Materiały konstrukcyjne, czyli tworzywa o określonej postaci stanowią surowiec, z którego powstają różne dobra. Zatem nie są istotne tylko dla rzemieślników artystycznych, ale także dla większości zawodów produkcyjnych, czy usługowych. Dlatego warto poznać ich rodzaje.
Wprowadzenie
Bez materiałów żaden wytwórca nie mógłby kreować fizycznych dzieł, co jest niezaprzeczalnym faktem. Cała ludzka cywilizacja mogła rozwijać się przez tysiąclecia ze względu na obfitość różnych materiałów występujących na Ziemi lub pochodzących z jej sąsiedztwa (materiał dostarczany przez meteoryty). Już w pierwszej epoce bytności człowieka (epoka kamienia) zaczęto używać naturalnych materiałów, takich jak np. kamień, drewno, glina, skóry oraz kości. Materiały te zaczęto ze sobą łączyć i wytwarzać coraz bardziej zaawansowane przedmioty. Z czasem odkryto technologię wytapiania miedzi potem poznano produkcję stopów żelaza. Ludzie technologicznie ewoluowali po rozpoczęciu tworzenia nowych, nieznanych naturze surowców. Zrozumiano, że każdy materiał składa się z pierwiastków, które tworzą struktury zapewniające różne właściwości danego tworzywa.
Mimo wciąż odkrywanych cudów materiałowych pochodzących z przeszłości, to niezaprzeczalnie od XX wieku ludzkość wykonała „tytaniczną pracę” w celu stworzenia nowych surowców. To tak naprawdę w minionym wieku powołano do życia (a może raczej usystematyzowano) interdyscyplinarną dziedzinę nauki – inżynierię materiałową (materiałoznawstwo). Stanowi obecnie (albo powinna) podstawowy przedmiot na wszystkich studiach technicznych. Nic dziwnego skoro wiedza, jaką przekazuje jest bazą do projektowania, obróbki, eksploatacji, a nawet recyklingu wszystkich namacalnych wytworów ludzkich rąk lub maszyn.
Podział materiałów konstrukcyjnych
Teoretycznie przed przedstawieniem i opisaniem rodzajów materiałów konstrukcyjnych powinienem zapoznać Cię z teoriami dotyczącymi materii, cząstek elementarnych, kwarków itp. Jednak pozwolę sobie pominąć te zagadnienia. Wiedza ta w procesach wykonawstwa artystycznego jest zbędna. Meritum, jakie musisz z niej wyciągnąć można przedstawić w jednym zdaniu:
Rodzaj materiału konstrukcyjnego zależy od jego składu chemicznego i struktury, które bezpośrednio wpływają właściwości
Materiały konstrukcyjne dzieli się wstępnie na dwie grupy: materiały naturalne, materiały inżynierskie. Te pierwsze, jak sama nazwa wskazuje, są pochodzenia naturalnego. Czyli w formie „gotowej” występują na Ziemi, a ich użycie wiąże się jedynie z niewielkim przygotowaniem (np. oczyszczeniem) i uformowaniem w celu otrzymanego kształtu. Są to m.in. minerały, drewno, skały, skóry i kości. Natomiast materiały inżynierskie wymagają już złożonych procesów opracowanych przez człowieka, ze względu na to, iż nie występują naturalnie w formie nadającej się do wytwarzania dóbr. W tym przypadku rozróżnia się takie rodzaje materiałów jak: metale i ich stopy, polimery, ceramikę, kompozyty.
Rys.1. Uproszczony podział materiałów konstrukcyjnych
Powyższy schemat jest najbardziej ogólnym przedstawieniem podziału materiałów konstrukcyjnych. Niestety często na tym podstawowym podziale kończy się omawianie rodzajów materiałów. Ja jednak pokuszę się o rozbudowanie tego standardowego zapisu – w końcu mamy już dawno XXI wiek i badania z zakresu wytwarzania nowych materiałów trwają w najlepsze.
Czy wiesz , że...
Materiały inżynierskie były używane przez ludzi już w zamierzchłych czasach. Kompozyty często nazywane przez różne media „nowoczesnymi materiałami”, były już stosowane ponad 5000 lat p.n.e. Natomiast kleje polimerowe na bazie materiałów naturalnych, były używane jeszcze przed 1000 rokiem n.e.
Rozszerzenie zacznę od form, które są pośrednie między wskazanymi wcześniej materiałami inżynierskimi, czyli:
- Szkła metalicznego;
- Półprzewodników i nadprzewodników;
- Grafitu i grafenu.
I to wciąż nie wszystko. Nowe dokonania w dziedzinie materiałów na przełomie XX/XXI wieku wprowadziły w nasze życie nanomateriały (choć te były poniekąd znane niektórym rzemieślnikom już w starożytności) oraz biomateriały.
Rys.2. Rozbudowany podział materiałów konstrukcyjnych
Czy wiesz , że...
Rzymscy rzemieślnicy, którzy stworzyli wykonali kielich Likurga, który zmienia kolor w różnych warunkach oświetlenia. Efekt ten jest zasługą osadzenia nanocząsteczek złota i srebra na szkło. Po nałożeniu kilkudziesięciu warstw nanocząstek kolor różni się w zależności od kąta obserwacji i kierunku padającego światła. Badawcze wskazują, iż do zmiany koloru dochodziło także w zależności od wlewanego napoju.
Jak widać na rysunku 2, podstawowe rozróżnienie materiałów wciąż serwowane w większości podręczników jest nieco przestarzałe. Zwróć także uwagę na powiązania, jakie mogą wystąpić między materiałami naturalnymi i inżynierskimi. Chociażby dobrze nam znane płyty mdf, czy sklejka to tak naprawdę kompozyty, które składają się często z polimerów i drewna. Zastosowanie wskazanych materiałów konstrukcyjnych jest bardzo szerokie pod względem branż i trudno czasami wskazać, że dana grupa materiałowa nie ma w ogóle zastosowania w danej dziedzinie. Można natomiast wskazać, które z nich są najczęściej stosowane w konkretnej gałęzi przemysłu – więcej w poniższej tabelce.
Tab.1. Zastosowanie różnych rodzajów materiałów konstrukcyjnych w gałęziach przemysłu
Właściwości materiałów konstrukcyjnych
Jednak, gdzie tu jest przydatna dla Ciebie (twórcy) wiedza przekładająca się na praktykę? Już do tego dochodzę. Dotychczasowe informacje, które przedstawiłem wskazują jednoznacznie, iż można wyodrębnić grupy materiałowe, które będą cechować się charakterystycznym dla nich zakresem właściwości. Istotne, podstawowe cechy (w tym dla wytwórstwa artystycznego) przykładowych rodzajów materiałów konstrukcyjnych prezentuję Ci w poniższej tabeli.
Tab.2. Charakterystyczne cechy przykładowych grup materiałów konstrukcyjnych
Wskazałem różne właściwości materiałów, które mogą mieć znaczenie przy wyborze na budulec jakiegoś dzieła. Jednakże, by mieć pełny obraz przeznaczenia każdego materiału, często dąży się do poznania wszystkich jego istotnych cech. Przygotowanie listy wartości odpowiednich właściwości dla surowców, z których się korzysta ma istotne znaczenie dla planowania procesu wytwarzania dzieła. Twórca nie tylko będzie wiedział, czy dany materiał podoła warunkom, na jakie będzie narażony, ale także będzie mógł zaplanować jego dodatkowe cechy funkcjonalne. By to zobrazować, za przykład posłuży mi artystyczna, parkowa ławeczka. Z założenia po 4 latach w parku nie może cechować się bardzo widocznymi śladami oddziaływania zmiennych warunków atmosferycznych. Natomiast jej dopuszczalne granice wytrzymałości (np. masa jaką może udźwignąć) w ogóle nie powinny się zmienić.
Rys.3. Przykład artystycznej ławki po wieloletniej eksploatacji
Co jednak mieści się na liście tych istotnych cech materiałów? Wielu projektantów, technologów wskazuje różne właściwości (najistotniejsze z punktu widzenia danej branży). W poniższej tabeli zebrałem te, które najczęściej się powtarzają i są wskazywane przez rzemieślników.
Tab.3. Najczęściej wskazywane cechy materiałów, które uznaje si za istotne w rzemiośle
Cały czas piszę o rodzajach materiałów konstrukcyjnych, ich właściwościach oraz zastosowaniu. Jak jednak wybierać je pod względem wytworzenia jakiejś konstrukcji lub przedmiotu? Warto porównać je ze sobą w kontekście istotnych cech. Zaprezentuję to na przykładzie stosunku właściwości takich jak np.:
- Wytrzymałości do pracy materiałów w wysokich temperaturach;
- Gęstości do ogólnej wytrzymałości materiału.
Rys.4. Stosunek wytrzymałości do zakresu temperatur pracy różnych materiałów konstrukcyjnych
Rys.5. Stosunek gęstości do ogólnej wytrzymałości różnych materiałów konstrukcyjnych
W pierwszym przypadku widać, iż prym wiedzie ceramika i metale wraz z ich stopami. Zatem nic dziwnego, że na budowę np. paleniska kowalskiego wykorzystamy surowce pochodzące właśnie z tych grup materiałów. Drugi przypadek (ważny w branży lotniczej i samochodowej) wskazuje, że najlepszym stosunkiem gęstości do wytrzymałości cechują się kompozyty inżynierskie. Są to kompozyty złożone z materiałów inżynierskich (metali, polimerów i ceramiki). Naturalnie podobnych zestawień może być wiele. Może to być stosunek ceny do wytrzymałości lub twardości do gęstości. Wszystko jest zależne od przeznaczenia danego surowca.
Dobre rady na zakończenie
Tym artykułem chcę zwrócić Twoją uwagę na to, jak istotna jest wiedza dotycząca materiałów. Ma to szczególne znaczenie dla osób, które chcą tworzyć fizyczne dobra. Stratą energii, czasu i samego materiału będzie próba tworzenia dzieła z niewłaściwych komponentów. Ich wybór powinien uwzględniać przeznaczenie, warunki eksploatacyjne, a także możliwości wykonawcze, jakimi dysponuje twórca. Warto w przypadku pracy z konkretnymi materiałami przy produkcji wybranych dóbr stworzyć listę wymaganych cech surowca. Za przykład może posłużyć lista warunków, jakie muszą spełniać materiały inżynierskie, przeznaczone na wykonywanie narzędzi obróbkowych (np. dłut, wyoblaków, noży):
- Materiał powinien być stabilny chemicznie, mechanicznie lub cieplnie w warunkach, jakie będą występowały podczas jego eksploatacji (używania);
- Naprężenia, jakie powstają podczas kontaktu narzędzia z przedmiotem obrabianym nie powinny przekroczyć granicy sprężystości materiału (czyli siła występująca podczas obróbki powinna być mniejsza od wartości, którą jest w stanie znieść materiał bez trwałych zmian swego kształtu);
- W przypadku sytuacji, w których dochodzi do procesu ścierania, twardość materiału na narzędzie powinna być wyższa niż czynnika ścierającego;
- W przypadku środowiska korozyjnego lub chemicznie degradującego materiał na narzędzie powinien być całkowicie odporny na związki występujące tym środowisku.
Szeroko poznane właściwości materiałów konstrukcyjnych są wyznacznikiem ich zastosowania (tabelka 1), co rzutuje na postacie, w jakich są produkowane. Czyli ze względu na to, że np. grafit nie jest materiałem odlewniczym, nie nabędziemy go w postaci wlewka. Więcej przykładów znajdziesz w poniższej tabelce.
Tab.4. Postacie dostarczenia dla przykładowych materiałów konstrukcyjnych
Informacje, które Ci przedstawiłem dotyczą uniwersalnego rozróżnienia rodzajów materiałów konstrukcyjnych. Zatem wiedzę tą możesz stosować w kontakcie ze wszystkimi gałęziami przemysłu i branżami, niezależnie od kraju. Wiedz jednak, że zapoznanie Cię z podziałem materiałów oraz pobieżna charakterystyka, niektórych z nich nie kończy ciągu informacyjnego dotyczącego surowców wytwórczych. . To dopiero początek poznawania tej dziedziny na stronie „Tech for art”.
Do stworzenia tego artykułu skorzystano z:
- L. A. Dobrzeński: „Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo”, Wydawnictwo WNT, Warszawa 2002
- Martin: „Materials for engineering”, Woodhead Publishing Limited, Cambridge 2006
- J. Skrzypek, K. Przybyłowicz: „Inżynieria metali i technologie materiałowe”, Wydawnictwo WNT, Warszawa 2019
Mała zagadka dla czytelników:
Do jakiej grupy materiałów konstrukcyjnych przypiszemy złoto rodzime, papier oraz diament?