Kovové materiály zohrávali v histórii dôležitú úlohu a sú kľúčovou oblasťou výskumu so širokou škálou aplikácií v modernom inžinierstve.
Na Katedre materiálových vied a inžinierstva rozdeľujeme materiály do troch oblastí: kovy, polyméry a keramika. Kovy sú reprezentované materiálmi ako zlato, striebro a železo; polyméry sú plastové materiály, ktoré sa bežne vyskytujú okolo nás; a keramiku reprezentujú materiály ako keramika a sklo. Katedra materiálových vied a inžinierstva sa zaoberá štúdiom fyzikálnych a chemických vlastností týchto materiálov a ich aplikácií v reálnom inžinierstve. Z týchto troch tried materiálov sú kovy moje najobľúbenejšie. Kovy ľudia používajú už od najstarších čias a existuje veľa výskumných príkladov, čo uľahčuje logický prístup k inžinierskym problémom na ich základe. Okrem toho majú kovy vďaka svojim štrukturálnym vlastnostiam širokú škálu fyzikálnych vlastností, ktoré je možné prispôsobiť pre rôzne aplikácie.
Kovy tiež zohrávali dôležitú úlohu v celej histórii. Napríklad príchod doby železnej znamenal zásadný posun v ľudskej civilizácii a v modernej dobe sú zliatiny ako oceľ a hliník dôležitými materiálmi vo všetkých odvetviach. Najmä železo sa vďaka svojej pevnosti a odolnosti stalo nevyhnutným materiálom v stavebníctve, automobilovom a leteckom priemysle. Pochopenie vlastností týchto kovov vám môže pomôcť pri riešení inžinierskych problémov.
Pozrime sa na príklad kovových materiálov. Jednou z obľúbených scén v historických drámach je scéna kováča, napoly odetého v rúchu, ktorý kladivom kuje do bloku železa. Kováč vytiahne železo z ohňa, kladivom ho sploští, vráti ho späť do ohňa, vytiahne ho a znova doň udrie, aby vytvoril tvrdší meč. Všetci sme to videli v televízii od detstva a hoci si myslíme, že „kladivom oceľ sa stvrdne“, len málokto z nás vie prečo. Skrýva sa za tým jednoduchý princíp materiálovej vedy.
Ak sa pozriete na kovové materiály, ako je železo alebo zlato, pod mikroskopom, uvidíte, že atómy, ktoré tvoria kov, sú usporiadané v šachovnicovom vzore. Atómy však nie sú vždy rovnomerne rozmiestnené od konca k koncu a môžete zistiť, že rad atómov kovu nie je tam, kde by mal byť, alebo je na nesprávnom mieste medzi ostatnými atómami kovu. V materiálovej vede sa to nazýva dislokácia a väčšina mechanických vlastností kovových materiálov je riadená touto dislokáciou. Predstavte si pľuzgier na spodnej časti chodidla: keď naň stlačíte, vzduchové bubliny vo vnútri sa vytlačia von, čo spôsobí, že pľuzgier stláča. Ak stlačíte na inú časť pľuzgiera, bubliny sa opäť pohnú, čo spôsobí, že sa stlačí iným smerom. To isté sa deje s kovom. Keď na kov pôsobí sila zvonku, dislokácie sa pohybujú vo vnútri kovu, čo spôsobuje jeho ľahkú deformáciu. Kľúčom k stvrdnutiu kovu je zabrániť voľnému pohybu týchto dislokácií vo vnútri. Jedným zo spôsobov, ako to dosiahnuť, je kováčsky úder kladivom do železa. Kovovým kladivom sa dislokácie roztrúsené po celom železe postupne pohybujú a spájajú. A akonáhle sú dislokácie, ktoré sú spôsobené prepleteným usporiadaním atómov kovu, na jednom mieste, opäť sa prepletú a už sa nemôžu pohybovať. Navyše, keď sa železo vloží do ohňa, atómy kovu okolo dislokácií sú teplom nabité energiou, nájdu prázdne priestory a pevne ich vyplnia. Kováč tento proces opakuje znova a znova, kým sa z kaleného železa nevytvorí pevný meč.
Pochopenie kovových materiálov môže začať s jednoduchými princípmi, ako sú tieto. S niekoľkými takýmito konceptmi je ľahké pochopiť základné vlastnosti kovov. Kovy sa študujú dlhšie ako iné materiály, pretože sa s nimi relatívne ľahko manipuluje odkedy ľudia začali používať oheň. Sú tiež univerzálne vo svojom mechanickom správaní, vďaka čomu sa k nim ľahko pristupuje so zdravým rozumom. Preto môže byť pochopenie kovových materiálov dobrým cvičením na riešenie inžinierskych problémov pre každého, kto chce pochopiť princípy rôznych inžinierskych disciplín, nielen materiálov.
Na záver sa pozrime na najnovšie výskumné trendy v oblasti kovových materiálov. S pokrokom nanotechnológie prebieha množstvo výskumov zameraných na manipuláciu s nanoštruktúrou kovov s cieľom vyvinúť nové materiály s lepšími vlastnosťami. Napríklad kovové zliatiny, ktoré využívajú nanočastice, môžu byť pevnejšie a ľahšie ako tradičné kovy. Výskumníci tiež pracujú na aplikácii nano-povlakov na kovové povrchy, aby sa maximalizovala odolnosť a tepelná odolnosť. Tieto štúdie ďalej rozšíria rozsah použitia kovových materiálov a otvoria nové možnosti pre budúce inžinierske aplikácie.
Záverom možno povedať, že kovové materiály sú jednou z hlavných oblastí výskumu Katedry materiálových vied a inžinierstva a ich význam a aplikačný potenciál sú obrovské. Pochopením základných princípov kovových materiálov a vykonávaním výskumu na ich základe budeme schopní nájsť inovatívnejšie inžinierske riešenia.
