docRozdział 1 - Fundacja Rozwoju Nauki
download 
Reklamacja Transkrypt
Rozdział 1 - Fundacja Rozwoju Nauki
METALE I STOPY METALICZNE ORAZ ICH WPŁYW NA ROZWÓJ INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ W POLSCE Adolf Maciejny Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii Politechnika Śląska e-mail: [email protected] 1. Wprowadzenie Materiały, a przede wszystkim metale i stopy metaliczne, stanowią od zamierzchłych czasów aż do współczesności podstawę cywilizacyjnego postępu ludzkości. Szczególne znaczenie materiałów jako nośnika cywilizacji wynika z faktu, że zwiększają one dostęp człowieka do pozostałych źródeł cywilizacji, głownie energii (w tym żywności) oraz informacji. Stanowią, bowiem tworzywo do wykonywania na przestrzeni tysiącleci użytecznych dla ludzi produktów-od narzędzi i broni, ozdób, przedmiotów kultu oraz dzieł sztuki, po maszyny i urządzenia, budowle i konstrukcje inżynierskie, pojazdy i środki komunikacji, mikroukłady elektroniczne i komputery. Pojawienie się tych produktów jest ściśle związane z postępem w zakresie tworzyw metalicznych, w kolejnych fazach rozwoju tych materiałów [1]: umiejętności naturalnych, sztuki rzemieślniczej, wynalazków inżynierskich, odkryć naukowych. Rozwojowi materiałów w jego kolejnych fazach towarzyszą głębokie przemiany społeczne, ekonomiczne, kulturowe i cywilizacyjne. Pierwszymi metalami, z którymi zetknął się człowiek były najprawdopodobniej występujące w przyrodzie w postaci wolnej: złoto i miedź. Miało to miejsce w państwie Sumerów w V tysiącleciu p.n.e. Ryciny na płytach nagrobnych egipskich dostojników państwowych z IV i III tysiąclecia p.n.e. wskazują na wysoki poziom technologii przerobu tego metalu. Złoto to pochodziło z samorodków zawierających 14 Adolf Maciejny również domieszki srebra, irydu, platyny, palladu i rodu. W starożytnym Egipcie stosowano oprócz złota, srebra i miedzi, również cynę, ołów, rtęć i antymon. Punktem zwrotnym w pozyskiwaniu metali i ich stopów było odkrycie, że miedź „zanieczyszczona” cyną jest znacznie twardsza od czystej miedzi. W ten sposób prawdopodobnie już w IV tysiącleciu p.n.e. wynaleziono brąz odznaczający się w porównaniu z czystą miedzią lepszą lejnością oraz większą wytrzymałością, twardością i podatnością do utwardzania przez kucie. Dzięki tym właściwościom brąz z upływem lat zyskiwał coraz to nowe i szersze zastosowania. W Egipcie w II tysiącleciu p.n.e. wysoki poziom osiągnęło odlewnictwo brązu. Stosowano brązy cynowe, ołowiowe, arsenowe i antymonowe. W Grecji miało to miejsce dopiero około tysiąc lat później. Świat starożytny znał ponadto amalgamat złota stosowany do złocenia powierzchni brązu. Warto podkreślić, że gdy w Europie hutnictwo cynku rozwinięto dopiero w XVIII wieku n.e. w Chinach otrzymywano ten metal już kilka wieków wcześniej. Żelazo jako metal było w świecie starożytnym przez długi czas okryte nimbem tajemniczości, gdyż zanim otrzymano go przez redukcję rudy, było pozyskiwane z meteorytów. Z zawartością od 8 do 10% niklu żelazo takie określono jako "miedź z nieba” i przypisywano mu nadprzyrodzone właściwości. Ślady wyrobów z żelaza pochodzące z IV tysiąclecia p.n.e. spotkano w Egipcie i dzisiejszym Sudanie. Żelazny miecz ze złoconą rękojeścią wykonany z żelaza meteorytowego, pochodzący z 3100 roku p.n.e. znaleziono w wykopaliskach starożytnego miasta sumeryjskiego w południowej Mezopotamii. Jednakże otrzymywanie żelaza z rudy w większej ilości przez redukcję bezpośrednią węglem drzewnym miało miejsce około 1500 roku p.n.e. na południe od Kaukazu. Już znacznie wcześniej w Chinach udało się po raz pierwszy uzyskać stop żelaza z węglem (nazwany stalą od połowy XIX wieku n.e.) otrzymany przez wytopienie rud żelaza dymarkowego. Również w Azji Mniejszej i Indiach otrzymywano w połowie II tysiąclecia p.n.e. żelazo nawęglone z rud poprzez ich przetapianie, jak również zgrzewanie i przekuwanie. W I tysiącleciu p.n.e. nastąpił intensywny rozwój umiejętności wytapiania i obrabiania żelaza na obszarze wschodniej części basenu Morza Śródziemnego. Pojawiły się nieznane dotąd narzędzia m. in. żelazne siekiery do wyrębu lasów i narzędzia do obróbki drewna (ok. 700 lat p.n.e.), nożyce do strzyżenia owiec (ok. Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 15 500 lat p.n.e.), kowadła i przeciągadła (ok. 200 lat p.n.e.) oraz inne narzędzia żelazne [1]. W wyniku tych dokonań żelazo w coraz większym stopniu wypiera stopy miedzi z szerszego użycia i od około IV wieku p.n.e. rozpoczyna się epoka żelaza. Wprawdzie już w X wieku n.e. w górach Harzu otrzymywano żelazo w stanie płynnym w postaci surówki (żeliwa), to jednak metoda jego otrzymywania na drodze redukcji bezpośredniej dotrwała aż do czasów nowożytnych. Na tej długiej drodze były wybitne osiągnięcia m. in. w postaci stali damasceńskiej, zbroi i broni średniowiecznej oraz kolczug tkanych przez Wikingów w X wieku n.e. Metale i stopy metaliczne epok brązu i żelaza będące wytworem sztuki rzemieślniczej i rękodzieła stanowiły podstawę postępu cywilizacyjnego przez ponad cztery tysiąclecia, obejmujące czasy starożytności, średniowiecza i renesansu, aż do końca XVIII stulecia n.e. Z upływem czasu umiejętność otrzymywania, przerobu i stosowania tworzyw metalicznych dotarła z Europy Południowej i Bliskiego Wschodu na obszar Europy Środkowej i Wschodniej. Świadczą o tym wykopaliska m. in. na obszarze południowej Ukrainy w kurhanach Scytów. Mimo ogromnego postępu w rozwoju tworzyw metalicznych, były one traktowane przez tysiąclecia jako nieodłączny element środowiska i egzystencji człowieka, co nie skłaniało do dociekań poznawczych dotyczących ich natury. Wynikało to po części z ukształtowanego w starożytnej Grecji dualistycznego widzenia świata, utrwalającego rozdział pomiędzy duchem i materią oraz prymat teologii i filozofii nad nauką. Zaistniałe w dobie renesansu ożywienie intelektualne kierowało stopniowo zainteresowanie na materiały jako tworzywo dóbr materialnych. Znalazło to swój wyraz w wydanym w 1556 roku traktacie Agricoli pod tytułem De Re Metallica, jak również w poemacie Walentego Roździńskiego pod tytułem Officina ferraria albo huta i warstat z kuźniami szlachetnego dzieła żelaznego, który ukazał się w Polsce w 1612 roku. Były to zwiastuny końca epoki tworzyw metalicznych opartych na wiedzy i doświadczeniu sztuki rzemieślniczej. Sprzyjało temu zapoczątkowane ożywienie w naukach ścisłych i przyrodniczych będące dziełem wielkich umysłów, wśród nich Galileusza (1564-1642), Kartezjusza (1596-1650), Newtona (1643-1727) oraz wybitnych matematyków: Leibnitza (1646-1716), Eulera (1707-1783) oraz Laplace’a (1749-1827). Jednakże 16 Adolf Maciejny zapoczątkowanie badań metali i stopów metalicznych jest dopiero zasługą słynnych fizyków i chemików doby oświecenia w XVIII wieku n.e. 2. Rozwój metaloznawstwa i inżynierskich stopów metali Zgromadzony na przestrzeni wieków i tysiącleci ogromny zasób umiejętności rękodzielniczych dotyczących otrzymywania i obróbki metali nie stworzył w tym zakresie teoretycznych i metodycznych podstaw. Stanowił jednak inspirację do dociekań i poszukiwań związku „anatomii metalu” z jego właściwościami. Jak już wspomniano, zadanie to podjęli wybitni fizycy i chemicy począwszy od XVIII stulecia nowej ery. Szczególne miejsce w ich gronie zajmuje R. A. Réaumur, który w 1722 roku podjął próbę wizualnego wniknięcia w wewnętrzną budowę stopu żelaza. Jako pierwszy w świecie, badając pod mikroskopem przy powiększeniu prawdopodobnie mniejszym niż 150x „ziarno stali”, wykonał graficzny schemat wewnętrznej budowy stali, którą to budowę określił jako komórkową (rys.1). Rys. 1. Budowa komórkowa stali oglądana pod mikroskopem przez Réaumura w 1722r.: M- komórki, V- pustki Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 17 Sformułowany przez Réaumura pogląd, że obróbkę cieplna stali należy tłumaczyć zachodzącymi w niej przemianami wewnętrznymi, ukierunkował dociekania i badania metali i stopów metalicznych w następnych latach. Odtąd rozwój tych tworzyw będzie stymulowany postępem wiedzy w zakresie fizyki i chemii, technologii oraz metod badawczych. Niemal do połowy XX stulecia n.e. badania metaloznawcze koncentrowały się na stopach żelaza, w tym szczelnie na układzie równowagi fazowej żelazo-węgiel [2]. Na przełomie XVIII i XIX wieku grono badaczy ujawniło w stopach żelaza obecność substancji węglistej, co doprowadziło do stwierdzenia, że zróżnicowanie cech żelaza, stali i surówki wynika z różnej zawartości w nich węgla. Potwierdzili to w 1799 roku badacze francuscy Clouet i Guyton de Morveau, którzy po raz pierwszy otrzymali stal metodą „syntetyczną” przez stopienie bez dostępu powietrza żelaznego tygielka z kawałkiem zawartego w nim diamentu. Dało to podstawę do określenia stali jako stopu żelaza z węglem. W 1824 roku Karsten podaje, że węgiel w stopach Fe-C może występować w postaci wolnej jako grafit i w postaci związanej jako związek chemiczny Fe i C oraz w „masie żelaza”(co przy obecnym stanie wiedzy odpowiada roztworowi stałemu). W połowie XIX wieku utrwala się pogląd o alotropii żelaza i związku obróbki cieplnej stali z zachodzącymi w niej przemianami. Fundamentalne znaczenie dla kształtowania podstaw obróbki cieplnej stali miało odkrycie przez Czernowa punktów (temperatur) krytycznych w procesie obróbki plastycznej na gorąco stali na odkuwki armatnie (1868 r.). Intensyfikacji badań przemian w żelazie i stali sprzyjał gwałtowny wzrost jej produkcji związany z wprowadzeniem procesu bessemenowskiego (1855 r.) i martenowskiego (1865 r.). Nastała trwająca do połowy XX wieku era stali. Podczas gdy w połowie XIX wieku światowa produkcja stali nie przekroczyła ok. 100 tys. ton, to w roku 1900 wyniosła 28 mln ton. Druga połowa XIX wielu to okres wielkiego postępu w badaniach układu FeC. Ścierały się poglądy dotyczące odpowiedzi na pytania, czy istnieje jeden (pojedynczy) układ Fe-C, czy też dwa alternatywne układy: Fe-C i Fe-Cgrafit. Chodziło o odpowiedź na pytanie, czy grafit wydziela się bezpośrednio z ciekłego roztworu Fe-C czy też jest produktem rozpadu związku Fe3C. Kontrowersje dotyczące tego zagadnienia dotrwały aż do lat pięćdziesiątych XX-go wieku [2]. 18 Adolf Maciejny Postęp wiedzy o stopach żelaza przebiegał w wielu etapach. W 1885 roku Osmond i Werth przedstawili pogląd na strukturę stali, postać węgla i znaczenie alotropii stali dla obróbki cieplnej. Stwierdzono też, że występująca w mikrostrukturze stali twarda faza nazwana cementytem, jest węglikiem żelaza Fe3C (Abel 1888 r.). Równocześnie Sorby definiuje cztery główne składniki strukturalne stali: czyste żelazo, perlit, węglik żelaza i grafit. W 1895 roku Osmond ujawnił w zahartowanej stali miękki składnik, który określił jako Feγ i nazwał austenitem. Odkrył również martenzyt jako odrębną fazę w zahartowanej stali. Roberts –Austin w 1897 roku dokumentują istnienie niezależnych układów Fe-Fe3C i Fe-Cgrafit i przedstawiają ich pierwsze wersje. Równocześnie Le Chatelier wprowadza do układu Fe-C pojecie roztworu stałego. Te dokonania kształtują metaloznawstwo jako dyscyplinę naukową i obszar wiedzy obejmującej znajomość: zjawisk i procesów występujących w metalach, ich stopach i w materiałach pochodnych, metod badania metali, charakterystyki składu chemicznego, struktury i własności użytkowych materiałów metalowych. Pod koniec XIX stulecia następuje intensyfikacja badań metaloznawczych w USA i Japonii. W roku 1903 H. M. Howe publikuje w Bostonie opracowanie pt. Iron Steel and Other Alloys uważane za pierwszy w świecie podręcznik metaloznawstwa. Trwające od początku XIX wieku badania układu Fe-C stanowiły podstawę intensywnego rozwoju stopów żelaza. Przy ówczesnym stanie wiedzy metaloznawczej rozwój ten opierał się z konieczności na empirycznym wykorzystywaniu metody prób i błędów jak również intuicji, doświadczenia i wiedzy inżynierów. Postępy industrializacji, techniki i gospodarki stwarzały zapotrzebowanie na coraz to bardziej wyspecjalizowanie tworzywa metaliczne. Ich przykładem są: stop łożyskowy Sn-Sb-Cu (Charpy 1847 r.), stal narzędziowa samohartowna (Mushet 1861 r.), staliwo trudnościeralne (Hadfield 1871 r.), stal niklowa (Riley 1889 r.), a przede wszystkim stal szybkotnąca (Taylor i White 1900 r.) na narzędzia skrawające, które mogły skrawać nawet po rozżarzeniu do czerwoności. Zwiększanie ilości wytwarzanej stali i związane z tym obniżenie jej ceny wpłynęło znacząco na jej dostępność w tym na wielkie konstrukcje stalowe mostów i wiaduktów, hal fabrycznych, dworców i linii kolejowych oraz obiektów Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 19 infrastruktury. Symbolem tych konstrukcji pozostaje po dzień dzisiejszy wieża Eiffela (1889 r.) w Paryżu. Począwszy od XVII wieku w kolejnych stuleciach coraz liczniejsze są odkrycia w zakresie fizyki i chemii stanowiące podstawę nowych metod badania materiałów. Wśród tych metod na szczególne podkreślenie zasługuje oparta na mikroskopii świetlnej metalografia pojmowana przez badaczy jako „opis metalu”, której rozwój następował w długim przedziale czasu i obejmował: wynalazek mikroskopu świetlnego; J. i Z. Janssen (Holandia, lata 1560-1590), Galileusz (1638 r.) zapoczątkowuje rozwój instrumentalnych metod obserwacji przyrody (teleskop, mikroskop), Leeuvenhaek (Holandia, lata 1632-1723), udoskonala konstrukcję mikroskopu, Anosow (Rosja, 1830 r.) oraz Sorby (1884 r.) prowadzą obserwacje mikrostruktury stali na zgładach polerowanych i trawionych, Ernest Abbé (1876 r.) podaje wzór na obliczenie zdolności rozdzielczej i powiększenia użytecznego mikroskopu oraz określa możliwość uzyskiwania maksymalnych powiększeń, Le Chatelier (1984 r.) buduje nowoczesny mikroskop metalograficzny ze stolikiem mikroskopu na górze i stosuje elektrolityczne trawienie zgładów, Osmond i Werth (1885 r.) dokumentują krystaliczną i komórkową strukturę metali i stopów, stosując fotograficzną rejestrację obrazu, w pierwszej połowie XX wieku powstają udoskonalone mikroskopy specjalne z zastosowaniem ultrafioletu, światła spolaryzowanego, kontrastu fazowego, fluorescencji oraz obserwacji w podwyższonej temperaturze. Na rozwój konstrukcyjnych stopów metali, w tym szczególnie stopów żelaza, miały postępy wiedzy i metod eksperymentalnych w zakresie mechaniki materiałów. Od XVII wieku po dzień dzisiejszy analizowane są zjawiska zachodzące kolejno w materiale pod obciążeniem i obejmujące: odkształcenie sprężyste, odkształcenie plastyczne, umocnienie oraz pękanie (dekohezję). Osiągnięcia na tym polu są dziełem wielu wybitnych uczonych. Rozwój przemysłu już w XIX wieku stworzył zapotrzebowanie na funkcjonalne stopy metali o szczególnych właściwościach elektrycznych, magnetycznych i cieplnych. Intensywny rozwój tej grupy tworzyw metalicznych 20 Adolf Maciejny nastąpił w XX wieku. Jego podstawą były fundamentalne odkrycia naukowe w obszarze fizyki i chemii oraz oparte na nich metody badania materiałów. Przełomowe znaczenie miało odkrycie dyfrakcji promieni rentgenowskich na płaszczyznach sieci krystalicznej (von Laue, 1912 r.) i wykorzystanie tego zjawiska przez braci Braggów (1913 r.) do potwierdzenia krystalicznej struktury metali i identyfikacji faz. Metalografia i rentgenografia oraz pomiary własności fizycznych: rozszerzalności (dylatometria), oporności elektrycznej i magnetyzacji stanowiły podstawowe narzędzia analizowania struktury stopów metali z początkiem XX wieku. Sformułowanie przez Gibbsa w 1876 roku reguły faz oraz wyprowadzenie pojęć potencjału termodynamicznego (Gibbs, Helmholtz), entropii, entalpii i energii swobodniej stworzyło teoretyczną podstawę analizowania kinetyki przemian fazowych, zjawisk krystalizacji i rekrystalizacji oraz procesów wydzieleniowych. Opracowanie podstaw krystalizacji, nauka zawdzięcza Tammannowi (1903-1905), a wytwarzanie monokryształów - działającemu w latach międzywojennych na Politechnice Warszawskiej J. Czochralskiemu. Osiągnięcie to, łącznie z rozwojem rentgenografii, stworzyło szerokie możliwości badania struktury i właściwości monokryształów, a następnie dzięki opracowaniu techniki oczyszczania metodą strefowego topnienia, stanowiło punkt wyjścia dla rozwoju przemysłu półprzewodników i elektroniki. W okresie dwudziestolecia międzywojennego stworzone zostały podstawy elektronowej teorii metali i mechaniki falowej (Bloch, de Broglie, Brilloun, Fermi, Dirac, Heisenberg, Schrödinger, Einstein), teorii defektów budowy krystalicznej, fizyki odkształcenia plastycznego i pękania oraz granic ziarn (Frenkiel, Schottky, Taylor, Orowan, Polyani, Griffith, Hargreaves, Hill). Wybitnym osiągnięciem poznawczym w pierwszej połowie XX wieku towarzyszą równie znaczące dokonania w rozwoju inżynierskich stopów metali, zarówno konstrukcyjnych, jak i funkcjonalnych. Dla przykładu można wymienić stale magnetyczne dla elektroenergetyki, chromowe stale odporne na korozję, wysoko wytrzymałe stopy Al dla lotnictwa, druty wolframowe do żarówek, utwardzane wydzieleniowo stopy lekkie. Znacznym postępem w tworzeniu podstaw obróbki cieplnej stali było wprowadzenie wykresów CTP (czas temperatura - przemiana) przez Davenporta i Baina w 1932 roku. Wykresy opisują Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 21 produkty przemiany austenitu w funkcji temperatury i prędkości chłodzenia dla stali o określonym składzie chemicznym. Dzięki wykresom CTP ujawniono między perlitem i martenzytem nieznany dotąd składnik strukturalny – bainit i możliwości wytworzenia stali bainitycznych. W okresie międzywojennym rozwojowi wiedzy metaloznawczej dorównywał, a często go wyprzedzał, postęp techniczny w zakresie opracowywania i doskonalenia inżynierskich stopów metali głównie dla nowych gałęzi przemysłu chemicznego, motoryzacyjnego, zbrojeniowego, lotnictwa, energetyki i górnictwa. Przemysł aparatury badawczo-pomiarowej, elektrotechnika, elektronika, radio i telekomunikacja rodzą zapotrzebowanie na nowe generacje materiałów funkcjonalnych. W Polsce okresu dwudziestolecia międzywojennego ukształtowały się trzy ośrodki badań i wiedzy metaloznawczej w uczelniach technicznych Warszawy, Krakowa i Lwowa. Pierwsze wykłady z metalografii na terenie Polski wygłosił w 1914 roku na Politechnice Lwowskiej profesor Witold Broniewski (1880-1939), doktorant Le Chateliera na Sorbonie. W latach 1920-1939 profesor W. Broniewski kierował Katedrą Technologii Metali na Wydziale Mechanicznym Politechniki Warszawskiej. W jego bogatym dorobku publikowanym w języku francuskim i polskim jest m.in. pierwszy polski podręcznik z zakresu metaloznawstwa Zasady metalografii (1921 r.). W 1929 roku została utworzona na Wydziale Chemicznym Politechniki Warszawskiej Katedra Metalurgii i Metaloznawstwa. Kierownictwo Katedry objął profesor Jan Czochralski (1885-1953), któremu - jak już wspomniano - światową sławę przyniosło opracowanie metody otrzymywania monokryształów. Problematykę metaloznawstwa w zastosowaniu praktycznym podjął w Politechnice Lwowskiej profesor Stanisław Anczyc (1868-1927) kierujący Zakładem Technologii Mechanicznej Metali. W latach 1917-1928 ukazały się książki St. Anczyca zatytułowane: Badania metalograficzne w zastosowaniu fabrycznem (1917 r.), Żelazo (1923 r.), Hartowanie stali (1926 r.), Technologiczne stopy metali (1928 r.). 22 Adolf Maciejny W powołanej do życia w 1918 roku Akademii Górniczej w Krakowie problematykę metaloznawczą podjął w 1922 roku profesor Iwan Feszczenko Czopiwski. W 1928 roku ukazał się pierwszy tom trzyczęściowego, nowoczesnego podręcznika J. Feszczenki - Czopiwskiego zatytułowany Metaloznawstwo. Potrzeby materiałowe przemysłu zbrojeniowego i gospodarki państw uprzemysłowionych w okresie II Wojny Światowej wpłynęły na powstanie nowych stopów metali i zwróciły uwagę na zagadnienie substytutów i tzw. materiałów oszczędnych. Trudności surowcowe uwypukliły znaczenie technologii i struktury stopu w kształtowaniu jego właściwości. Powoływane do rozwiązywania problemów materiałowych interdyscyplinarne zespoły badawcze – technologów, materiałoznawców, fizyków, chemików i specjalistów z innych dziedzin przyspieszyły proces przenikania się dyscyplin i z czasem ukształtowały jednolite spojrzenie na metale, ceramikę i polimery. Zaistniałe w wyniku II Wojny Światowej zmiany na geopolitycznej mapie świata oraz w sferze gospodarki techniki i przemysłu nadały priorytetowe znaczenie problematyce materiałów. Od zakończenia wojny trwają intensywne badania metali i stopów metalicznych. Finalizowane są badania układu Fe-C. W 1948 roku w ZSRR zostaje opublikowany pojedynczy układ Fe-C, a w roku 1949 w Niemczech - układ podwójny. Prowadzona równocześnie przez Hansena i Anderko szczegółowa analiza i ocena ogromnego zbioru danych doświadczalnych dotyczących układu Fe-C, gromadzonych przez dziesięciolecia, dała podstawę do opracowania i opublikowania w 1958 roku syntetycznej wersji układu Fe-C jako podwójnego, upowszechnianego w podręcznikach metaloznawstwa po dzień dzisiejszy. Symbolizuje to schyłek trwającej od 100 lat ery stali i dominacji inżynierskich stopów metali. Wiele ich gatunków ogólnego i szczególnego przeznaczenia, jak stale konstrukcyjne, żeliwa, brązy i inne stopy metaliczne znajduje zastosowanie również obecnie. Z postępem wiedzy powstała możliwość dokonywania szczegółowych charakterystyk fizycznych właściwości metali. Przykładem może być określenie zależności współczynnika rozszerzalności cieplnej metalu od jego temperatury topnienia. Wyliczono, ze każdy metal od temperatury zera bezwzględnego do temperatur topnienia rozszerza się o ok. 7% (rys. 2). Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 23 Rys. 2. Zależność współczynnika rozszerzalności cieplnej α od temperatury topnienia metalu [3] Zarówno stopy techniczne, jak i użytkowe zyskują szczegółowy opis posiadanych cech i właściwości (rys. 3 i 4). Rys. 3. Wpływ temperatury i składu chemicznego na rozszerzalności cieplnej stopów Fe-Ni [3] wartość współczynnika 24 Adolf Maciejny Rys. 4. Związek barwy stopu jubilerskiego Au-Ag-Cu z jego składem chemicznym (wg. Leusera) W roku 1945 po zniszczeniach wojennych, w zmienionym geograficznie i ustrojowo usytuowaniu Polski, trud odbudowy kształcenia metaloznawczego w polskich uczelniach podjęli wychowankowie i byli współpracownicy wybitnych polskich metaloznawców okresu międzywojennego. W Politechnice Warszawskiej i równolegle w Szkole Inżynierskiej im. Wawelberga i Rotwanda zadanie to wypełniał profesor Kornel Wesołowski (1903-1976), w Akademii Górniczo Hutniczej w Krakowie kolejno profesorowie: Aleksander Krukowski (1894-1978), Władysław Łoskiewicz (1891-1956) i Zygmunt Jasiewicz (1897-1966), w Politechnice Śląskiej w Gliwicach przybyły ze Lwowa profesor Fryderyk Staub (1899-1982), a w Politechnice Łódzkiej- profesor Zofia Wendorff (1906-1991). Podstawowym zadaniem edukacyjnym było wprowadzenie do krajowych programów kształcenia światowych osiągnięć w zakresie teoretycznych podstaw metaloznawstwa opartych na postępach fizykochemii ciała stałego, fizyki metali i Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 25 mechaniki materiałów. Jest to szeroki krąg zagadnień poznawczych obejmujący istotę wiązań międzyatomowych, elektronową teorię budowy metali, elementy krystalografii i strukturę rzeczywistych kryształów, przemiany fazowe, podstawy termodynamiki metali i stopów oraz mechanizmy odkształcenia, umocnienia i dekohezji metali. Zagadnienia te były systematycznie wprowadzane do treści skryptów i podręczników akademickich, przy czym pionierską rolę pod tym względem spełniały podręczniki i opracowania dydaktyczne dotyczące podstaw teoretycznych metaloznawstwa autorstwa Jerzego Kaczyńskiego (1908-1977) z Politechniki Warszawskiej, profesora Stanisława Prowansa (1918-1992) z Politechniki Szczecińskiej oraz profesora Bohdana Ciszewskiego (1922-1998) z Politechniki Warszawskiej i Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie. Do upowszechnienia postępu wiedzy metaloznawczej przyczyniły się również wydawane w latach 1960-1970 pozycje Biblioteki Fizyki Metali Wydawnictwa Śląsk w Katowicach, a przede wszystkim ułatwiony od połowy lat pięćdziesiątych dostęp do światowej literatury naukowej w tłumaczeniach z języka rosyjskiego. Działalność badawcza w zakresie metaloznawstwa skupiona początkowo w politechnikach i AGH w Krakowie została znacznie poszerzona i wzbogacona wraz z powstaniem Instytutu Podstaw Metalurgii PAN w Krakowie (1977 r.), Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie (1951 r.) oraz badawczych instytutów resortowych, w tym głównie Instytutu Metalurgii Żelaza (1945 r.) i Instytutu Metali Nieżelaznych w Gliwicach (1952 r.) oraz Instytutu Odlewnictwa w Krakowie (1951 r.).Współdziałanie tych jednostek z zakładami doświadczalnymi hut i zakładów metalurgicznych oraz uczelni wyższych wzbogaciło o nowe gatunki krajową ofertę stopów metali. Wybitnie tworzą działalność Instytutu Metalurgii Żelaza w zakresie projektowania, badania i wdrażania do krajowego hutnictwa nowych jakościowo gatunków stali stopowych zainicjował Profesor Tadeusz Malkiewicz (1904-1981), dyrektor Instytutu w latach powojennych, autor unikatowego podręcznika Metaloznawstwo stopów żelaza [4]. Trwająca już sześćdziesiąt pięć lat badawczo - rozwojowa działalność Instytutu w zakresie stopów metalicznych wzbogaciła krajowy przemysł i gospodarkę o cały szereg nowych pod względem składu chemicznego gatunków stali stopowych, a w szczególności: 26 Adolf Maciejny stale spawalne o podwyższonej i wysokiej wytrzymałości umacniane wydzieleniowo mikrododatkami pierwiastków stopowych, stale trudnordzewiejące o podwyższonej wytrzymałości, stale na blachy i szyny ulepszone cieplnie o zwiększonej odporności na ścieranie z przeznaczeniem dla górnictwa i kolejnictwa, żarowytrzymałe stale dla energetyki z zawartością chromu, molibdenu, wanadu i boru, austenityczne stale odporne na korozje. Badawczo - rozwojową działalność IMŻ dotyczące stali stopowych objęła opracowanie technologii ich wytwarzania i przetwórstwa, metod kontroli oraz charakterystyk wytrzymałościowych i użytkowych. Dla realizacji tych zadań duże znaczenie miał postęp krajowego hutnictwa w zakresie technologii wytapiania i przeróbki plastycznej stopów metali. Do znaczących innowacji technologicznych w metalurgii stali, przeznaczonej zarówno do przeróbki plastycznej, jak i na odlewy, zalicza się przede wszystkim obróbkę pozapiecową ciekłej stali. Jest to proces dwuetapowy. Ciekła stal w konwertorze tlenowym lub piecu łukowym po świeżeniu (odwęglenie + odfosforowanie) zostaje przemieszczona do pieco-kadzi, gdzie podlega zabiegom rafinacyjnym, które obejmują: odtlenianie za pomocą żelazostopów: Fe-Si i Fe-Mn oraz Al, odsiarczenie kąpieli do pożądanego stężenia siarki przez wprowadzenie do kadzi żużla zasadowego o zawartości ok. 60% CaO, 30% Al2O3 i 5% CaF2, modyfikację wtrąceń niemetalicznych za pomocą Ca lub CaSi, wprowadzenie składników stopowych i mikrododatków, rafinację argonową ciekłej stali i korektę jej składu chemicznego. Częstym zabiegiem jest umieszczanie kadzi z ciekłą stalą w komorze próżniowej, aby przez odgazowanie uzyskać zmniejszenie zawartości wodoru, azotu, tlenu i węgla. Dodatkowe przepuszczenie argonu przez dno w kadzi uzyskuje się wydatne zmniejszenie ilości wtrąceń niemetalicznych, co zapewnia otrzymanie ultra-czystych stali. Postęp w metalurgii stali umożliwił wytworzenie wysokojakościowych odlewów ze stali o wysokiej wytrzymałości i udarności o składzie chemicznym Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 27 zawierającym Mn, Ni, V i Mo. Osiągnięciem są również ferrytyczno austenityczne staliwa odporne na korozję naprężeniową i międzykrystaliczną w środowisku jonów chlorkowych. Dla topienia specjalnych stali i nadstopów dla astronautyki, techniki jądrowej, petrochemii i medycyny stosuje się w świecie metodę otrzymywania półwyrobów (wlewków, prętów, pierścieni) poprzez rozpylanie ciekłego stopu argonem i osadzenie na obracającej się podkładce, na której szybko krzepnie. Dzięki temu stop jest wolny od makrosegregacji składu chemicznego, a ziarna są bardzo drobne. Gotowe elementy ze stopu są wykonywane metodą obróbki mechanicznej. Metody numerycznej i fizycznej symulacji procesów przemysłowych znacząco wpłynęły na rozwój ciągłego odlewania stali. Znajomość mechanicznych właściwości stali w wysokich temperaturach, a w szczególności przedziałów obniżonej plastyczności, pozwala sterować procesem odlewania stali tak, aby przeciwdziałać powstawaniu pęknięć. W badaniach procesów przeróbki plastycznej ujawniono możliwość uzyskania w metalach i stopach ultra drobnoziarnistej mikrostruktury przez skumulowanie w materiale dużych odkształceń plastycznych. Osiągnięciem jest również szczegółowe poznanie strukturalnych i wytrzymałościowych efektów cieplno plastycznej obróbki stali. Mimo dominacji stopów żelaza w badaniach i procesach rozwojowych - już w pierwszych latach po wyzwoleniu - zespoły badawcze szeregu politechnik podjęły badania stopów metali nieżelaznych, głównie brązów, koncentrując się na zagadnieniu wpływu składu chemicznego i obróbki cieplnej stopów na ich właściwości użytkowe. Znaczące poszerzenie tematyki badawczej w tym zakresie przyniosła i nadal przynosi działalność Instytutu Metali Nieżelaznych w Gliwicach we współpracy z Instytutem Podstaw Metalurgii PAN w Krakowie. Z bardzo licznych dokonań Instytutu Metali Nieżelaznych, w zakresie opracowania unikatowych stopów i tworzyw metalicznych na szczególne wyróżnienie zasługują: Stopy magnetycznie miękkie o zawartości 38-80% Ni oraz magnetycznie miękkie taśmy amorficzne i nanokrystaliczne na bazie żelaza i kobaltu o małej stratności i niewielkiej mocy magnesowania, na rdzenie transformatorów rozdzielczych w przemyśle elektrotechnicznym i energetycznym. 28 Adolf Maciejny Stopy oporowe typu konstantan i manganin przeznaczone na oporniki precyzyjne. Stopy FeNi oraz CuFe przeznaczone na ażury ścieżkowe. Stopy srebra, w tym materiały stykowe i luty twarde na bazie srebra. Spoiwa bezsrebrowe typu CuMnNi i CuMnCo. Utleniane wewnętrznie stopy: AgCdO i AgSnO2 . Instytut Podstaw Metalurgii Pan w Krakowie (obecnie: Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej im. Aleksandra Krupkowskiego PAN) opracował - na bazie szeroko prowadzonych badań podstawowych w zakresie teorii stopów metali, przemian fazowych i niekonwencjonalnych technologii - szereg nowatorskich stopów pod względem składu chemicznego oraz charakterystyki ich struktury i właściwości. Wśród tych dokonań na szczególne wyróżnienie zasługują: Stopy lekkie: aluminium-lit, aluminium-lit-skand oraz aluminium-lit-magnez. Otrzymywanie wysokowytrzymałych stopów aluminium z dodatkiem cyrkonu i skandu z zastosowaniem rozdrobnienia ziarna w procesie szybkiego krzepnięcia. Stopy dla lutowania bezołowiowego na bazie srebra, miedzi, cyny i indu. Podstawy technologii brązów cynowo-fosforanowych dla przemysłu elektronicznego i elektrotechnicznego. Instytut dysponuje potencjałem naukowym niezbędnym do realizacji zadań badawczych w zakresie funkcjonalnych stopów metali: amorficznych, nanokrystalicznych, z pamięcią kształtu, gradientowych i innych zaawansowanych technicznie. 3. Kształtowanie się inżynierii materiałowej Trwające od połowy XIX wieku „era stali” stworzyła cywilizacje przemysłowe, których rozwój uwarunkowany był dostępnością surowców, energii i wykwalifikowanej siły roboczej. Kult industrializacji „za wszelką cenę” oraz rozwój gałęzi przemysłu o dużej chłonności materiałów i energii stworzył wiele problemów społecznych, gospodarczych i ekologicznych, ujawniając „granice wzrostu” na tej drodze. Sytuacja po II wojnie światowej zaostrzyła te problemy. Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 29 Równocześnie nowe dziedziny techniki i odpowiadające im gałęzie przemysłu stworzyły potrzebę pozyskiwania nowych materiałów o nieosiągalnych dotąd cechach i właściwościach, zapewniających wykonanym z nich elementom wysoki stopień niezawodności, trwałości oraz stabilności właściwości i struktury. Zagadnienie to unaoczniło się z całą ostrością w USA w okresie tzw. zimnej wojny stających przed koniecznością opracowania nowych materiałów i racjonalnego ich doboru na potrzeby techniki lotniczej, kosmicznej i zbrojeniowej, energetyki jądrowej, a szczególnie szybko rozwijających się technik informatycznych. Dla rozwiązania tych zagadnień wykorzystano doświadczenia z okresu II wojny światowej, tworząc już w 1959 roku interdyscyplinarne centra badawcze, w których znaleźli zatrudnienie liczni emigrujący z Europy naukowcy-badacze o wysokich kwalifikacjach oraz absolwenci uczelni amerykańskich realizujących nowy profil studiów materiałoznawczych. Ukształtowanie się nowego podejścia do problemu materiałów w aspekcie naukowym, technicznym i edukacyjnym nastąpiło w USA w latach siedemdziesiątych XX wieku. Została wygenerowana nowa dyscyplina o nazwie Materials Science and Engineering (MSE). Jej zasadniczym celem jest opracowanie i dobór materiałów dla określonych zastosowań przy wykorzystywaniu osiągnięć poznawczych i technicznych dotyczących wewnętrznej budowy materiałów. Jak przedstawia schemat na rys. 5, ujmujący istotę i sposób działania inżynierii materiałowej, użyteczność materiału dla określonego zastosowania jest określona zespołem współzależności: wytwarzanie - struktura właściwości. Prawidłowy dobór materiału jest oparty na zespole wymaganych właściwości niezależnie od rodzaju materiału: metalu, ceramiki, polimerów czy kompozytów [5]. w Polsce ze względów językowych przyjęła się dla dyscypliny MSE skrócona nazwa Inżynieria Materiałowa ujmująca umownie pełne przetłumaczenie nazwy MSE Nauka i Inżynieria Materiałów. 30 Adolf Maciejny Rys. 5. Cztery podstawowe elementy składające się na sposób działania inżynierii materiałowej [5] Jak stwierdza profesor Maciej W. Grabski [1] „zrozumienie znaczenia integralnego podejścia do problematyki materiałów, charakterystycznego dla inżynierii materiałowej, z wielkim trudem torowało sobie drogę i prawo obywatelstwa w najwybitniejszych polskich środowiskach przedstawicieli naukowych, wiedzy nawet w metaloznawczej”. grupie Wielkim propagatorem nowej dyscypliny naukowej (MSE) był Profesor S. T. Jaźwiński (1907 - 1998) z Politechniki Warszawskiej. Utworzenie nowego kierunku studiów Inżynieria Materiałowa nastąpiło w 1971 roku na Wydziale Metalurgicznym Politechniki Śląskiej i na Wydziale Ceramicznym AGH w Krakowie. W Politechnice Warszawskiej kształcenie w zakresie inżynierii materiałowej podjęto w 1973 roku, a jego bazą naukową i dydaktyczną stał się utworzony w 1975 roku samodzielny Instytut Inżynierii Materiałowej (z prawami wydziału). W 1980 roku rozpoczął działalność Komitet Nauki o Materiałach PAN i zaczynają się ukazywać dwa periodyki poświęcane inżynierii materiałowej: Kwartalnik Archiwum Nauki o Materiałach (PAN) oraz Inżynieria Materiałowa (Wydawnictwo Sigma). Kształtowaniu się inżynierii materiałowej towarzyszy wiele znaczących odkryć poznawczych w obszarze stopów metalicznych. W poszukiwaniu sposobów na umocnienie stopów konstrukcyjnych odkryto oddziaływanie na ich Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 31 wytrzymałość wielkości ziarna, struktury granic ziarn, gęstości dyslokacji oraz wydzielania dyspersyjnych cząstek węglików azotków lub faz międzymetalicznych. Znajomość tych oddziaływań umożliwiła opracowanie szeregu odmian niskowęglowych stali konstrukcyjnych o podwyższonej i wysokiej wytrzymałości, przesyconych i starzonych stopów metali nieżelaznych, a w dalszej kolejności umacnianych związkami międzymetalicznymi w procesach starzenia wysokiej wytrzymałości martenzytycznych stali typu maraging oraz żarowytrzymałych nadstopów niklu i kobaltu. Przykładem zachodzących zmian może być opracowana w 1900 roku stal szybkotnąca W-Cr-V (18-4-1) nie będąca w stanie już w latach pięćdziesiątych sprostać ekstremalnym warunkom obciążeń jakie oddziałują na narzędzie w szybkobieżnej obrabiarce. Rozwiązaniem stały się stellity i spiekane węgliki wolframu, a z biegiem lat cermetale i ceramika, zaś z końcem ubiegłego stulecia – diament polikrystaliczny i azotek boru [6]. Przykładem ewolucji stopów funkcjonalnych są materiały magnetyczne twarde oparte na początku XX wieku na stalach zahartowanych z dodatkiem wolframu lub chromu i stopach typu Al–Ni–Co zastępowane w drugim półwieczu XX wieku przez tworzywa oparte na związkach międzymetalicznych, w tym samaru (Sm) z kobaltem i innymi metalami, względnie neodymu (Nd) z żelazem i borem. Materiały te odznaczają się bardzo dużą energią magnetyczną, co umożliwia zmniejszenie masy magnesu. Od wynalezienia w XVIII wieku maszyny parowej aż do XXI wieku trwa nieprzerwanie postęp w rozwoju żarowytrzymałych stopów metali na maszyny cieplne – silniki i turbiny. Odkrycia poznawcze w badaniach metali i stopów metalicznych podjętych przez inżynierię materiałową zaowocowały nowymi odmianami tworzyw metalicznych, wśród których na szczególną uwagę zasługują: 1. Stopy nadplastyczne poddane do wielkich odkształceń plastycznych bez naruszenia wewnętrznej spójności. Stopy te podatne działaniu wyjątkowo niskich naprężeń w wysokich temperaturach przy odpowiedniej prędkości odkształcenia mogą osiągać wydłużenia do 2000% bez tworzenia szyjki w 32 Adolf Maciejny próbie rozciągania. Efekt nadplastyczności zauważono po raz pierwszy w roku 1920 w eutektycznym stopie Zn – Cu – Al, lecz systematyczne badania stopów nadplastycznych trwają od lat sześćdziesiątych XX wieku. Nadplastyczność występuje głównie w stopach ultradrobnoziarnistych z ziarnem o rozmiarach poniżej 10 μm i równoosiowym kształcie. Uzyskuje się to głównie w eutektycznych stopach metali nieżelaznych [7]. 2. Stopy z pamięcią kształtu wykorzystują zjawisko pamięci kształtu w metalach wywołane odwracalną przemianą martezytyczną. Jeśli stop zostanie plastycznie odkształcony w niższej temperaturze, to odzyskuje swój początkowy kształt po podgrzaniu do wyższej temperatury, a zjawisko to jest odwracalne. Odkrycie to zostało dokonane w latach 1960 - 1965 w badaniach stopu Ni-Ti pod nazwą „Nitinol” o zawartości 53-57 % Ni. Efekt pamięci kształtu występuje również w innych stopach. Do najważniejszych z nich należy zaliczyć stopy na osnowie miedzi o strukturze fazy β, w których poprzez zmianę składu chemicznego można w szerokich granicach regulować temperaturę początku przemiany martenzytycznej Ms. Stopy z pamięcią kształtu stworzyły nowe możliwości konstrukcyjne w szeregu zastosowań, w tym: do wytworzenia trwałych połączeń mechanicznych i elektrycznych w układach hydraulicznych, do tłumienia drgań, jako wyłączniki termiczne i układy przeciwpożarowe, bardzo skutecznie zastępują termobimetale [8]. 3. Szkła metaliczne określane również jako materiały amorficzne są produktem przechodzenia cieczy metalicznej w sposób ciągły z pominięciem procesu krystalizacji, co prowadzi do powstania ciała stałego o nieuporządkowanym rozkładzie atomów, podobnym do struktury cieczy. Po raz pierwszy zostało to ujawnione w badaniach stopu złota z krzemem w 1960 roku przez badaczy w USA. Szkło metaliczne otrzymuje się przez bardzo szybkie schłodzenie metalu ze stanu ciekłego. W tym celu stosuje się m.in. metodę natrysku ciekłego metalu za pomocą sprężonego gazu obojętnego na metaliczne podłoże, metodę dwóch walców polegającą na wprowadzeniu cienkiej strugi ciekłego metalu między dwa szybko obracające się walce, względnie metodą ciągłego odlewania polegającą na wprowadzeniu strumienia cieczy na powierzchnię szybko obracającego się bębna miedzianego. Ciekły metal, chłodzony dodatkowo Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 33 strumieniem argonu, krzepnie na powierzchni bębna w postaci cienkiej taśmy. Wymienione sposoby umożliwiają otrzymanie metalicznych taśm o grubości od 10 do 200 μm i długości nawet do tysiąca metrów. Zeszkleniu najłatwiej ulegają stopy wieloskładnikowe, w tym na bazie metalu przejściowego: Fe, Co, Ni, Zr, Nb, względnie metalu szlachetnego: Au, Pd, Pt z dodatkiem niemetalu: Si, P, B do 30%. Stan szklisty metali jest stanem termodynamicznie niestabilnym. Jednak w większości szkieł metalicznych w temperaturze otoczenia nie zachodzą zjawiska dyfuzji i samodyfuzji nawet w bardzo długich czasach. Proces krystalizacji metalu ze stanu amorficznego jest zazwyczaj wieloetapowy, a temperatura jego przebiegu zależy od składu chemicznego stopu. Szkła metaliczne wytwarzane są najczęściej w postaci taśm, folii, włókien i drutów (maksymalna średnica do 250 μm). O ich zastosowaniach technicznych decydują nieosiągalne w konwencjonalnych stopach własności, w tym wytrzymałość na rozciąganie zbliżona do wartości teoretycznej, odporność na korozję oraz szczególnie własności magnetyczne jako materiałów magnetycznie miękkich. Możliwość uzyskania wymienionych własności zależy od składu chemicznego szkła metalicznego [9]. Nowe stopy metaliczne, będące efektem odkryć poznawczych i postępów technologii metali stanowią tworzywo nieodzowne dla zaawansowanych systemów technicznych ostatnich dziesięcioleci. Jednakże siłą napędową przeobrażeń gospodarczych, społecznych i cywilizacyjnych współczesnego świata są trwające nieprzerwanie od wynalezienia tranzystora w latach czterdziestych i obwodów scalonych w latach pięćdziesiątych, postępy w rozwoju zaawansowanych naukowo i technicznie materiałów dla mikroelektroniki, optoelektroniki i informatyki. Otrzymywanie tych materiałów stworzyło nowy model przemysłu, w którym wytwarzanie materiału jest połączone z technologią wytwarzania produktu. Odbiega to znacznie od konwencjonalnych technologii metali wywodzących się z metalurgii. 34 Adolf Maciejny 4. Rozwój metod badania materiałów Rodzaj i jakość wytwarzanych materiałów zależą od poziomu rozwoju metod ich badań i pomiarów. Przy końcu lat czterdziestych i w dekadzie lat pięćdziesiątych nie było w Polsce gotowych narzędzi badawczych i odpowiednich metod badań struktury ciała stałego. W tych warunkach w Instytucie Metalurgii Żelaza powstały zespoły budowy aparatury z biurem konstrukcyjnym. Zbudowano szereg typów dylatometrów do badania przemian fazowych w metalach, opracowano metodę znaczników izotopowych do analizy procesów metalurgicznych oraz metodę autoradiografii do śledzenia rozmieszczenia niektórych pierwiastków w stopach metali. Dla analizy procesów przeróbki plastycznej wykonano kilka rodzajów plastomerów i oprzyrządowania walcarek. Wielki wkład Instytutu Metalurgii Żelaza w rozwój metod badawczych materiałów jest głównie zasługą profesora Zbigniewa Bojarskiego - kierownika Zakładu Badań Strukturalnych IMŻ w latach 1958 - 1969 i dyrektora Instytutu Fizyki i Chemii Metali Uniwersytetu Śląskiego w latach 1974 - 1991. W obu tych placówkach profesor Zbigniew Bojarski rozwijał i udoskonalał metody rentgenowskiej analizy strukturalnej. Zaprojektował specjalistyczne kamery do wykonywania rentgenogramów z rejestracją fotograficzną do ilościowej i jakościowej analizy fazowej. Do osiągnięć należy m.in. zaliczyć upowszechnienie w kraju metody precyzyjnego pomiaru parametrów sieci krystalograficznej, rejestracji i analizy tekstury oraz badania przemian fazowych w wysokich temperaturach do 1200 oC i w temperaturach podzerowych do -190 oC. Ważnym wkładem w ugruntowanie w krajowych zespołach badawczych umiejętności stosowania metod rentgenowskiej analizy strukturalnej stały się monografie [10] oraz seminaria i konferencje naukowe, w tym przede wszystkim międzynarodowa konferencja Applied Crystalography. Szeroko pojęta rentgenografia jest z powodzeniem rozwijana w krajowych placówkach naukowych. Międzynarodową renomę zyskały badania tekstur prowadzone w Instytucie Metalurgii i Inżynierii Materiałowej im. Aleksandra Krupkowskiego PAN, szczególnie w zakresie rozwoju metody funkcji rozkładu orientacji umożliwiającej dokonywanie analizy ilościowej wszystkich Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 35 tekstur składowych i przewidywanie anizotropii własności. Rozwijane w instytucie Fizyki PAN w Warszawie i w Instytucie Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN we Wrocławiu metody topografii rentgenowskiej umożliwiają badanie struktury dyslokacyjnej i dezorientacji bloków mozaikowych. Wysoki poziom metod rentgenowskich badania struktury polikryształów oparty jest na stosunkowo dobrym wyposażeniu ośrodków krajowych w nowoczesne dyfraktometry zautomatyzowane i w pełni skomputeryzowane. Nową i stale zyskującą na znaczeniu metodą badawczą ukształtowaną głównie na gruncie metalografii ilościowej jest stereologia. Zapoczątkowana w latach sześćdziesiątych jest stale doskonalona. Stereologia jest zbiorem metod opisu trójwymiarowej struktury na podstawie badania jej płaskich przekrojów. Podstawą stereologii jest analiza obrazów mikrostruktury z mikroskopii świetlnej, elektronowej i skaningowej, względnie uzyskiwanych innymi technikami przy szerokim wykorzystaniu wiedzy w zakresie geometrii, w tym stereometrii, matematyki, metod rachunku prawdopodobieństwa i statystyki matematycznej. Możliwości elektronicznego przetworzenia obrazu i jego komputerowej analizy stworzyły w ostatnich latach bardzo istotną metodę pozwalającą na ilościową korelację określonych cech mikrostruktury z własnościami mechanicznymi i fizycznymi. Rozwój stereologii w Polsce jest wybitną zasługą profesora AGH Jerzego Rysia [11], który stworzył od podstaw polską szkołę stereologii rozwijaną przez młodych naukowców z AGH, Politechniki Warszawskiej, Politechniki Śląskiej i Politechniki Krakowskiej [12 - 14]. Osiągnięcia badawcze tego zespołu oraz organizowane konferencje i wydawane periodyki zyskały wysoką rangę międzynarodową. Mikroskopia elektronowa cieszy się w Polsce niesłabnącym uznaniem i popularnością. Wynika to z faktu, że w początkowej fazie rozwoju stanowiła poniekąd kolejny etap rozwoju metalografii. Pierwszy w kraju mikroskop elektronowy do badania struktury metali zainstalowano w połowie lat pięćdziesiątych w Katedrze Metaloznawstwa Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Był to mikroskop berlińskiej firmy Werk für Fernmeldewesen umożliwiający badanie struktury techniką replik odwzorowujących relief powierzchni zgładu oraz replik ekstrakcyjnych umożliwiających identyfikację wyekstrahowanych cząstek 36 Adolf Maciejny wydzieleń metodą dyfrakcji. Te techniki badawcze rozwinęły się również w Instytucie Metalurgii Żelaza w Gliwicach. W wyniku prac badawczych prowadzonych w latach pięćdziesiątych w Wielkiej Brytanii rozwinęła się transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM) na cienkich foliach metalowych. Powstała możliwość badania wewnętrznej morfologii faz, ich struktury dyslokacyjnej, procesów wydzieleniowych we wczesnych stadiach, struktury granic ziarn. Od początku lat sześćdziesiątych TEM zaczęła się rozwijać również w polskich laboratoriach badawczych dzięki kolejnym zakupom dobrej jakości mikroskopów produkcji japońskiej w AGH (1960 r.) IMŻ, Politechnice Warszawskiej, Politechnice Poznańskiej, Politechnice Wrocławskiej i Politechnice Śląskiej w Katowicach oraz w instytutach PAN w Warszawie i Krakowie. Równocześnie w świecie następował intensywny rozwój TME. Okazało się przy tym, że mikroskop elektronowy jest nie tylko przyrządem do oglądania obrazów, lecz ze względu na możliwość detekcji złożonych oddziaływań rozpędzonych elektronów z materią jest najbardziej wszechstronnym przyrządem naukowym w badaniach materiałów. Rosnące możliwości technologiczne w zakresie mechaniki precyzyjnej i technik próżniowych umożliwiły produkcję nowej generacji TEM o napięciu przyśpieszającym od 100kV do 3 MV i osiągnięcie zdolności rozdzielczej poniżej 0,2 nm. Dało to podstawę do opracowania szeregu precyzyjnych technik dyfrakcji selektywnej przydatnej do badania procesów uporządkowania w strukturze krystalicznej. Wysokorozdzielcza TEM pozwala odwzorować strukturę materiału w skali atomowej w folii o grubości ok. 10 nm. Pod koniec lat dziewięćdziesiątych udało się w pewnym stopniu pokonać ograniczenia wynikające z istnienia aberracji sferycznej soczewek, co pozwoliło na osiągnięcie długo oczekiwanej zdolności rozdzielczej mikroskopu poniżej 0,1 nm (dokładnie 0,078 nm) i uzyskanie bezpośredniej informacji o położeniu atomów. Pojawienie się nowych detektorów promieniowania rentgenowskiego i spektrometrów typu EDS i EELS spowodowało, że mikroskop elektronowy przekształcił się w analityczne urządzenie umożliwiające ilościową analizę składu chemicznego w mikro- i nanoobszarach dla niemal wszystkich pierwiastków układu okresowego, z wyjątkiem wodoru i helu będących nadal wielkim wyzwaniem współczesnej analizy [15]. Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 37 Rozwijająca się od połowy lat sześćdziesiątych skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) stanowi cenne uzupełnienie mikroskopii TEM. Umożliwia bowiem oglądanie i analizowanie silnie rozwiniętych powierzchni na przełomach materiałów. Zaletą mikroskopu skaningowego jest dobra zdolność rozdzielcza, co najmniej 15 nm przy dużej głębi ostrości około 500 razy większej niż w mikroskopach świetlnych, co czyni go szczególnie przydatnym w badaniach faktograficznych i mikromechaniki pękania. Sprzężenie mikroskopu skaningowego ze spektrometrem rentgenowskim typu EDS pozwala na analizę chemiczną wybranych szczegółów i ujawnienie rozkładów pierwiastków na badanej powierzchni. W ostatnim dwudziestoleciu ubiegłego wieku pojawiły się w powszechnym użyciu mikroskopy skaningowo - transmisyjne (STEM). Mikroskopy z przystawkami skaningowymi są szczególnie przydatne podczas wykonywania analiz chemicznych, gdyż umożliwiają obrazowe przedstawienie rozkładu dowolnego pierwiastka w analizowanym obszarze próbki tzw. mapping. Można też wyznaczać zmiany stężenia pierwiastka wzdłuż dowolnej linii. Możliwość korzystania ze światowych osiągnięć mikroskopii elektronowej w Polsce zaistniała dopiero w 1995 roku. Ze środków Fundacji na rzecz Nauki Polskiej zostały zakupione dwa mikroskopy wysokorozdzielcze JEM 3010 zainstalowane w Politechnice Warszawskiej i na Uniwersytecie Śląskim oraz analityczny JEM 2010 ARP w AGH. Rozwój mikroskopii elektronowej w Polsce wiąże się nierozerwalnie z osobą profesora Stanisława Gorczycy (1925 - 2000), który od początku lat sześćdziesiątych prowadził w AGH specjalne kursy i szkoły mikroskopii elektronowej o zasięgu krajowym. Do upowszechnienia tej metody badawczej walnie przyczyniły się organizowane cyklicznie przez profesora Stanisława Gorczycę konferencje Mikroskopii Elektronowej Ciała Stałego. Rozwój metalurgii, materiałoznawstwa i inżynierii materiałowej jest nierozerwalnie związany z postępem metod analizy chemicznej. Analityka hutnicza przeszła długą drogę od klasycznych metod miareczkowych i wagowych do optycznej spektrometrii emisyjnej ze wzbudzeniem iskrowym i fluorescencji rentgenowskiej. Metody te nie wymagają przeprowadzenia analizowanych próbek do roztworu. Natomiast jest to konieczne przy zastosowaniu metod instrumentalnych jak atomowa spektrometria (AAS) oraz metoda optycznej 38 Adolf Maciejny spektrometrii emisyjnej z plazmą sprzężoną indukcyjnie. W badaniach materiałów, w tym szczególnie metali i stopów dużym postępem były zainicjowane już z w latach pięćdziesiątych w IMŻ badania mikroanalityczne i dyfrakcyjne na izolatach faz uzyskanych na drodze chemicznej lub elektrochemicznej. Symbolem postępu w zakresie analizy chemicznej materiałów, a szczególnie metali i stopów stał się mikroanalizator rentgenowski określany również jako sonda elektronowa. Zasada jego działania opiera się na spektometrii charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego wzbudzonego wiązką elektronów o mikronowej średnicy, rozpędzonych w polu elektrostatycznym podobnie jak w mikroskopie elektronowym. Urządzenie pozwala na określenie składu chemicznego w wybranym mikroobszarze zgładu o średnicy około 1 μm. Łącznie z metodami analitycznej mikroskopii elektronowej zapewnia to prowadzenie mikroanalizy chemicznej w szerokim zakresie wielkości badanych szczegółów struktury. Pierwszy w kraju mikroanalizator rentgenowski zastał zainstalowany w IMŻ w Gliwicach w 1965 roku. Rychło nastąpiło upowszechnienie metody w laboratoriach badawczych i jej szczegółowy opis w szeregu monografii [16 - 18]. Do pogłębienia wiedzy w zakresie mechaniki materiałów i poznania istoty mechanicznych własności metali przyczyniły się znacznie opublikowane monografie. Na szczególne wyróżnienie zasługuje cykl książek i opracowań profesora Stanisława Kocańdy (1922 - 2006) z Wojskowej Akademii Technicznej, poświęconych zagadnieniu wytrzymałości zmęczeniowej metali [19, 20]. Opublikowane zostały monografie dotyczące procesów pełzania i zmęczenia w materiałach [21], mechaniki pękania [22], odkształcania i pękania metali [23] oraz żarowytrzymałości stali i stopów [24]. W części krajowych laboratoriów badawczych stosuje się do badania przemian fazowych metody termiczne. Jest to najczęściej dylatometria, deriwatografia i różnicowa analiza termiczna. Stosowane są również metody oparte na wykorzystaniu zmian własności fizycznych funkcji temperatury np. oporności elektrycznej, namagnesowania czy tarcia wewnętrznego. Rozwój tych metod w ostatnich latach wiąże się z automatyzacją i komputeryzacją, co znacznie poprawia dokładność, czułość oraz zmniejsza pracochłonność tych badań. Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 39 5. Metale i stopy metaliczne na przełomie XX i XXI wieku Inżynieria Materiałowa w Polsce kształtowana od początku lat siedemdziesiątych na bazie metaloznawstwa i ceramiki weszła w lata dziewięćdziesiąte i w następną dekadę ze znacznym potencjałem naukowym. Wzrosła liczebność kadry naukowej zatrudnionej zarówno w sferze badań jak i edukacji. Częstsze kontakty naukowe przyczyniły się do wzbogacenia wiedzy podstawowej i w zakresie metod badawczych. Ważną rolę pod tym względem spełniały konferencje naukowe, w tym organizowana od lat pięćdziesiątych co trzy lata Konferencja Metaloznawcza, w 1992 roku ukierunkowana tematycznie na nowoczesne materiały i technologie. Do wzrostu aktywności naukowej i integracji środowiska badawczego walnie przyczyniły się uruchamiane od połowy lat siedemdziesiątych centralne programy badawcze. Ważnym dorobkiem krajowego środowiska naukowego są stosunkowo liczne monografie dotyczące nowych stopów metali o niekonwencjonalnych właściwościach i zastosowaniach oraz rosnącym znaczeniu dla współczesnej techniki i warunków życia. Ukazały się m.in. opracowania dotyczące stopów tytanu [25], żarowytrzymałych stopów metali [26], materiałów metalowych dla energetyki jądrowej [27], materiałów na elementy lotniczych silników turbinowych [28], nowoczesnych materiałów narzędziowych [6], odlewów ze stali stopowych [29], materiałów metalowych z udziałem faz międzymetalicznych [30], inżynierii nanomateriałów i struktur ultra drobnoziarnistych [31], projektowania i wytwarzania funkcjonalnych materiałów gradientowych [32]. Tematyka wymienionych monografii została wydatnie wzbogacona w artykułach i rozprawach publikowanych w czasopiśmie Inżynieria Materiałowa oraz w materiałach konferencyjnych i w znacznej części odpowiada priorytetowej tematyce w obszarze nauki o materiałach ujętej w Białej Księdze Unii Europejskiej z 2001 roku [33]. Szczególnie preferowane są nanomateriały i biomateriały, zaawansowane materiały funkcjonalne, materiały dla elektroniki, fotoniki, na układy magnetyczne i dla technik informatycznych, materiały inteligentne i hybrydowe oraz nadprzewodniki. Preferencje Białej Księgi zyskały również materiały konstrukcyjne związane z wytwarzaniem i magazynowaniem 40 Adolf Maciejny energii oraz do pracy w ekstremalnych warunkach. Szczególne znaczenie przypisuje się inżynierii powierzchni, technikom laserowym oraz wytwarzaniu zaawansowanych kompozytów. W ostatnich dwóch dekadach ukształtowały się w części krajowych placówek naukowych wyspecjalizowane zespoły badawcze dysponujące zaawansowaną wiedzą podstawową i metodyczną w zakresie inżynierii metali i stopów metalicznych. Wiedza ta ugruntowana w toku realizacji projektów badawczych i pogłębiona w kontaktach z nauką światową, stanowi podstawę do kształtowania programów badawczych przy uwzględnieniu kierunków rozwoju światowej nauki oraz krajowych potrzeb i uwarunkowań rozwojowych. Względy surowcowe uzasadniają nadanie w Polsce wysokiej rangi badaniom tworzyw metalicznych opartych na miedzi. Miało to już miejsce i jest realizowane w pracach badawczych Instytutu Metali Niezależnych w Gliwicach oraz w Instytucie Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN w Krakowie. Tematyka tych prac obejmuje m.in. brązy o specjalnych własnościach i zastosowaniach, lutowia na bazie miedzi i srebra oraz bezsrebrowe typu CuMnNi i CuMnCo, stopy magnetycznie miękkie 36-80% Ni, srebro i stopy srebra. Aluminium i jego stopy cechuje stały wzrost znaczenia we współczesnej technice. Decyduje o tym mała gęstość i duża wytrzymałość, dobra przewodność elektryczna i cieplna, wysoka odporność na korozję oraz dobra lejność i podatność do odkształcania plastycznego. Dla poprawy określonych cech użytkowych aluminium powstawały jego stopy z miedzią, krzemem, cynkiem i magnezem, w ostatnich dekadach zmienił się kierunek zastosowań stopów aluminium. Z materiału na opakowania, sprzęt gospodarczy i sportowy oraz proste elementy w budownictwie, tworzywa metaliczne wytrzymałości znajdują obecnie na szerokie bazie aluminium zastosowanie o w wysokiej przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym i kolejnictwie. W przemyśle lotniczym stopy aluminium wciąż są niezastąpione m.in. na konstrukcje nośne samolotów czy wysokowytrzymałe elementy poszycia kadłuba. Na elementy pracujące w warunkach cyklicznego zmęczenia stosowane na stopy Al-Cu wykazujące dobrą odporność na pękanie. Wysoką wytrzymałością odznaczają się stopy aluminium z litem i z metalami ziem rzadkich, jak również stopy ultradrobnoziarniste o Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 41 mikrostrukturze kształtowanej w procesach obróbki plastycznej. Zagadnienia te wchodzą w zakres zainteresowań zespołów badawczych Politechniki Warszawskiej oraz Instytutu Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN w Krakowie. W świecie trwają intensywne poszukiwania nowych sposobów podwyższania wytrzymałości stopów Al. Przykładem są technologie wytwarzania tych stopów metodami „in situ” (kompozyty „in situ”), w których cząstkami wzmacniającymi są TiB2, AlN, BN lub inne fazy międzymetaliczne. Ten kierunek badań jest stale rozwijany i oczekuje się istotnej poprawy własności wytrzymałościowych, temperatury pracy, odporności na pękanie i pełzanie. Tytan należy do grupy metali przejściowych. Odkryty w 1791 roku w Wielkiej Brytanii, dopiero w 1948 roku został wyprodukowany na skalę przemysłową. Od tego czasu stale zwiększa się rola tytanu i jego stopów we współczesnej technice, mimo wysokich kosztów wytwarzania i przetwarzania. Rozwój stopów tytanu jest w szczególnej mierze determinowany, rozwojem techniki lotniczej, ale także postępami w chemii, medycynie i przemyśle zbrojeniowym. Podstawowym konstrukcyjnym stopem tytanu, przedmiotem badań i różnorakich zastosowań również w Polsce, jest dwufazowy (α+β) stop martenzytyczny Ti-6Al-4V. Trwają prace nad uzyskiwaniem tego stopu metodą przetapiania jednokrotnego z użyciem plazmy lub wiązki elektronów. Ponieważ wanad wykazuje oddziaływania kancerogenne, w medycynie stosuje się na implanty stopy tytanu, w których wanad jest zastępowany niobem lub tantalem, są to stopy: Ti6Al(4-9)Nb, Ti-6Al(3-6)Nb(1-6)Ta, Ti-13Nb-13Zr o strukturze α+β , względnie Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Ti-15Mo-5Zr-3Al, Ti-13Nb-13Zr o strukturze β. W medycynie znalazły również zastosowanie stopy Ni-Ti z pamięcią kształtu i nadsprężystością. Wciąż zyskują na znaczeniu stopy na osnowie fazy międzykrystalicznej TiAl (γ), w tym płyty wielowarstwowe Ti-6Al-4V/TiAl/Ti6Al-4V. Zwiększa się zastosowanie stopów tytanu w konstrukcjach podwozi dużych samolotów (A-380, Boening 787). Są to przede wszystkim odkuwki ze stopów jednofazowych β (Ti-10V-2Fe-3Al i Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr). Stopy te zastąpiły z powodzeniem stal, zmniejszając masę konstrukcji i koszty jej konserwacji. Istotną poprawę mechanicznych właściwości tytanu uzyskuje się przez rozdrobnienie ziarn do rozmiarów nanometrycznych metodami dużego 42 Adolf Maciejny odkształcenia plastycznego. Zmniejszenie średniej średnicy ziarn tytanu technicznego po procesie wyciskania hydrostatycznego do około 50 nm umożliwia 2,5-krotne zwiększenie jest wytrzymałości. Stopy na osnowie fazy międzykrystalicznej TiAl (γ) ze względy na małą gęstość, wysoką wytrzymałość względną oraz dobrą odporność na pełzanie i utlenianie stanowią atrakcyjny materiał konstrukcyjny nowej generacji do zastosowania na elementy wirujące silników lotniczych do pracy w wysokiej temperaturze. Stają się w wielu przypadkach alternatywne dla nadstopów niklu. Poprawę żaroodporności i odporności na ścieranie stopów tytanu uzyskuje się przez nakładanie na powierzchnię warstw tlenkowych: ZrO2+Y2O3 lub Al2O3+TiO2. Do stopów metalicznych ultralekkich zalicza się stopy magnezu. Postęp w przemyśle lotniczym i samochodowym wpłynął na intensywny rozwój stopów magnezu w latach dwudziestych XX wieku. W 1924 roku po raz pierwszy zastosowano stopy magnezu zawierające aluminium i cynk na tłoki silników samochodowych, a w roku 1940 w USA po raz pierwszy skonstruowano samolot Northrop XP-56, w którym praktycznie wszystkie części nie narażone na działanie podwyższonej temperatury wykonywano z magnezu i jego stopów. W amerykańskim bombowcu B-36 zastosowano stopy magnezu o łącznej masie 9 Mg. Samochód Garbus firmy Volkswagen wyprodukowany w 1949 roku zawierał ponad 20 kg elementów wykonanych ze stopów magnezu. Stopy magnezu charakteryzują się najmniejszą gęstością spośród wszystkich metalicznych materiałów konstrukcyjnych (ok. 1,8 g/cm3), przy wysokiej wytrzymałości właściwej wykazują dobrą lejność, skrawalność i spawalność w atmosferach kontrolowanych, wysoką odporność na korozję gazową oraz dużą zdolność do tłumienia drgań. Magnez znajduje największe zastosowanie jako składnik stopów aluminium, natomiast stopy magnezu najczęściej są stosowane do wytwarzania odlewów ciśnieniowych, których głównym odbiorcą jest przemysł motoryzacyjny. Odlewy grawitacyjne poddawane obróbce cieplnej znajdują zastosowanie w przemyśle lotniczym. Pomimo korzystnych właściwości mechanicznych zastosowanie stopów magnezu przeznaczonych do przeróbki plastycznej jest niewielkie i stanowi zaledwie 1% rocznej produkcji magnezu na świecie. Wynika to z ograniczonej plastyczności stopów magnezu. Pierwiastki stopowe: aluminium, Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 43 cynk, cyrkon, stront, wapń, pierwiastki ziem rzadkich oraz mangan, nikiel i żelazo, intensywnie wpływają na właściwości stopów magnezu. Przykładowo, skand zwiększa odporność na pełzanie, co może pozwolić na eksploatację stopów magnezu w temperaturze do 350oC. W przemyśle motoryzacyjnym stosuje się obecnie stopy Mg-Al i Mg-Si modyfikowane wapniem oraz stopy z dodatkiem litu, które stanowią perspektywiczna grupę stopów magnezu do przeróbki plastycznej. Lit wpływa korzystnie na właściwości plastyczne magnezu, lecz obniża wytrzymałość na rozciąganie. Obecnie znaczenie techniczne ma stop Mg-Li z Al i Mn oznaczony LA141, produkowany w postaci blach. Nowoczesne badania stopów magnezu podjęła obecnie grupa młodych badaczy na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Metalurgii Politechniki Śląskiej. Jak już wielokrotnie podkreślano, przemysł lotniczy jest nader ważnym inkubatorem nowoczesnych stopów metalicznych. Przykładem są żarowytrzymałe nadstopy na łopatki lotniczych turbin gazowych, których skład chemiczny jest doskonalony od sześćdziesięciu lat. Dla umożliwiania osiągnięcia przez gazy spalinowe możliwie najwyższej temperatury, decydującej o sprawności silnika wzbogacono wyjściowy stop żaroodporny Ni-Cr w coraz to nowe pierwiastki, w tym wzmacniające osnowę (np. Co, Mo, W, Re), polepszające plastyczność (np. Hf), stabilizujące umacniającą fazę γ` (np. Ti, Al, Ta), zwiększające wytrzymałość granic ziarn (np. B i Zr). Równolegle ze zmianami składu chemicznego stopów następowały zmiany technologii ich wytwarzania. Pierwsze elementy z nadstopów wytwarzano metodami przeróbki plastycznej. Współcześnie wykorzystuje się technologie odlewnicze. Pierwsza generacja łopatek odlewanych posiadała strukturę polikrystaliczną. Poprawę właściwości uzyskano po zastosowaniu kierunkowej krystalizacji. Obecnie dąży się do wytwarzania łopatek o strukturze monokrystalicznej. Zmianom technologii towarzyszą również zmiany składu chemicznego nadstopu. Dla spełnienia wymogów eksploatacyjnych elementów części gorącej turbiny stosuje się powłoki ochronne, w tym przede wszystkim żaroodporne typu barier cieplnych, nanoszone na elementy metodą natryskiwania plazmowego. Powłoki te w połączeniu z systemami chłodzenia łopatek monokrystalicznych zwiększają odporność na korozję i zmęczenie cieplne oraz zmniejszają temperaturę 44 Adolf Maciejny powierzchni elementu. W obszarze tych zagadnień znaczące osiągnięcia uzyskali specjaliści obróbki powierzchniowej z Politechniki Śląskiej i Politechniki Rzeszowskiej. Nową generacją metalowych tworzyw żarowytrzymałych tworzą stopy na osnowie uporządkowanych faz międzykrystalicznych zawierających aluminium. Są to stopy z układów Ti-Al i Fe-Al. W prowadzonych w Polsce badaniach ostatnich lat zajmowano się głównie stopami na osnowie faz Fe3Al i FeAl. Stopy te wykazują doskonałą odporność na utlenianie, nasiarczanie i korozję w środowisku wody morskiej. Są tańsze od stali odpornych na korozję zawierające nikiel i molibden. Ich obszar zastosowań to przemysł energetyczny, chemiczny, petrochemiczny i okrętowy. Nadają się na różnego rodzaju elementy grzewczewymienniki ciepła, grzejniki elektryczne, kuchnie [30]. Kluczowym zagadnieniem współczesnej inżynierii materiałowej są nanomateriały i nanotechnologie. Ideę kontrolowanego tworzenia cząstek o nanometrycznych rozmiarach poprzez łączenie pojedynczych atomów, przedstawił w 1959 roku Richard Feynman - późniejszy laureat nagrody Nobla. W roku 1986 potwierdzono eksperymentalnie możliwość budowania materii przez składanie pojedynczych atomów tj. nanotechnologii w skali atomowej. Zostaje wprowadzona jednolita definicja nanomateriału. Jest ona oparta na kryterium geometrycznym i ocenie najmniejszego elementu mikrostruktury. Terminem „nanomateriały” określa się materiały zawierające cząstki lub ziarna o średniej wielkości poniżej 100 nm. Z kolei materiały zawierające cząstki lub ziarna o średniej wielkości 100 -1000 nm określane są jako materiały ultradrobnoziarniste. Brak dyslokacji w stopach nanokrystalicznych znacznie zwiększa ich wytrzymałość i zmniejsza plastyczność (rys. 6). Dzisiejsze nanotechnologie często nie opierają się już na pierwotnej koncepcji budowy materii poprzez składanie pojedynczych atomów. Dąży się do uruchamiania takich nanotechnologii, które zapewniłyby szybką i ekonomiczną produkcję dużych ilości nanomateriałów oraz były przystosowane do współpracy z już istniejącymi liniami produkcyjnymi. Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 45 Rys. 6. Mapa mechanizmów odkształcenia plastycznego w zależności od wielkości ziarna w metalach o sieci RSC [34] Wytwarzanie nanomateriałów poprzez konsolidację pojedynczych atomów jest na skalę przemysłową prowadzone przy użyciu specjalnej aparatury. Jedna z najczęściej stosowanych klasycznych metod jest synteza cząstek z fazy gazowej. Metal w specjalnej komorze syntezy osiąga temperaturę zbliżoną do temperatury topnienia. Atomy metalu odparowują z jego powierzchni. Poddaje się je oddziaływaniu z gazem szlachetnym, na przykład takim jak hel, który nie reagując chemicznie z odparowywanymi atomami ochładza, je co powoduje ich kondensację w postaci mikroskopijnych skupisk wielkości 100 nm - 1 μm. Na wielkość kondensowanych cząstek można wpływać poprzez rodzaj i ciśnienie gazu szlachetnego [31]. Prostszymi sposobami wytwarzania nanoproszków jest mechaniczne mielenie w młynach kulowych. Wyżarzanie materiałów amorficznych, a przede wszystkim zastosowanie bardzo dużych odkształceń plastycznych w warunkach skręcania pod wysokim ciśnieniem lub przeciskania przez kanał kątowy. Wyniki dotychczasowych badań nanokrystalicznych stopów metali ujawniają cały szereg ich unikatowych właściwości zarówno jako materiałów konstrukcyjnych jak i funkcjonalnych. Zagadnienie to jest przedmiotem badań i dociekań również w krajowych zespołach badawczych [35]. 46 Adolf Maciejny Literatura: [1] Grabski M. W., Kozubowski J. A.: Inżynieria Materiałowa, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2003. [2] Tyrkiel E.: Wykres żelazo - węgiel w rozwoju historycznym, Wydawnictwo Ossolineum, Wrocław 1963. [3] Blumenauer H.: Einführung in die Werksfoffwiessenschaft, Deutscher Verlag für Grund-stoffindustrie, Leipzig 1972. [4] Malkiewicz T.: Metaloznawstwo stopów żelaza, PWN, Warszawa- Kraków 1968. [5] Wojciechowski S.: Co to jest Materiałowa, nr 4, Katowice 2009. inżynieria materiałowa?, Inżynieria [6] Wysiecki M.: Nowoczesne materiały narzędziowe, WNT, Warszawa 1997. [7] Ciszewski B., Przetakiewicz W.: Nowoczesne materiały w technice, Wydawnictwo Bellona, Warszawa 1993. [8] Bojarski Zb.: Metale z pamięcią kształtu , PWN, Warszawa 1989. [9] Cieślek Ł.: Szkła metaliczne - nowa klasa współczesnych materiałów, Materiały Konferencji PAN „Nowoczesne osiągnięcia metaloznawstwa”, Gliwice 1992. [10] Bojarski Zb., Łągiewka E.: Rentgenowska analiza strukturalna, PWN, Warszawa 1988 i 1995. [11] Ryś J.: Stereologia materiałów, Wydawnictwo Fotobit Design, Kraków 1995. [12] Wojnar L., Kurzydłowski K. J., Szala J.: Praktyka analizy obrazu, Wydawnictwo Polskie Towarzystwo Stereologiczne, Kraków 2002. [13] Cwajna J.: Postępy nauki o materiałach i inżynierii materiałowej, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002. [14] Wojnar L., Majorek M.: Komputerowa analiza obrazu, Wydawnictwo Fotobit Design, Kraków 1994. [15] Dymek S., Czyrska-Filemonowicz A.: Rozwój transmisyjnej mikroskopii elektronowej, Inżynieria Materiałowa, nr 4/2002, Katowice 2002. Metale i stopy metaliczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce 47 [16] Bojarski Zb.: Mikroanalizator rentgenowski, Wydawnictwo Śląsk, Katowice 1971. [17] Żelechower M.: Wprowadzenie do mikroanalizy Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2007. rentgenowskiej, [18] Szummer A.: Podstawy ilościowej mikroanalizy rentgenowskiej, WNT, Warszawa 1994. [19] Kocańda St.: Zmęczeniowe niszczenie metali, WNT, Warszawa 1972. [20] Kocańda St., Kocańda A.: Niskocyklowa wytrzymałość zmęczeniowa metali, PWN, Warszawa 1989. [21] Jakowluk A.: Procesy pełzania i zmęczenia w materiałach, WNT, Warszawa 1993. [22] Neimitz A.: Mechanika pękania, PWN, Warszawa 1998. [23] Wyrzykowski J.W., Pleszakow E., Sieniawski J., Odkształcenie i pękanie metali, WNT, Warszawa 1999. [24] Hernas A.: Żarowytrzymałość stali i stopów, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej. Gliwice 2000. [25] Bylica A., Sieniawski J.: Tytan i jego stopy, PWN, Warszawa 1985. [26] Hernas A., Maciejny A.; Żarowytrzymałe stopy metali, Wydawnictwo Ossolineum, Wrocław 1989. [27] Adamczyk J., Szkaradek K.: Materiały metalowe dla energetyki jądrowej, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1992. [28] Sieniawski J.: Kryteria i sposoby oceny materiałów na elementy lotniczych silników turbinowych, Wydawnictwo Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 1995. [29] Głownia J.: Odlewy ze stali stopowej, Wydawnictwo Fotobit Design, Kraków 2002. [30] Bojar Zb., Przetakiewicz W.: Materiały metalowe z udziałem faz międzymetalicznych, Wyd. Bel Studio, Warszawa 2006. 48 Adolf Maciejny [31] Richert M.: Inżynieria nanomateriałów i struktur ultra drobnoziarnistych, Wyd. AGH, Kraków 2006. [32] Major B.: Projektowanie i wytwarzanie funkcjonalnych materiałów gradientowych (prace zbiorowe), Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN, Kraków 2007. [33] Wojciechowski S.: Aktualne problemy inżynierii materiałowej w obszarze nauki, techniki i kształcenia, Inżynieria Materiałowa, nr1/2003, Katowice 2003. [34] Bojar Zb., Jóźwik P., Bystrzycki J.: Analiza mechanizmu odkształcenia plastycznego w litych nanomateriałach metalowych, Inżynieria Materiałowa, nr4/2005, Katowice 2005. [35] Leonowicz M., Kurzydłowski K.J.: Nanomateriały metaliczne, ceramiczne i organiczne, Inżynieria Materiałowa, nr2/2003, Katowice 2003.
