materiałów zapewnia jego poprawny dobór. Koszty materiałów mogą
bowiem stanowić nie więcej niż np. 3,5% ogólnych kosztów ponoszonych przez in-
westora w związku z zakupem i eksploatacją produktów, jak to ma miejsce w przy-
padku dużego samolotu pasażerskiego. Oczywiste jest, że przy tak niewielkim
udziale kosztów materiałów w kosztach ogólnych, warto dobrać materiały najlep-
sze z możliwych, zwiększając wprawdzie koszty materiałowe, lecz stosunkowo nie-
znacznie, zapewniając jednak możliwie największą jakość i niezawodność samo-
lotu oraz maksymalne bezpieczeństwo pasażerów. Rachunek ekonomiczny musi
być jednak każdorazowo ważną przesłanką doboru materiałów w zestawieniu z in-
nymi wymogami.
Spośród ponad stu tysięcy materiałów inżynierskich obecnie znanych na świe-
cie, przeciętnie doświadczony inżynier dokładnie poznał w trakcie kariery zawodo-
wej około pięćdziesięciu. Niestety, jeszcze zbyt często zdarza się tak, że on właśnie
decyduje o zastosowaniu w konkretnym przypadku jednego ze znanych sobie ma-
teriałów, nierzadko bez sięgania po specjalistyczną literaturę lub pomoc specjalisty.
Szansa na właściwy dobór materiału jest wówczas niemal zerowa, a ostre warunki
konkurencji przesądzają o niepowodzeniu rynkowym tak zaprojektowanego i wy-
tworzonego produktu. Każdy, kto uczestniczy w procesie przygotowania produktu
do obecności na rynku, musi mieć świadomość mnogości możliwych rozwiązań,
a specjaliści winni szczegółowo znać metodologię postępowania związaną z selek-
cją i dokładną charakterystykę bardzo wielu materiałów inżynierskich obecnie do-
stępnych, jak również tendencje umożliwiające w razie potrzeby indywidualne za-
projektowanie materiału o zestawie własności najbardziej odpowiadającym rzeczy-
wistym wymaganiom.
Właściwy dobór materiału do danego zastosowania w oparciu o wielokryterial-
ną optymalizację związaną zarówno ze składem chemicznym, warunkami wytwa-
rzania, warunkami eksploatacji oraz sposobem usuwania odpadów materiałowych
w fazie poużytkowej, jak również uwarunkowania cenowe związane z pozyskaniem
materiału, jego przetworzeniem w produkt, samym produktem, a także kosztami
usuwania odpadów poprodukcyjnych i poeksploatacyjnych, jak również modelowa-
nie wszystkich procesów i własności związanych z materiałami stoją u podstaw dy-
namicznie rozwijającej się „komputerowej (obliczeniowej) nauki o materiałach“,
jak również komputerowego wspomagania w inżynierii materiałowej, na co zwró-
cono szczególną uwagę w dwóch podrozdziałach książki.
Staraniem moim było także wykazanie głęboko humanistycznej misji, jaka stoi
przed środowiskiem inżynierów, których zadaniem jest udostępnianie ludziom pro-
duktów i dobór użytkowych, bezpośrednio decydujących o poziomie i jakości życia,
wymianie informacji, poziomie edukacji, jakości i możliwościach opieki zdrowotnej
3
1 rozdz 6-11-02 22:53 Page 4
1. Wstęp
2 rzędy wielkości mniejsze. Ogólnie materiały metalowe są absolutnie domi-
nującą, pod względem zużycia masowego, grupą materiałów inżynierskich. To
oczywiście przemawia za tym, aby szeroko omówić w książce stale i inne materia-
ły metalowe. Te właśnie materiały są poznawane od wielu stuleci, a nawet tysiącle-
ci, a metodycznie badane od ok. 150 lat, a w ostatnich dziesięcioleciach XX wieku
także techniką cienkich folii przy użyciu transmisyjnego mikroskopu elektronowe-
go, także wysokonapięciowego i wysokorozdzielczego, co sprawiło, że wiele z nich
zostało poznanych najdokładniej, jak to było dotychczas możliwe. Powszechność
zastosowań, jak również wyjątkowa podatność na kształtowanie ich własności
przez użytkownika, wytwarzającego z nich gotowy produkt, wymaga zatem, aby
ogólny stan wiedzy o materiałach metalowych był wysoki, co uzasadnia ich obszer-
ne omówienie w książce.
Materiały ceramiczne i polimerowe, wprawdzie o mniejszym masowym zuży-
ciu, jednak o dużej różnorodności gatunków i bardzo dużej liczbie potencjalnych
zastosowań najczęściej jako komplementarne, a niekiedy nawet konkurencyjne
w stosunku do metali i ich stopów, również winny być znane inżynierom i decyden-
tom finansowym. Zupełnie nieoczekiwane możliwości kształtowania własności
produktów stwarzają materiały kompozytowe. Zwykło się mówić w tym przypadku
o materiałach kompozytowych, chociaż w istocie w większości przypadków tech-
nologia ta znalazła zastosowanie do całych produktów lub ich elementów. Wiedza
na ten temat rozwija się szybko i z pewnością winna być znana każdemu inżynie-
rowi. W książce wiele uwagi zwrócono także na materiały specjalne i funkcjonal-
ne, rozwijające się bardzo dynamicznie w ostatnich dziesięcioleciach. Wystarczy
wspomnieć, że w tym okresie większość nagród Nobla w dziedzinie fizyki lub che-
mii związana była z badaniami podstawowymi, które zaowocowały wdrożeniem
całkowicie nowych materiałów inżynierskich, z których wiele zrewolucjonizowało
stan techniki.
Rozdział drugi, obejmujący podstawy nauki o materiałach i perspektywy jej roz-
woju w najbliższym półwieczu, oraz rozdział dziewiąty, dotyczący metodologii pro-
jektowania materiałowego, spinają całą książkę swoistymi klamrami, przybliżając
zakresy zastosowań materiałów inżynierskich i porównując ich własności oraz
wskazując na wieloaspektowość oraz metodologię doboru materiałów, decydują-
cych o sukcesach rynkowych oferowanych produktów. Środkowy, piąty rozdział
wskazuje na złożoność warunków w jakich muszą pracować materiały, szczegóło-
wo przybliżone w kolejnych rozdziałach od szóstego do ósmego, natomiast roz-
dział trzeci i czwarty wskazują na możliwość kształtowania struktury i własności
materiałów, głównie metalowych.
4
oraz wielu innych aspektach środowiska, w którym żyjemy. Problem ten, w mojej
ocenie wart jest również historycznej refleksji. Z pewnością zagadnienia materiało-
we odgrywają istotną rolę w realizacji tych zadań środowiska inżynierskiego.
Książka dotyczy wszystkich grup materiałów stosowanych w technice, głównie
materiałów inżynierskich, ale także niektórych materiałów naturalnych. Najmniej
uwagi poświęcono szczegółom dotyczącym materiałów powszechnie stosowanych
w budownictwie. Zważywszy na statystyki światowe trzeba stwierdzić, że najwięk-
sze i jednakowe jest zużycie masowe stali (bardzo liczne gatunki) oraz betonu (sto-
sunkowo niewiele gatunków). Zużycie pozostałych materiałów jest co najmniej
o1
1 rozdz 6-11-02 22:53 Page 5
Treść i forma książki
ZAŁOŻENIA METODYCZNE DOTYCZĄCE FORMY KSIĄŻKI
Staraniem moim było, aby treść książki była podana logicznie, zwięźle i zrozu-
miale i wobec tego pozostaję w nadziei, że po jej lekturze oraz po pełnym cyklu
nauki, Studenci wyrobią sobie jasny pogląd na znaczenie zagadnień materiało-
znawczych, a głównie na znaczenie prawidłowego doboru materiału i warunków
poprawnie opracowanej technologii produktów i ich elementów. Wpłynie to
niewątpliwie w przyszłości na minimalizację kosztów produkcji oraz na maksy-
malne wydłużenie czasu pracy maszyn i urządzeń oraz ich elementów, decydując
o maksymalnym obniżeniu kosztów ich eksploatacji. Jeżeli stanie się tak w
rzeczywistości, z pewnością osiągnięty zostanie główny cel nauczania inżynierii
materiałowej w uczelni technicznej. Największą satysfakcję sprawia mi świado-
mość, że lektura książki pomoże Studentom i Czytelnikom w realizacji życiowych
zamiarów, związanych z ukończeniem studiów wyższych.
Do lektury książki przygotowany jest absolwent szkoły średniej, gdyż do rozpo-
częcia pracy z tym podręcznikiem wymagane są jedynie elementarne wiadomości
z fizyki i chemii. W pierwszych rozdziałach konsekwentnie są wprowadzane nowe
pojęcia właściwe dla nauki o materiałach i inżynierii materiałowej. W tych rozdzia-
łach do minimum ograniczone są również wzory i zależności przedstawione w for-
malizmie matematycznym. Książka staje się trudniejsza w miarę zajmowania się
kolejnymi grupami materiałów inżynierskich, a obszerny rozdział dotyczący mate-
riałów funkcjonalnych i specjalnych wymaga od Czytelnika skupienia i bardziej za-
awansowanych wiadomości z zakresu fizyki i chemii, zakładając, że w międzycza-
sie, w trakcie dwóch pierwszych semestrów, tę właśnie wiedzę posiadł już każdy
student uczelni technicznej. W bardziej zaawansowanych rozdziałach system przy-
pisów umożliwia Czytelnikowi odniesienie się do podstawowych wiadomości za-
wartych we wcześniejszych rozdziałach lub ustalenie związków i kontekstu z na-
stępnymi częściami książki.
Książka, obecnie jako jedyna w Polsce, opiera się w całości na normach euro-
pejskich. Przygotowana została na podstawie oryginałów norm wydanych w kra-
jach Unii Europejskiej, a zyskało to szczególnego znaczenia w sierpniu 2002 roku,
kiedy to Polski Komitet Normalizacyjny wprowadził normy europejskie dotyczące
zdecydowanej większości materiałów inżynierskich jako PE-EN zwykle z dodatko-
wym symbolem U, co oznacza, że dokonano tego metodą uznaniową, tzn. m.in.
bez tłumaczenia tekstu normy na język polski (ostatnie uchwały w tych sprawach
podjęto 27 sierpnia 2002 roku). Równocześnie uchylono większość dotychczaso-
wych Polskich Norm dotyczących materiałów inżynierskich, co oznacza m.in. że
nieaktualna stała się większość informacji dotyczących tej problematyki w nich za-
wartych. Nie znaczy to wprawdzie, że te informacje są nieprawdziwe, lecz stały się
nieaktualne, a ich stosowanie byłoby dziwnym anachronizmem, w dobie ubiegania
się Polski o akcesję do Unii Europejskiej.
Z pewnością książka ta różni się od innych książek naukowo-technicznych formą.
Zamysłem moim od wielu lat było stworzenie takiego opracowania. W pełni wykorzy-
stano kolor, który wraz z systemem marginaliów ułatwia korzystanie z książki. W ko-
lorach opracowano ponad 900 schematów i rysunków, około 230 zdjęć metalogra-
ficznych, wiele wykonanych w mikroskopach elektronowych transmisyjnym techniką
cienkich folii i skaningowym oraz metodami metalografii barwnej na mikroskopie
5
  [ Pobierz całość w formacie PDF ]