1. MATERIAŁY INYNIERSKIE WPROWADZENIE 1.1. Klasyfikacja i charakterystyka materiałów inynierskich Materiałami nazywamy wszystkie stałe substancje o właciwociach umoliwiajcych ich stosowanie przez człowieka w celu wytwarzania przedmiotów uytkowych lub konstrukcji inynierskich. Wród materiałów o znaczeniu technicznym wyrónia si materiały: naturalne (drewno, kamienie, skały, minerały) oraz materiały inynierskie, wytwarzane z surowców w złoonych procesach wytwórczych. Powszechnie przyjtym kryterium klasyfikacji materiałów inynierskich jest natura wiza midzy atomami, decydujca o ich strukturze i właciwociach. Podstawowe grupy materiałów wyodrbnionych według tego kryterium, a wykorzystywanych w technice, przedstawiono schematycznie na rys. 1-1. Zmieniajce si ich znaczenie w rónych okresach rozwoju cywilizacji omówiono we wstpie niniejszego skryptu. Metale. Metale i stopy metaliczne charakteryzuje generalnie dobra przewodno elektryczna i cieplna, wzgldnie wysoka wytrzymało, wysoka sztywno, plastyczno lub odkształcalno oraz odporno na uderzenia. S one szczególnie przydatne w zastosowaniu na konstrukcje przenoszce obcienia mechaniczne, take w podwyszonych i wysokich temperaturach. Czyste metale stosowane s rzadko niemal wyłcznie wówczas, gdy wymagane s właciwe im szczególne właciwoci fizyczne. Szerokie zastosowanie maj natomiast stopy metaliczne, otrzymywane przez stopienie metalu podstawowego (osnowy stopu) z innymi pierwiastkami w celu polepszenia niektórych, wybranych, właciwoci lub uzyskania korzystniejszej ich kombinacji. Wad materiałów metalicznych jest mała odporno chemiczna i łatwo ulegania korozji. Materiały ceramiczne (krótko: ceramika) s to materiały takie jak: ceramika budowlana, ceramika ogniotrwała, czy odporna na cieranie ceramika uywana do wyrobu narzdzi skrawajcych oraz szkło. Ceramik cechuje niska przewodno elektryczna i cieplna i w konsekwencji jest ona stosowana czsto jako materiał izolacyjny (elektryczny i cieplny). Materiały te s wytrzymałe i twarde, ale przy tym bardzo kruche. Nowe technologie wytwarzania ceramiki maj na celu poprawienie ich plastycznoci na tyle, aby mogły przenosi złoone obcienia mechaniczno-cieplne, takie, jakie musz przenosi np. wirniki silników odrzutowych. Ceramik cechuje bardzo dobra odporno na działanie wysokich tem- 10
peratur i niektórych rodowisk korozyjnych, jak równie wiele specjalnych właciwoci optycznych i elektrycznych, które s wykorzystywane w obwodach scalonych, układach wiatłowodowych i w wielu czułych urzdzeniach. Kompozyty Metale Polimery Ceramika Rys. 1-1.Podstawowe grupy materiałów inynierskich Polimery s materiałami organicznymi zbudowanymi z łacuchowych makroczsteczek, które powstaj w wyniku połczenia wielu, identycznych ugrupowa atomów, tzw. monomerów, w procesie polimeryzacji. Polimery maj nisk przewodno elektryczn i ciepln, nisk wytrzymało oraz nie nadaj si na ogół do pracy w podwyszonych temperaturach. Ich zalet jest mała gsto, dua odporno na działanie czynników chemicznych i łatwe przetwórstwo. Polimery termoplastyczne (termoplasty), których łacuchy nie s sztywno połczone, maj dobr plastyczno i odkształcalno; polimery termoutwardzalne (duroplasty) s bardziej wytrzymałe, ale i bardziej kruche z powodu sztywnego połczenia łacuchów (rys. 1-2); elastomery cechuje bardzo dua odkształcalno sprysta, wskutek czego s czsto stosowane jako tzw. gumy (wydłuenia przy rozciganiu sigaj 1000%). Materiałów polimerowych uywa si do wytwarzania elementów konstrukcyjnych, włókien i powłok oraz elementów elektroizolacyjnych i termoizolacyjnych. Materiały kompozytowe (kompozyty) wytwarzane s przez połczenie dwóch lub wicej materiałów w celu uzyskania właciwoci niemoliwych do osignicia przez pojedynczy materiał (składnik kompozytu). Jeden z tych materiałów stanowi osnow a drugi jego wzmocnienie w postaci włókien, czstek, tkanin, itp. Dziki takiemu łczeniu jest moliwe otrzymywanie materiałów lekkich, wytrzymałych, plastycznych, odpornych na działanie wysokich temperatur niemoliwych do uzyskania w inny sposób a take twardych i odpornych na uderzenia materiałów narzdziowych. Budowa nowoczesnych samolotów i pojazdów kosmicznych oraz sprztu sportowego oparta jest przede wszystkim na polimerach zbrojonych włóknami szklanymi, wglowymi lub ceramicznymi. 11
Właciwoci materiałów opisuj odpowiedzi (reakcje) materiału na działajce na niego bodce. Klasyfikuje si je według natury tych bodców. Inynier-konstruktor bdzie na tej zasadzie wyrónia istotne dla niego właciwoci materiału: właciwoci mechaniczne i właciwoci fizyczne. Nie do pominicia bd równie właciwoci ekonomiczne materiału, jeli projektowana konstrukcja ma mie cechy handlowe i by konkurencyjn (technicznie i ekonomicznie) w porównaniu z podobnymi konstrukcjami. Właciwoci mechaniczne okrelaj reakcj materiału na działanie zewntrznego obcienia (siłowego, cieplnego). Najbardziej powszechne s takie właciwoci mechaniczne (typu statycznego) jak: wytrzymało, plastyczno i sztywno (reprezentowana przez moduł sprystoci). Czsto jednak konieczna jest znajomo reakcji materiału na cyklicznie zmienne obcienie (zmczenie) połczone ewentualnie z obcieniem cieplnym (zmczenie cieplno-mechaniczne), na uderzenia (udarno), na jednoczesne działanie stałego obcienia i wysokich temperatur (pełzanie) lub na cieranie (zuycie). Właciwoci mechaa) b) wizania poprzeczne atomami lub grupami atomów Rys. 1-2. Makroczsteczki polimerów: (a) termoplastycznych, (b) termoutwardzalnych, usztywnionych wizaniami poprzecznymi 1.2. Współzalenoci midzy technologi, struktur i właciwociami Aby wytworzony przedmiot lub element konstrukcji mógł prawidłowo funkcjonowa w przewidywanym dla niego czasie, materiał, z jakiego jest wykonany, musi mie stosown struktur i właciwoci, za sam przedmiot odpowiedni kształt. Spełnienie tego warunku jest moliwe, jeli na etapie projektowania inynier-konstruktor zna (i wykorzystuje) wzajemne zalenoci midzy struktur wewntrzn materiału, metodami wytwarzania i przetwarzania (technologi), kocowymi właciwociami materiału (rys. 1-3) oraz cechami uytkowymi przedmiotu. 12
niczne okrelaj równie podatno materiału na odkształcenia plastyczne. S silnie zalene od struktury wewntrznej materiału; czsto małe zmiany w strukturze materiału maj bardzo duy wpływ na właciwoci mechaniczne. Właciwoci fizyczne (elektryczne, optyczne, chemiczne, termiczne i magnetyczne) zale silnie zarówno od struktury, jak i od procesu wytwarzania i jego parametrów. Na przykład, nawet mikroskopijne zmiany w składzie chemicznym powoduj ogromne zmiany przewodnoci elektrycznej materiałów półprzewodnikowych, niewielkie iloci zanieczyszcze zmieniaj kolor polimerów i szkła, itp. Właciwociami ekonomicznymi materiału s jego dostpno i cena. Proces Struktura Blacha Wytrzymało Odkształcenie Własnoci Rys. 1-3. Przykład zalenoci midzy struktur, metod przetwarzania i właciwociami; podczas walcowania blachy zmienia si struktura metalu i ronie jego wytrzymało [3] Struktura materiału moe by rozwaana na kilku poziomach, z których wszystkie maj wpływ na ostateczne właciwoci materiału i zachowanie si gotowego wyrobu w warunkach eksploatacji. Najniszy poziom struktury stanowi poszczególne atomy tworzce materiał (rys. 1-4). Rozmieszczenie elektronów okrajcych jdro atomu (jdro tworz nukleony = protony + neutrony) ma istotny wpływ na elektryczne, magnetyczne, termiczne i optyczne zachowanie si materiału oraz moe mie wpływ na odporno korozyjn. Ponadto rozmieszczenie elektronów walencyjnych ma wpływ na rodzaj wiza midzy atomami, które z kolei okre- laj rodzaj materiału metaliczny, ceramiczny, polimerowy. Na nastpnym poziomie struktur charakteryzuje rozmieszczenie atomów w przestrzeni. Metale oraz niektóre ceramiki, czy polimery, charakteryzuje bardzo regularne rozmiesz- 13
czenie atomów w przestrzeni; taka włanie struktura, nazywana struktur krystaliczn, wyrónia je sporód innych grup materiałowych pod wzgldem właciwoci. Pozostałe materiały ceramiczne (np. szkło) oraz wiele polimerów, nie maj uporzdkowanego rozmieszczenia atomów; ich struktura jest amorficzna (szklista). Właciwoci takich materiałów róni si znacznie od materiałów krystalicznych. Na przykład, polietylen o strukturze szklistej jest przeroczysty, gdy za ma struktur krystaliczn jest przewiecajcy. W materiałach krystalicznych zawsze wystpuj rónego rodzaju błdy w rozmieszczeniu atomów, nazywane defektami struktury krystalicznej. Defekty maj duy wpływ na wła- ciwoci mechaniczne i fizyczne materiałów. W procesie wytwarzania materiałów (zwłaszcza metali) mona zmienia gsto tych defektów w szerokim zakresie kontrolujc tym samym jego właciwoci. a) b) c) 0,128 nm d) 0,361 nm 100 m 100 m Rys. 1-4. Poziomy struktury w materiale: a) struktura atomu miedzi, b) struktura kryształu miedzi, c) struktura ziarnista (jednofazowa) miedzi, d) struktura ziarnista dwufazowa stopu miedzi z cynkiem (mosidzu) Kolejny poziom struktury stanowi struktura ziarnista (polikrystaliczna), charakterystyczna dla wikszoci metali, ceramik i niewielu polimerów. Na tym poziomie struktury, nazywanym mikrostruktur, kształt i wielko ziaren odgrywaj kluczow rol. Tylko w nielicznych przypadkach zastosowanie maj materiały monokrystaliczne (materiały zawierajce w swojej objtoci jedno ziarno). W wikszoci materiałów mikrostruktur stanowi wicej ni jedna faza, tzn. zbudowana jest ona z dwóch lub wicej rodzajów ziaren rónicych si właciwociami. Kad z faz charakteryzuje inne ułoenie atomów w przestrzeni i w kon- 14
sekwencji inne właciwoci. Kształtowanie mikrostruktury pod wzgldem rodzaju faz, ich iloci, wielkoci i sposobu rozmieszczenia, jest dodatkow metod oddziaływania na właciwoci materiału. Technologia. Proces technologiczny mona widzie dwojako: jako sposób wytwarzania materiału (uzyskiwanie postaci wyjciowej), oraz jako sposób przetwarzania materiału z postaci wyjciowej w produkt o wymaganym kształcie. Najbardziej popularne materiały inynierskie, metale, s wytwarzane na ogół poprzez wytapianie z rud w procesach hutniczych. Metale mog by przetwarzane przez stopienie i odlanie do form (odlewanie), przez kształtowanie w stanie stałym przez działanie duych cinie (prasowanie, wyciskanie, walcowanie, przeciganie, kucie; ogólniej przez przeróbk plastyczn), przez łczenie pojedynczych czci (spawanie, lutowanie, klejenie) lub przez obróbk skrawaniem (toczenie, frezowanie, struganie, szlifowanie). Materiały ceramiczne mog by formowane w podobnych procesach jak metale, a wic przez odlewanie, wyciskanie, czy prasowanie, czsto w stanie mokrym i mog by obrabiane cieplnie w wysokich temperaturach w celu wysuszenia i połczenia składników (spiekania). Polimery s wytwarzane przez wtryskiwanie zmikczonego tworzywa do form (podobne do odlewania cinieniowego), cignienie i prasowanie. Czsto materiały s nagrzewane do relatywnie wysokich temperatur, jednak poniej temperatury topnienia, tak aby spowodowa wymagane zmiany struktury. Rodzaj zastosowanego procesu technologicznego zaley, przynajmniej czciowo, od właciwoci, tak wic i od struktury materiału. 1.3. Wpływ rodowiska na zachowanie si materiałów Na wzajemne zalenoci midzy struktur, właciwociami, a technologi, mog mie wpływ warunki zewntrzne, w jakich materiał pracuje. Temperatura. Zmiany temperatury mog prowadzi do wyranych, a nawet drastycznych zmian właciwoci materiału. Wytrzymało wikszoci materiałów maleje w miar wzrostu temperatury (rys. 1-5). Ponadto, wskutek nagrzania materiału powyej temperatury krytycznej, mog w nim zachodzi zmiany majce istotne, a nawet katastrofalne skutki. W metalu umocnionym przez obróbk ciepln lub proces kształtowania (prasowanie, walcowanie, itp.), moe wówczas nastpi całkowity zanik tego umocnienia. Wysokie temperatury mog take zmienia struktur materiałów ceramicznych oraz spowodowa stopienie lub zwglenie polimerów. Bardzo niskie temperatury mog z kolei spowodowa kruche pkanie materiałów, zachowujcych si plastycznie w temperaturze otoczenia. 15
Wytrzymało, Rm Polimer Aluminium Aluminium wzmocnione włóknami Kompozyt wgiel-wgiel Ceramiki Nadstopy niklu 0 1000 2000 3000 Temperatura, C Rys. 1 5. Zaleno wytrzymałoci rónych materiałów od temperatury [4] Korozja. Pod pojciem korozji rozumie si niszczenie materiałów w wyniku chemicznego lub elektrochemicznego oddziaływania powierzchni z otaczajcym rodowiskiem. Wystpuje praktycznie w kadym materiale, mamy wic do czynienia z korozj metali, kompozytów (np. betonu), polimerów, itp. Wikszo metali i polimerów reaguje z tlenem i innymi gazami, szczególnie w podwyszonych temperaturach. Metale i ceramiki mog ulec, w wyniku reakcji ze rodowiskiem, rozpadowi, w kracowym przypadku nawet katastroficznemu rozpadowi; polimery za mog sta si kruche. Materiały mog take by atakowane przez róne korozyjnie oddziaływujce ciecze. Wskutek ich działania metale mog ulega równomiernemu lub selektywnemu rozpuszczaniu, mog si w nich tworzy wery lub pknicia, prowadzce ostatecznie do całkowitego zniszczenia materiału jako tworzywa konstrukcyjnego. Materiały ceramiczne mog ulega korozji wskutek działania innych ceramik w stanie ciekłym. Polimery ulegaj rozpuszczaniu pod wpływem rozpuszczalników. 1.4. Zasady doboru materiału Podstawowym kryterium doboru materiału jest jego przeznaczenie i warunki pracy wyrobu. Musz by przy tym spełnione nastpujce warunki: materiał musi posiada wymagane właciwoci fizyczne i mechaniczne, materiał mona podda okrelonemu procesowi technologicznemu, aby nada mu posta o wymaganym kształcie, materiał i technologia musz spełnia kryteria ekonomiczne. 16
Wymagania stawiane materiałom dobieranym na okrelony wyrób dzieli si na dwie grupy: wymagania sztywne i podrzdne. Wymagania sztywne to te, które bezwzgldnie musz by brane pod uwag, np. dostpno danego materiału lub jego przydatno do okrelonej technologii wytwarzania czy te minima właciwoci. Wymagania podrzdne obejmuj właciwoci, które mog by podmiotem kompromisu lub rozwiza kompromisowych. Dotyczy to czsto właciwoci mechanicznych, ciaru wła- ciwego, kosztu materiału. Na przykład w wielu nowoczesnych samolotach aluminium zastpiono kompozytami. Takie kompozyty, jak polimery wzmocnione włóknem wglowym, s duo drosze ni tradycyjne stopy aluminium, ale dziki wyszej wytrzymałoci właciwej (wytrzymało/masa właciwa) oszczdnoci uzyskiwane na paliwie w trakcie eksploatacji znacznie przekraczaj zwikszony koszt materiału uytego do wyprodukowania takiego samolotu. Ekonomiczne uwarunkowania stosowania materiałów. Decydujc o wykorzystaniu okrelonego typu materiału musz by wzite pod uwag nastpujce aspekty ekonomiczne: cena i dostpno materiału, zachowanie si materiału w normalnych warunkach uycia (z koniecznoci kompromisu midzy cen, jakoci i przewidywan długowiecznoci w przypadku przedmiotów codziennego uytku) oraz w warunkach szczególnych, nawet skrajnych (w technice jdrowej, lotniczej, kosmicznej, biomedycznej, w których koszt materiału jest nieraz mniej istotny, a podstawowe znaczenie ma funkcjonalno wyrobu, czy bezpieczestwo konstrukcji), moliwoci odzyskiwania, niszczenia i ponownej przeróbki materiału (recykling). Cena i dostpno materiałów. Obok właciwoci mechanicznych, fizycznych i technologicznych wanymi właciwociami materiałów s cena i dostpno. W tabeli 1-1 podano orientacyjne ceny rónych grup materiałów. Jako kryterium podziału przyjto obszary zastosowa materiałów rónice si materiało- i czasochłonnoci wyrobu kocowego, mierzonej stosunkiem ceny 1 kg wyrobu do ceny 1 kg materiału. Pod wzgldem ekonomicznych kryteriów doboru materiały stosowane w szeroko rozumianym przemyle mona podzieli na nastpujce grupy: pierwsza grupa to materiały tanie, uywane na wielk skal, zwłaszcza w budownictwie; druga grupa materiały stosowane tam, gdzie istotn składow ceny wyrobu finalnego jest koszt jego wytworzenia (projekt i wykonanie); trzecia grupa materiały o wysoko zaawansowanej technologii wytworzenia, stosowane na elementy pracujce w szczególnie trudnych warunkach; ostatnia grupa to metale i kamienie szlachetne o specjalnych właciwociach. 17
Tablica 1-1. Orientacyjne ceny grup materiałowych [5] Materiał Zastosowanie Cena [$/t] Drewno, cement, stal konstrukcyjna Konstrukcje due i proste 60 550 Stopy metali i polimery w samochodach, Konstrukcje rednie i małe 550 5 500 samolotach, przyrzdach Stopy metali, materiały specjalne, nowoczesne Łopatki turbin 5 500 200 000 kompozyty Szafir, srebro, złoto, platyna Łoyska, styki elektryczne, 200 000 2 000 000 cieki w mikroukładach Diamenty przemysłowe Narzdzia tnce i polerujce 900 000 000 O cenie materiału decyduj koszty wydobycia surowców, transportu oraz przetworzenia ich na materiały inynierskie. Koszty te zale od dostpnoci zasobów uwarunkowanych ich lokalizacj (skupion lub rozproszon), wielkoci złó oraz energi potrzebn do ich wydobycia i przetworzenia. Zdecydowana wikszo materiałów pochodzi z surowców pozyskiwanych ze skorupy ziemskiej, wydobywanych w postaci rud (tab. 1-2), tylko niektóre z nich syntetyzuje si z substancji pozyskiwanych z oceanów (np. magnez z soli: MgCl 2 lub MgSO 4 ) i atmosfery. Z tabeli wynika, e takie materiały, jak aluminium i elazo oraz surowce potrzebne do wyrobu wikszoci ceramik i szkła, s wci szeroko dostpne. Bardziej dostpne, ni rudy wikszoci metali, s dwa główne składniki polimerów: wgiel i wodór. Oceny zasobów dokonuje si uwzgldniajc nie tylko złoa aktualnie dostpne, ale równie perspektywiczne, oraz te, które mog by dostpne dziki ulepszonej technologii wydobycia, wzrostu cen zbytu, usprawnienia transportu (rys. 1-6). Przewiduje si, e próg opłacalnoci ekonomicznej wydobycia kadego z surowców wyznaczany jest przez czas połowicznego wyczerpania jego zasobów. Po tym czasie naley liczy si z wyraniejszym wzrostem cen; obecny orientacyjny koszt wydobycia i wytworzenia przykładowych surowców i noników energii podano w tab. 1-3. Czas połowicznego wyczerpania np. ropy naftowej wynosi, wg obecnych szacunków, ok. 50 lat, cyny i cynku 50 80 lat, natomiast aluminium, elaza i surowców do wytwarzania ceramiki i szkła kilkaset lat. Wynika z tego, e problem dostpnoci do zasobów materiałowych jest obecnie mniej grony, ni kryzys dostpnoci do ródeł energii. 18
Opłacalne Złoa zidentyfikowane Złoa niezidentyfikowane Próg opłacalnoci wydobycia Złoa dostpne Ulepszona technologia wydobycia Złoa perspektywiczne Cało złó Malejca opłacalno Nieopłacalne Rosnca niepewno geologiczna Rys. 1-6. Ocena zasobów surowcowych [5] Tablica 1-2. Udział masowy podstawowych składników kuli ziemskiej wraz z atmosfer (w %); (całkowita masa skorupy ziemskiej do głbokoci 1 km: 2,5 10 18 t; masa oceanów 1 10 17 t; atmosfery 5 10 15 t) [5] Skorupa ziemska Oceany Atmosfera Tlen krzem aluminium elazo wap sód potas magnez 47 27 8 5 4 3 3 2 Tytan wodór fosfor mangan fluor siarka mied wgiel 0,4 0,1 0,1 0,1 0,06 0,03 0,02 0,02 Tlen wodór chlor sód magnez siarka wap potas brom wgiel 85 10 2 1 0,1 0,1 0,04 0,04 0,007 0,002 Azot tlen gazy szlachetne* CO 2 * Powietrze zawiera wiele gazów szlachetnych: Ar 0,93 %; Ne 0,0016 %; He 0,00046 %; Kr 0,000108 %; Xe 8 10-6 %. 75,5 23,1 1,3 0,05 19
Tablica 1-3. Przybliona energochłonno wydobycia i wytworzenia materiałów [5] Materiał Aluminium Tworzywa sztuczne Mied Cynk Stal Szkło Energochłonno [GJ/t] 300 100 100 500 70 50 20 Materiał Cement Cegła Drewno konstrukcyjne wir Ropa naftowa Wgiel Energochłonno [GJ/t] 8 4 2 0,1 44 29 Recykling. Aby materiały nie miały szkodliwego wpływu na rodowisko w fazie wytwarzania, przetwarzania i po zuyciu, ich obieg (rys. 1-7) musi by tak rozwizany, aby jak najwiksza cz odpadów podlegała nieszkodliwemu dla rodowiska składowaniu w skorupie ziemskiej (remineralizacja) lub była powtórnie przetwarzana (recykling). Proces hutniczy Surowiec Materiał Przetwórstwo Półwyrób Kształtowanie Ziemia Asymilacja geologiczna Powtórny przerób Element konstrukcyjny Łczenie, obróbka powierzchniowa Remineralizacja Produkt kocowy Odpa- Uycie zuycie Rys. 1-7. Obieg materiałów [6] 20
Odpady pierwotne s to niczym nie zanieczyszczone odpady surowcowe powstajce w procesach syntezy i przetwórstwa materiałów (np. wióry, elementy układów wlewowych, wypływki). W przypadku wszystkich grup materiałów s one na ogół na bieco wykorzystywane do wytwarzania nowych wyrobów. Jest to tzw. recykling materiałowy. Odpady wtórne, jako zuyte wyroby powstajce w cyklu konsumpcyjnym, (czci maszyn i urzdze, puszki, rónego rodzaju opakowania, zuyte czci samochodowe, itp.) s zanieczyszczone innymi materiałami i wystpuj w postaci rozproszonej. Udział procentowy rónych materiałów w globalnej iloci odpadów wtórnych pokazano na rys. 1-8. Wtórne wykorzystanie tych odpadów jest jak dotd, niestety, niewielkie i zaley od rodzaju materiału i rodzaju jego zanieczyszczenia. Recyklingowi materiałowemu poddaje si przede wszystkim odpady metalowe, szklane i czyste odpady tradycyjnych termoplastów, takich jak: PE, PP, PS, PET- poli(tereftalan etylenu). Niektóre rodzaje odpadów, np. poliuretanowych lub PET, mona poddawa recyklingowi surowcowemu. Recykling surowcowy polega na degradacji makroczsteczek metodami chemicznymi na frakcje o mniejszej masie czsteczkowej, które mog by ponownie uyte jako monomery lub surowce do wytwarzania innych lub takich samych produktów chemicznych. Inne (popioły, tekstylia itp.) Szkło 9% Metale 4% Papier 25% Produkty organiczne 35% Tworzywa sztuczne 8% Rys. 1-8. Udział podstawowych grup materiałów w globalnej iloci odpadów w Europie (dane z 1996), %wag. [7] Dla odpadów zanieczyszczonych, w tym równie materiałów kompozytowych jedyn nadziej ich ponownego wykorzystania jest recykling termiczny tj. spalanie odpadów z odzyskaniem zawartej w nim energii. Na rys. 1-9 przedstawiono proporcje rónych sposobów zagospodarowania odpadów z tworzyw sztucznych w Europie Zachodniej. 21
25% 15% 50% 10% Recykling materiałowy Recykling surowcowy Recykling termiczny Składowanie odpadów Rys. 1-9. Zagospodarowanie odpadów tworzyw sztucznych w Europie Zachodniej (dane z 2000 roku)[8] Zwraca uwag mała ilo odpadów składowanych na wysypiskach. W Polsce na wysypiska trafia jeszcze około 80% odpadów tworzyw sztucznych. Dodatkowym problemem recyklingu materiałów jest zbieranie i sortowanie odpadów wtórnych, których koszt, zwłaszcza w przypadku butelek i folii opakowaniowej oraz artykułów gospodarstwa domowego z materiałów polimerowych, jest niejednokrotnie wikszy od wartoci odpadów. Dlatego zalecane jest: wprowadzenie do ceny wyrobu kosztu składowania lub utylizacji odpadów, co korzystnie wpływa na ekonomik i efektywno recyklingu, podraa jednak sam wyrób (w niektórych krajach koszt ten jest ujty w postaci tzw. podatku ekologicznego), konstruowanie wyrobów tak, aby łatwe było rozrónianie materiałów, odpowiednie znakowanie, jakie stosuje si czasami w przypadku polimerów; ich rozdzielanie i usuwanie zanieczyszcze ju na etapie zbierania (a wic u ródła, u uytkownika wyrobu). wdraanie droszych technologii zmniejszajcych ilo odpadów, umoliwiajcych wielokrotne wykorzystanie wyrobu lub materiału, co w konsekwencji jest tasze od zbierania, transportowania, przechowywania i sporadycznego unieszkodliwiania odpadów. 1.5. Istota inynierii materiałowej Nauka o materiałach. Wytwarzanie elementów o odpowiednim kształcie i właciwociach zapewniajcych prawidłowe jego funkcjonowanie w załoonym okresie eksploatacji, wymaga znajomoci zalenoci midzy struktur materiału, procesem jego wytwarzania i przetwarzania oraz oczekiwanymi kocowymi właciwociami. Okrelaniem tych wzajemnych powiza (rys. 1-10) zajmuje si nauka o materiałach. Inynieria materiałowa jest dyscyplin nierozdzieln z nauk o materiałach. Dlatego termin inynieria materiałowa jest czsto stosowany w znaczeniu: nauka o materiałach. Podejcie inynierii materiałowej do materiału tym róni si od nauki o materiałach, e jej celem jest nie tylko zrozumienie natury materiału, ale take dostosowanie go do spełniania okrelo- 22
nych funkcji. Jest zatem widziana jako nonik informacji bdcych podstaw szeroko rozumianych procesów decyzyjnych w zarzdzaniu produkcj przemysłow. Jej główne zadania to: opracowywanie nowych lub udoskonalanie dotychczas stosowanych materiałów; opracowywanie charakterystyk struktury i właciwoci materiałów; przewidywanie i wykorzystywanie wpływu technologii, na struktur i właciwoci materiału; przewidywanie zachowania si materiału w czasie jego pracy w warunkach eksploatacyjnych; badanie przydatnoci materiału do zastosowania w rónych warunkach eksploatacyjnych, z uwzgldnieniem uwarunkowa technicznych, ekonomicznych, ekologicznych i innych; dobór materiałów i stosownych procesów technologicznych kształtujcych ich struktur i właciwoci. Skład chemiczny materiału Technologia Struktura materiału Właciwoci i funkcje uyteczne materiałów Stan powierzchni materiału i wykonanego elementu Rys. 1-10. Zalenoci midzy czynnikami majcymi wpływ na właciwoci materiału Realizacja tych zada wymaga analizy wielostronnych wzajemnych zalenoci istniejcych midzy technologi, struktur, właciwociami oraz zespołami cech charakteryzujcych zachowanie si (osigi) materiałów (rys. 1-11). 23
Zachowanie Technologia Właciwoci Rys. 1-11. Współzalenoci midzy technologi, struktur, właciwociami i zachowaniem si materiału [9] Struktura Dziki objciu swoim zakresem tych wielostronnych powiza nauka o materiałach i inynieria materiałowa tworz wspólnie pole, w którym trudno jest ustali lini rozgraniczajc. Metody inynierii materiałowej, projektowania czy doboru materiału na okrelone zastosowania, oparte s na: projektowaniu konstrukcji z oszczdnym wykorzystaniem materiałów, zwłaszcza tych trudno dostpnych (koszty) i wyczerpujcych si (zasoby), przy minimalizacji ich energochłonnoci (koszty, ekologia); stosowaniu zamienników łatwiej dostpnych i o duej rezerwie czasu połowicznego wyczerpania si zasobów surowcowych oraz o mniejszej energochłonnoci, w miejsce materiałów trudno dostpnych i których zasoby s aktualnie znacznie wyczerpane; pełnym wykorzystaniu energooszczdnego recyklingu w celu ponownego wykorzystywania i w miar pełnego odzysku materiałów we wszystkich moliwych i ekonomicznie uzasadnionych przypadkach. Podsumowujc mona powiedzie, e nauka o materiałach i inynieria materiałowa rozwijaj i wykorzystuj wiedz dotyczc składu chemicznego, struktury, syntezy i przetwarzania materiałów tak, aby w sposób ekonomiczny uzyskiwały one wymagane właciwoci oraz aby wykazywały si podanym funkcjonowaniem podczas eksploatacji. 24