Podstawowe grupy materiałów Materiałami
w pojęciu technicznym nazywane są ciała stałe o własnościach umożliwiających ich stosowanie przez człowieka do wytwarzania produktów.Najogólniej wśród materiałów o znaczeniu technicznym można wyróżnić: materiały naturalne, wymagające jedynie nadania kształtu, do technicznego zastosowania, materiały inżynierskie nie występujące w naturze lecz wymagające zastosowania założonych procesów wytwórczych do ich przystosowania do potrzeb technicznych po wykorzystaniu surowców dostępnych w naturze. Przykładami materiałów naturalnych są drewno, niektóre kamienie, skały i minerały. Do podstawowych grup materiałów inżynierskich tradycyjnie są zaliczane: metale i ich stopy, polimery, materiały ceramiczne. Podstawą podanej klasyfikacji jest istota wiązań między atomami tworzącymi dany materiał, utrzymując je w skoordynowanych układach i determinujących podstawowe właściwości materiałów. Ponadto można wymienić materiały kompozytowe, tworzone przez połączenie dowolnych dwóch z wymienionych materiałów inżynierskich w monolityczną całość, co zapewnia uzyskanie innych własności od właściwych dla każdego z materiałów składowych.
Znaczenie materiałów w procesach wytwarzania produktów
Proces tworzenia surowców materiałowych w produkt zwany jest wytwarzaniem. Wytwarzanie polega na wykonaniu produktów z surowców materiałowych w różnych procesach, przy użyciu różnych maszyn i w operacjach zorganizowanych zgodnie z dobrze opracowanym planem. Proces wytwarzania polega zatem na właściwym wykorzystaniu zasobów: materiałów, energii, kapitału i ludzi. Współcześnie wytwarzanie jest kompleksowym działaniem, łączącym ludzi, którzy wykonują różne zawody i zajęcia, przy użyciu różnych maszyn, wyposażenia i narzędzi, w różnych stopniu zautomatyzowanym, włączając komputery i roboty. Aspekt techniczny tego działania dotyczy zaprojektowania produktu zaspokajającego ludzkie potrzeby, dobranie nań materiałów wymaganych własnościach fizyko-chemicznych i technologicznych, gwarantującego oczekiwaną trwałość produktu lub jego elementów oraz opracowaniu procesu technologicznego umożliwiającego nadanie wymaganych cech geometrycznych i własności poszczególnym elementom produktu, a także ich prawidłowe współdziałanie po zmontowaniu, przy uwzględnieniu wielkości produkcji, poziomu automatyzacji komputerowego wspomagania, jak również przy zapewnieniu najmniejszych możliwych kosztów tego produktu.
Przykłady zastosowania materiałów w nowoczesnych produktach
Nowoczesne produkty nie mogły być częstokroć zaprojektowane i wytworzone bez użycia wielu materiałów, jak również nie mogły bez nich działać w warunkach eksploatacji przewidzianych dla nich oraz przy wymaganym bardzo wysokim poziomie niezawodności. Zdawać sobie należy jednak sprawę, że współczesny produkt złożony jest z bardzo wielu elementów, wykonanych z bardzo różnych materiałów. Np. samochód składa się z około 15000 elementów, a samolot z ponad 4000000 elementów. Do wytworzenia turbośmigłowego silnika odrzutowego samolotu są stosowane głównie metale nieżelazne i ich stopy w tym: tytan 38% niklu37% chromu12% kobaltu6% aluminium5% niobu1% tantalu0,02% nowoczesne materiału stosowane jako zmienniki materiałów tradycyjnych W miarę opracowania i wdrażania nowoczesnych materiałów, stają się one także zmiennikami tych, które stosowano dotychczas. Przykładowo materiały wynalezione i wprowadzone z myślą o technice kosmicznej lub lotniczej bardzo często są wykorzystywane w innych dziedzinach w tym w sporcie. W śród wielu powodów takiego działania wymienić można uproszczenie cech konstrukcyjnych, zwiększenie trwałości i niezawodności, ułatwienie montażu i technologii, a także zmniejszenie kosztów materiałowych, wytwarzania i eksploatacji.
Dostępność surowców i wytwarzanych z nich materiałów
zdecydowana większość materiałów inżynierskich pochodzi z surowców pozyskiwanych ze skorupy ziemskiej, wydobywanych w kopalniach w postaci rud i następnie wzbogacanych w celu umożliwienia ich ekstrakcji lub syntezy. Nieliczne materiały inżynierskie syntezuje się z surowców pozyskiwanych z atmosfery lub oceanów. Dostępność zasobów surowcowych zależna jest od ich wielkości lokalizacji oraz energii potrzebnej do ich pozyskania i przetworzenia. Całość zasobów obejmuje przy tym również zasoby, które mogą być udostępnione w przyszłości, w wyniku postępu prac geologicznych, zwiększenie cen zbytu surowców oraz zmodyfikowania technologii ich pozyskiwania i przetwarzania, a także usprawnienia transportu. Przewiduje się, że próg opłacalności ekonomicznej stosowania każdego z surowców wyznaczany jest przez czas połowicznego wyczerpania się jego zasobów. Po tym czasie przewidywany jest gwałtowny wzrost cen danego surowca, co poważnie utrudni zaopatrzenie się w ten surowiec. Szacuje się, że do osiągnięcia czasu połowicznego wyczerpania np. ropy pozostaje tylko ok. 20 lat, gdy w przypadku cynku, cyny, ołowiu, rtęci od 50 do 80 lat, natomiast do osiągnięcia czasu połowicznego wyczerpania aluminium, żelaza oraz większości surowców stosowanych do wytwarzania ceramiki i szkła upłynie jeszcze kilkaset lat.
Konieczność ekonomicznego stosowania materiałów Istniejąca sytuacja oraz prognozowanie na przyszłość stale wymagają od inżynierów skoordynowanych działań w celu oszczędzania dostępnych surowców, polegających na: -projektowaniu z oszczędnym wykorzystaniu materiałów zwłaszcza trudno dostępnych i wyczerpujących się, przy minimalizacji ich energochłonności -stosowaniu zamienników łatwiej dostępnych i o dużej rezerwie czasu połowicznego wyczerpania się zasobów surowcowych oraz o mniej energochłonności, w miejsce trudno dostępnych i wyczerpujących się. -pełnym wykorzystaniu energooszczędnego recyklingu w celu ponownego wykorzystywania i pełnego odzysku materiałów, we wszystkich możliwych i ekonomicznie uzasadnionych przypadkach.
Koszty właściwe podstawowych grup materiałów technicznych
Widoczne jest, że koszt różnych materiałów mogą różnić się od siebie nawet o 6 rzędów wielkości, tzn. milionkrotnie. Najtańsze są paliwa i materiały budowlany, chociaż ceny tych ostatnich mogą być zróżnicowane między sobą ponad 10-krotnie. Znacznie większe koszty, lecz porównywalne między sobą i zróżnicowane w każdej z grup nawet 100-krotnie, wykazują stopy metali polimery, materiały ceramiczne i szkło oraz materiały kompozytowe. Materiały specjalne, w tym cermetale narzędziowe, metale szlachetne i diament, mogą osiągać koszt 1 kg materiałów od 10do2 do 10do5 razy większy niż półwyroby hutnicze ze stali niestopowej lub niskostopowej.
Udział kosztów materiałowych w kosztach właściwych różnych grup produktów
Czynnik kosztów materiałowych musi być oczywiście znacząco uwzględniany przy doborze materiału na różne produkty. Ważącą role tego czynnika występuje jednak głównie w przypadkach, gdy koszty materiałowe stanowią znaczący udział w ogólnej wartości rynkowej produktu. W przeciwnym razie, gdy udział kosztów materiałów w ogólnej wartości rynkowej jest nieznaczny, a przeważający udział kosztów materiałów w ogólnej wartości rynkowej jest nieznaczny, a przeważający udział stanowią koszty wytwarzania, projektowania i inne, porównywać można koszty 1 kg różnych produktów. Warto jednak zauważyć, że tak pojmowany koszt 1 kg różnych produktów może być zróżnicowany około milionokrotnie, tj. o 6 rzędów wielkości. Najniższy wskaźnik występuje w budownictwie, wyższy w opakowaniach, a jeszcze wyższy w przypadku produktów przemysłu stoczniowego, chociaż z pewnością szokuje, że koszt 1 kg folii aluminiowej jest porównywalny z analogicznym kosztem promu morskiego lub samochodu małolitrażowego które są ponad 10-krotnie większe od właściwych kosztów ekskluzywnego nawet domu jednorodzinnego