65
Wersja 7.11.2003
Bolesław Jurkowski, Barbara Jurkowska
Poznań 2003
Recenzenci I wydania:
prof. dr Ryszard Kozłowski i dr hab. inż. Maciej Kupczyk, prof. PP
Recenzent II wydania:
dr hab. inż. Ryszard Grajdek, prof. PP.
Korekta:
Kopiowanie i powielanie w jakiejkolwiek formie wymaga pisemnej zgody Autorów.
© Copyright by B. Jurkowski and B. Jurkowska
ISBN 83-88018-
Wydawnictwo
Druk i oprawa:
Spis treści
Przedmowa 5
Wybrane definicje 7
CZĘŚĆ I 11
Wiadomości podstawowe 11
CZĘŚĆ II 68
Wieloaspektowe analizowanie problemów materiałoznawstwa 68
CZĘŚĆ III 116
Czy racjonalne jest? 116
Literatura uzupełniająca 137
Powstające nowe materiały umożliwiają szybki postęp w wielu dziedzinach techniki, biologii i medycyny. Dlatego programy wielu kierunków studiów wyższych obejmują także nauczanie materiałoznawstwa i nauk zbliżonych (inżynierii materiałowej, towaroznawstwa), które nabiera coraz większego znaczenia. Ludzie wytwarzając surowce i z nich wyroby operują zwykle dużymi porcjami materii, co ogranicza modyfikacje możliwe do przeprowadzenia. Natura jest o wiele bardziej finezyjna, tworząc bowiem organizm operuje pojedynczymi atomami i cząsteczkami buduje materiały często samoleczące się, czyli likwidujące defekty powstające podczas użytkowania. Część tych materiałów jest inteligentna, ponieważ dostosowuje swą strukturę do przykładanych obciążeń. Natura wykorzystuje przy tym metody samoreplikacji. Aby je zastosować w technice w celu wytwarzania nowych generacji materiałów potrzebne są nowe narzędzia. Najważniejsze z nich nazwano asembler (nanorobot potrafiący połączyć pojedynczy atom z innymi tworząc nową strukturę) i samoreplikator (nanorobot, który wykorzystując energię i materię otoczenia wytwarza kopie samego siebie). Sposoby tworzenia tych narzędzi i za ich pomocą nowych materiałów (nanomateriałów) nazywa się nanotechnologią. Dotyczy ona zmian elementów struktury materiału w zakresie wymiarów od 0,1 do 100 nm.
W niniejszym podręczniku zajmujemy się podstawowymi właściwościami materiałów tradycyjnych i kilku nanomateriałów w zakresie, który w zasadzie odpowiada prowadzonym przez nas zajęciom z materiałoznawstwa na kierunku inżynierskim w dziedzinie Zarządzania. Jest to materiał pomocniczy w stosunku do obszernej literatury naukowej z dyscyplin wchodzących w skład tego przedmiotu (metaloznawstwo, nauka o polimerach, nauka o materiałach ceramicznych, nauka o kompozytach itd.). Ma on ułatwić studentom opanowanie podstawowych informacji praktycznych z tego zakresu i nauczyć porównywania niektórych właściwości materiałów wynikających z ich budowy chemicznej i struktury. Na wstępie przytoczono definicje ważniejszych pojęć w niej używanych, aby ułatwić zrozumienie opisywanych problemów.
Układ podręcznika w postaci pytań i odpowiedzi na nie wynika z faktu, że stanowi on bazę danych do opracowywanego obecnie programu do komputerowego wspomagania nauczania podstaw materiałoznawstwa. Okno dialogowe w nim będzie wyglądało jak następuje:
Okno I: Pytanie: Która cecha z wymienionych jest najważniejsza przy doborze materiału na podeszwy półbutów męskich?
(a) Wytrzymałość ( )
(b) Twardość ( )
(c) Kolor ( )
(d) Współczynnik tarcia ( )
Zadanie: wybierz odpowiedź twoim zdaniem prawidłową.
Okno II: Jeśli student wybierze odpowiedź (a), to na ekranie będzie widoczne:
Pytanie: Która cecha z wymienionych jest najważniejsza przy doborze materiału na podeszwy półbutów męskich?
Komentarz: Nie, ponieważ półbuty nie powinny być używane do gry w piłkę nożną czy do chodzenia po skałach, kiedy wytrzymałość jest bardzo ważna. Tym niemniej każde buty powinny charakteryzować się określonym, zależnym od przeznaczenia, poziomem wytrzymałości oraz trwałości zmęczeniowej.
Po 10 sekundach ukaże się okno III.
Okno III: Jest to odpowiedź nieprawidłowa. Wybierz inną.
Po kolejnych 10 sekundach ukaże się tekst taki jak w oknie I. Cykl ten będzie się powtarzał tak długo, aż student wybierze odpowiedź prawidłową. Wtedy komputer przejdzie do pytania następnego i proces będzie się powtarzał. Podczas powtórnego uruchomienia komputera przez tego samego użytkownika komputer zacznie stawiać tylko te pytania, na które poprzednio (za pierwszym razem) nie udzielono poprawnej odpowiedzi, a następnie postawi kolejne pytania z niniejszego podręcznika.
W pierwszej jego części jest 100 pytań, każde z 4 odpowiedziami, z których tylko jedna jest prawidłowa. Ta część ma pomóc uczącemu się sprawdzić poziom podstawowych wiadomości o właściwościach różnych materiałów. W części drugiej na pytania można dać więcej niż jedną prawidłową odpowiedź. Ta część ma stymulować rozumienie wieloaspektowości otaczającej nas rzeczywistości. Część trzecia pokazuje jak można udzielać odpowiedzi na pytania odnośnie co do przydatności poszczególnych materiałów do określonego użycia.
Zdajemy sobie sprawę, że pomimo naszych starań fragmenty tekstu mogą być trudno zrozumiałe i mogą zawierać niekompletne informacje. Dlatego będziemy wdzięczni za sugestie poprawek i uzupełnień, które wykorzystamy zarówno podczas weryfikacji bazy danych do programu do komputerowego wspomagania nauczania tego przedmiotu, jak i nowego wydania podręcznika. Nasz adres: Boleslaw.Jurkowski@put.poznan.pl.
Niniejszym chcielibyśmy wyrazić podziękowanie kolegom i współpracownikom oraz recenzentom za uwagi krytyczne, które wykorzystaliśmy podczas pracy nad tym tekstem.
Poznań, 2003 r. B. Jurkowski, B. Jurkowska
Anizotropia jest cechą materiału, polegającą na zależności niektórych jego właściwości (mechanicznych, elektrycznych, optycznych) od kierunku, w którym tę właściwość się bada. Materiały wykazujące anizotropię jednych właściwości, np. sprężystych, mogą nie wykazywać anizotropii innych właściwości, np. optycznych.
Ciało stałe jest substancją, w której cząsteczki (atomy lub jony) – dzięki siłom wzajemnego przyciągania i niewielkiej energii kinetycznej – mogą wykonywać tylko drgania wokół stałych położeń i dlatego tworzą stosunkowo sztywny układ (trudno zmieniają kształt i objętość). Ciała stałe dzieli się na bezpostaciowe (amorficzne, prze-chłodzone ciecze) – ich cząsteczki rozmieszczone są bezładnie – i krystaliczne, o uporządkowanej strukturze przestrzennej (polikryształy i monokryształy). Występują też ciała semikrystaliczne (m.in. polimery), w których są strefy amorficzne i krystaliczne.
Gęstość jest stosunkiem masy materiału do jego objętości i ma ona miano kg/m3.
Granicą plastyczności nazywamy naprężenie konieczne do uplastycznienia materiału przy jednoosiowym stanie naprężeń. Wyznaczana jest ona przez charakterystyczną siłę na wykresie rozciągania, wywołującą początek znacznych odkształceń trwałych, co można jednoznacznie wyznaczyć dla stali niskowęglowych, dla których występuje górna i dolna granica plastyczności. Dla innych metali wyznacza się umowną granicę plastyczności, która odpowiada umownemu odchyleniu przebiegu krzywej rozciągania od prostoliniowości. Wartość granicy plastyczności jest ilorazem charakterystycznej siły i powierzchni przekroju początkowego próbki. Ma ona miano Pa – skrót od Pascal.
Hartowanie stali jest procesem obróbki cieplnej, podczas którego stal jest nagrzewana do odpowiednio wysokiej temperatury, a potem studzona, aby uzyskać drobnoziarnistą strukturę. Powoduje m.in. zwiększenie twardości stali, jej zmęczeniowej wytrzymałości na naciski powierzchniowe i odporności na ścieranie, ale obniżenie ciągliwości. Hartowanie można prowadzić w całej objętości lub tylko na powierzchni wyrobu, co da inne właściwości, szczególnie udarność.
Histereza jest miarą pochłaniania energii zarówno mechanicznej, jak i elektrycznej podczas procesów cyklicznych. Wyraża się ją zwykle w procentach.
Kompozytem jest materiał złożony (ciało stałe) powstający w wyniku fizycznego i/lub chemicznego połączenia, co najmniej dwóch materiałów. Dlatego właściwości kompozytu są odmienne od właściwości jego składników.
Kruchość jest właściwością materiału polegającą na jego pękaniu już przy nieznacznych...
amigo47