Kovinski materiali so skozi zgodovino igrali pomembno vlogo in so ključno področje raziskav s široko paleto aplikacij v sodobnem inženirstvu.
Na Oddelku za znanost in inženirstvo materialov materiale razvrščamo v tri področja: kovine, polimere in keramiko. Kovine predstavljajo materiali, kot so zlato, srebro in železo; polimeri so plastični materiali, ki jih pogosto najdemo okoli nas; keramiko pa predstavljajo materiali, kot sta keramika in steklo. Oddelek za znanost in inženirstvo materialov se ukvarja s preučevanjem fizikalnih in kemijskih lastnosti teh materialov ter njihove uporabe v resničnem inženirstvu. Od teh treh razredov materialov so mi najljubše kovine. Kovine ljudje uporabljajo že od nekdaj in obstaja veliko raziskovalnih primerov, kar omogoča logičen pristop k inženirskim problemom na njihovi podlagi. Poleg tega imajo kovine zaradi svojih strukturnih značilnosti širok spekter fizikalnih lastnosti, ki jih je mogoče prilagoditi različnim aplikacijam.
Tudi kovine so skozi zgodovino igrale pomembno vlogo. Na primer, začetek železne dobe je zaznamoval velik premik v človeški civilizaciji, v sodobni dobi pa so zlitine, kot sta jeklo in aluminij, pomembni materiali v vseh panogah. Zlasti železo je zaradi svoje trdnosti in vzdržljivosti postalo bistven material v gradbeništvu, avtomobilizmu in letalstvu. Razumevanje lastnosti teh kovin vam lahko pomaga pri reševanju inženirskih problemov.
Oglejmo si primer kovinskih materialov. Eden najljubših prizorov v zgodovinskih dramah je prizor kovača, napol oblečenega v haljo, ki s kladivom tolče po železnem bloku. Kovač izvleče železo iz ognja, ga s kladivom splošči, ga nato vrne v ogenj, ga izvleče in ponovno udari, da ustvari trši meč. Vsi smo to videli na televiziji že od otroštva, in čeprav mislimo, da »s kladivom jeklo postane trše«, le malo nas zares ve, zakaj. Za tem stoji preprosto načelo znanosti o materialih.
Če pogledate kovinske materiale, kot sta železo ali zlato, pod mikroskopom, boste videli, da so atomi, ki sestavljajo kovino, razporejeni v vzorcu, podobnem šahovnici. Vendar atomi niso vedno enakomerno razporejeni od enega do drugega konca in lahko ugotovite, da vrsta kovinskih atomov ni tam, kjer bi morala biti, ali pa je na napačnem mestu med drugimi kovinskimi atomi. V znanosti o materialih se to imenuje dislokacija in večina mehanskih lastnosti kovinskih materialov je odvisna od te dislokacije. Predstavljajte si mehur na spodnji strani stopala: ko pritisnete nanj, se zračni mehurčki v notranjosti potisnejo ven, zaradi česar se mehur stisne. Če pritisnete na drug del mehurja, se mehurčki ponovno premaknejo, zaradi česar se stisne v drugo smer. Enako se zgodi s kovino. Ko na kovino deluje sila od zunaj, se dislokacije premikajo znotraj kovine, zaradi česar se zlahka deformira. Ključ do trde kovine je preprečiti, da bi se te dislokacije prosto gibale znotraj. Kovaško dejanje udarjanja s kladivom po železu je eden od načinov za dosego tega. Z udarjanjem po železu se dislokacije, ki so raztresene po železu, postopoma premikajo in združujejo. Ko so dislokacije, ki jih povzroča prepletena razporeditev kovinskih atomov, na enem mestu, se ponovno prepletejo in se ne morejo več premikati. Poleg tega, ko železo postavimo v ogenj, se kovinski atomi okoli dislokacij zaradi toplote napolnijo z energijo in najdejo prazne prostore ter jih tesno zapolnijo. Kovač ta postopek ponavlja znova in znova, dokler iz kaljenega železa ne nastane trden meč.
Razumevanje kovinskih materialov se lahko začne s preprostimi načeli, kot so ta. Z nekaj takimi koncepti je enostavno razumeti osnovne lastnosti kovin. Kovine se preučujejo že dlje kot drugi materiali, ker jih je relativno enostavno obdelovati, odkar so ljudje začeli uporabljati ogenj. Prav tako so univerzalne v svojem mehanskem vedenju, zaradi česar jih je enostavno obravnavati z zdravo pametjo. Zato je lahko razumevanje kovinskih materialov dobra vaja za reševanje inženirskih problemov za vsakogar, ki želi razumeti načela različnih inženirskih disciplin, ne le materialov.
Na koncu si poglejmo še najnovejše raziskovalne trende na področju kovinskih materialov. Z napredkom nanotehnologije poteka veliko raziskav za manipulacijo nanostrukture kovin za razvoj novih materialov z boljšimi lastnostmi. Na primer, kovinske zlitine, ki uporabljajo nanodelce, so lahko močnejše in lažje od tradicionalnih kovin. Raziskovalci delajo tudi na nanašanju nanopremazov na kovinske površine za povečanje vzdržljivosti in odpornosti na toploto. Te študije bodo še razširile paleto uporabe kovinskih materialov in odprle nove možnosti za prihodnje inženirske aplikacije.
Skratka, kovinski materiali so eno osrednjih raziskovalnih področij Oddelka za znanost in inženirstvo materialov, njihov pomen in potencial uporabe pa sta ogromna. Z razumevanjem osnovnih načel kovinskih materialov in izvajanjem raziskav na njihovi podlagi bomo lahko našli bolj inovativne inženirske rešitve.
