Az anyagtudomány fogalmi körének változása

Bevezetés

Talán nem tűnik szerénytelenségnek, hogy édesapám, Verő József, és a saját szakmai pályafutásomat – legalábbis időben, némi átfedéssel – összekapcsolva világítom meg az anyagtudományról alkotott képünk változásának folyamatát.

Édesapám szakmai pályafutása a ’20-as évek vége felé kezdődött, és a ’30-as évek elején, a Berlinben töltött ösztöndíjas évek alatt kapott új lendületet. A berlini Technische Hochschulén a metallográfia tudománya legnagyobb személyiségeinek előadásait hallgathatta, és vehetett részt gyakorlataikon. Olyan nevekre kell gondolni, mint például Tammann vagy Guertler professzorok, akikkel Sopronba visszatérve is levelezési kapcsolatban maradt. Azt is érdemes megjegyezni, hogy Hitler hatalomra jutásáig Berlin jelentette a fizika, a kémia és az alkalmazott tudományok szellemi központját. A fizika fejlődésében meghatározó szerepet játszottak azok a magyar tudósok, akiknek Amerikába emigrálva később döntő szerepük volt az atomfegyver kifejlesztésében.

Édesapám aktív szakmai pályafutása az 1980-as évek elején ért véget, amikor én már a Vasipari Kutató Intézet Fémtani osztályának kutatója voltam. A kandidátusi fokozat és az akadémiai doktori cím megszerzése után több tudományos bizottságba is beválasztottak, és az MTA Anyagtudományi és technológiai bizottságában több cikluson át vezető tisztséget töltöttem be. A ’90-es évek közepére már nyilvánvalóvá vált, hogy az anyagokkal foglalkozó tudományok területe erősen kibővült, és ezzel párhuzamosan igyekeztünk megkeresni a közös tárgyalásmódot. Ezt az elképzelést foglalta össze az anyagtudományi bizottság egy, a Magyar Tudomány 1996/9 számában, a nevem alatt megjelent tanulmányában.

Ebben az időben már széleskörűen elfogadott és használt volt az anyagtudomány fogalma, amelynek tartalma továbbfejlődött, és a leíró jelleget szinte teljes egészében felváltotta a természettudományi alapokra épülő, számítástechnikai eszközökkel és módszerekkel támogatott anyagtudományi modellezés. Ennek egyik alapvető dokumentuma, az ICME Committee által kidolgozott és ICME betűszóval (Integrated Computational Materials Engineering) jellemzett programja.

Az anyagtudomány fogalmi körének változását négy szakaszra bontva tárgyalom.

Első szakasz: a metallográfiától a fémtanig

Nem egészen tíz évvel édesapám berlini tartózkodása után a német professzorok hatására Metallográfia címmel jelent meg első könyve Sopronban. Ennek a könyvnek egyetlen példánya sem került még a kezembe, de minden bizonnyal az ötvözetek egyensúlyi fázisdiagramjai témakörére koncentrált. Az 1952-ben illetve ’53-ban megjelent Általános metallográfia könyve már címében is tükrözte szerzőjének szemléletváltozását, hiszen a metallográfia klasszikus témakörein túlmenően már a fémek és ötvözeteik mechanikai, fizikai és korróziós tulajdonságaival is foglalkozik. Előremutató, hogy a diffúzió tárgyalásakor Fick II. törvénye alapján több diffúziós probléma konkrét megoldását is megadja, például a színalumíniummal plattírozott dúralumínium lemez hőkezelésének időbeli és hőmérséklet szerinti határértékeit abból a célból, hogy a lemez külső felületén a réz koncentrációja korróziós szempontból még megengedett érték fölé ne emelkedjen. Ennek a kétkötetes műnek a rangját jól mutatja, hogy az Akadémiai Kiadó jelentette meg még az ’56-os forradalom előtt.

Terjedelmét és hatását tekintve is fő művének tekinthető az Ipari vasötvözetek metallográfiája c. kétkötetes, több mint 1000 oldal terjedelmű könyve, amely szintén az Akadémiai Kiadónál jelent meg. Ahogy a címe is jelzi, ennek a műnek a szemléletét még a metallográfiai gondolkodásmód hatotta át. A tudományterületen bekövetkezett változásokat jól jelzi, hogy a több kiadást megélt, és részben Káldor Mihállyal közösen jegyzett Vasötvözetek fémtana című könyvben a metallográfia szót a fémtan kifejezéssel helyettesítették. Arra is emlékszem, hogy a szerzők között vita tárgyát képezte maga a cím is: nem fából vaskarika-e, hogy vasötvözetek fémtanáról beszélünk. A fémtan, mint önálló fogalom, az 1969-ben megjelent könyvének címében jelent meg először. A társszerzőjével, Káldor Mihállyal írott műve több kiadást is megélt, és ahogy azt már az anyagtudomany.eu blog bevezetőjében is írtam, az 1968-ben megjelent kiadásában fogalmazta meg a fémtan definícióját, amely hosszú időn át e szakma művelőinek vezérfonalul szolgált. A szemléletváltozást jól tükrözte a természettudományi alapok egyértelmű beépülése a tananyagba. Az egyensúlyi viszonyokat már termodinamikai alapon tárgyalják, és a képlékeny alakváltozás folyamatát diszlokációs mechanizmusokkal magyarázzák. Az 1980-ban megjelent utolsó változatot egyetemeinken mind a mai napig tankönyvként forgatják.

Ha rátekintünk édesapám publikációs listájára, és a tömörség kedvéért most csak könyveinek címére, világosan követhető, hogy a leíró jellegű metallográfiából milyen módon alakult ki a ’70-es évek közepére az őáltala fémtannak nevezett, és már természettudományos alapokra támaszkodó fémtan. Ez a folyamat tehát mintegy negyven évet ölelt át.

A második szakasz: átmenet a fémtanból az anyagtudományba

Édesapám, Verő József hagyatékának rendezése közben találtam egy kézírásos füzetet, amelyben egy érdekes dokumentum volt erről az átmeneti korszakról. Valószínűleg nem sokkal halála előtt írhatta azt a néhány sort, amelyben meggyőződését fejezte ki, hogy az általa művelt fémtan szilárd alapot jelent az anyagtudomány kialakulásához és fejlődéséhez. Ennek a kordokumentumnak is tekinthető másolatát eredeti kézírásos formában és a saját kezű beszúrásaival módosított gépelt alakban is bemutatom.

Az elmúlt évtizedek egyértelműen igazolták ezeket az elgondolásokat. Bebizonyosodott, hogy az általa lefektetett fémtani alapokra támaszkodva eljuthatunk az anyagtudomány napjainkban elfogadott tárgyalásmódjához, vagyis munkája utódai által folytathatónak és továbbfejleszthetőnek bizonyult.

A harmadik szakasz: az anyagtudomány és technológia

Ahogy ennek a blognak a bevezetőjében már említettem, a ’90-es évek közepén az MTA anyagtudományi és technológiai tudományos bizottsága megkísérelte összefoglalni az anyagtudományi és anyagtechnológiai kutatás hazai helyzetét és fogalmi körét. Ennek a Magyar Tudományban megjelent elemzésnek egyik szakaszát változatlan formában közlöm még akkor is, ha ma már egy-két részletét tekintve az idő meghaladta ezt a megközelítést.

Szó szerint idézet a Magyar Tudományban megjelent cikkből:

„A világ törvényszerűségeinek felismerése a fizika, a kémia és általában a természettudományok feladata. Az alkalmazott tudományok az anyagi világ törvényszerűségeire építenek. A változatos megközelítésnek és az anyagtudományok történelmi fejlődésének sokféle megnevezés lett a következménye: fémtan, fémfizika, szilárdtest-fizika, fizikai fémtan, fizikai metallurgia stb. Természetesen a tárgyalás, a megközelítés módjában eltérnek egymástól, és felbontóképesség tekintetében is lehet különbség. Bár ez utóbbi nem meghatározó jelentőségű.

Bár anyagaink sokfélék, ismereteink mai szintjén tulajdonságaik már viszonylag kevés tényezőre vezethetők vissza. Ezek az atomok minősége és a közöttük fellépő kölcsönhatások jellege. A kölcsönhatások meghatározzák a kialakuló anyagok rendezettségét, illetve ennek mértékét. Szilárd állapotban a kölcsönhatások jellege meghatározza a kristály típusát, végül az adott kristálytípusú krisztallitok elhelyezkedése, azaz az anyag szövete hat a tulajdonságokra. Speciális esetben szilárd állapotú anyagaink is lehetnek amorf jellegűek. Így érthető, hogy a felsorolt tudományterületek ugyanazokra a diszciplinákra építenek. Ezek közül csak a legfontosabbakat említve a fizika és a kémia különböző fejezeteire, a termodinamikára, kristálytanra stb. utalunk. Minden szilárd anyag felépítését tekintve valahol két véglet között helyezkedik el. A két véglet a reális egykristály és az amorf anyag. Ebben az irányban haladva nő a hibák száma, az összetételtől és más paraméterektől függően pedig a fázisok száma, s szerepet kap ennek megfelelően a krisztallitok elrendeződése, a szövet. Az atomi erők megszabta módon kialakult kristályszerkezet, a kristályok száma és elrendeződése, azaz a szövetszerkezet, végül a szerkezeti részek, elemek sorrendjében halad a vizsgálódás az alapoktól az alkalmazásig, a természettudományoktól a műszaki tudományokig, a felbontóképesség kereken tizenkét nagyságrendnyi változása során. Ezt szemlélteti a 2. ábra. Minden, az előzőek során említett szakterület vizsgálódása e sorozat többé-kevésbé meghatározott részére terjed ki, esetenként azonban jelentős átfedéssel.

Az emberi szükségletek egyre magasabb szintű kielégítésének igénye miatt a felhasznált anyagok sokfélesége állandóan nő, a velük kapcsolatos ismeretanyag gazdagodik, a kutatás egyre elmélyültebb, az empirikus ismereteket, formulákat egyre nagyobb számban váltják fel az alapvető természettudományok, a fizika, a kémia nyújtotta törvényszerűségek. Az alkalmazott tudományok és az alapvető természettudományok közötti határon egyre nagyobb a forgalom, a természettudományok egyre közelebb kerülnek a feldolgozáshoz, a technológiához. A fejlődés során az anyagokkal különböző módon foglalkozó tudományterületek egymáshoz erősen közeledtek, határ közöttük alig vonható, témájukban, módszereikben erős átfedés alakult ki. Minden természettudományra jellemző azonban, hogy fejlődése saját, belső törvényszerűségeit követi, hajtóereje a tiszta megismerés, a tudásvágy – a felhasználás közvetlen igénye nélkül. Az anyagokkal azonban foglalkozni kell a felhasználás és használhatóság szempontjából is, szükség van olyan szintetizáló tárgyalási módra, amely ezt helyezi előtérbe, és ebből kiindulva teremt egységet a különböző szemléletű tárgyalási módok között. A különböző szakterületek – mint a kristálytan, az ásványtan, a fémfizika, a fizikai, az elektro-, a polimer-, a szilikátkémia, a termodinamika, a fizika és mechanika – törvényeit szem előtt tartó és alkalmazó, a műszaki megvalósíthatóságra törekvő, saját és sajátos törvényszerűségeit alkalmazó, integráló tudományterület az anyagtudomány. Az anyagtudomány fogalmaiban is azokhoz az alaptudományokhoz kötődik, amelyeknek ismeretanyagára épít. Tehát az anyagtudománynak is megvannak a saját törvényszerűségei, amelyek a fejlődés irányát, módszertanát meghatározzák. Ezért tartjuk jogosultnak az anyagtudomány fogalmát használni. Az anyagtudomány feladata, hogy összekapcsolja az alapvető elemi felfedezések, elméleti eredmények körét az anyagok alkalmazhatóságának követelményével és a technológia felé irányítsa. A természettudományos felismeréseket így – Gyulai J. [1] megfogalmazása szerint – az anyagtudomány szerszámainak, mikroszerszámainak nevezhetjük, ahogy azt a 3. ábra is szemlélteti.

Értelemszerűen, az összes többi műszaki tudomány is integráló jellegű. Itt jegyezzük meg, hogy a természettudományos kutatás, főleg a kísérleti szakaszban, nem mondhat le a technológiai ismeretekről, hiszen megbízható kísérletekhez reprodukálható mintákra van szükség, amelyek csak megalapozott technológiai ismeretekre támaszkodva állíthatók elő. Az anyagtudománynak az anyagelőállítás és az anyagfeldolgozás mindenkori lehetőségeit kell tükröznie, azzal tehát erős kölcsönhatásban van. Ez a kölcsönhatás teszi lehetővé az anyagok, különösen a szerkezeti anyagok és előállítási, feldolgozási technológiájuk együttes fejlesztését. A technológiát tehát a reprodukálás művészetének nevezzük Prohászka J. szerint [2], s technológiánk színvonalát alapvetően az anyagtudományi ismereteink mélysége, természettudományos megalapozottságuk határozza meg.

Ha a „mikroszerszámban” megtestesülő természettudományos ismereteink megbízhatóak, akkor joggal remélhetjük, hogy anyagaink tulajdonságait megtervezhetjük, és ha megfelelő eszközök állnak rendelkezésünkre, akkor módunkban áll a sokszor igen összetett technológiai folyamatot előre „lejátszani”, annak eredményes vagy eredménytelen voltáról meggyőződni. Itt nyilvánvalóan az anyagtechnológiai folyamatok modellezéséről, szimulációjáról van szó. Az elmondottakból következik, hogy a technológiai modellezés eredményének jósága tudásunk színvonalának is fokmérője, tükre. Ismereteink mai szintjén erre már sok esetben mód nyílik tisztán természettudományos alapon. A modellezésről akkor sem szabad azonban lemondanunk, ha a modell bizonyos elemei tapasztalatokra építenek. Egyrészt, ezek folyamatosan kicserélhetők természettudományos megalapozottságú ismeretekre, másrészt az empirikus tudás is – adott feltételrendszer megléte esetén – helyesen írhatja le a valóságot. Az empirikus ismeretek érvényességi határait azonban következetesen figyelembe kell venni. A modellezés létjogosultságát általában, a részben empíriára épülő modellezést pedig specifikusan a modellezés költségkímélő, tehát gazdaságos volta nyomatékosítja. Az anyagtudomány metodológiája így eltér az alaptudományokétól. Azok fejlődésük során saját belső törvényszerűségüket, az olthatatlan megismerésvágyat követik. Az anyagtudomány teljese képet tart maga előtt, ebben ma még az empirikus rész is igen nagy szerephez jut, ezeket az empíriákat kell elméletileg egyre megalapozottabb ismeretekkel kiváltani, s azokat konkrét esetek alapján javítani. Ez az igény a természettudományok fejlődését is inspirálja. A közvetlen cél gyakorlatilag kivitelezhető, gazdaságos megoldást produkálni, nem feledkezve el a következő generációk életfeltételeinek megőrzéséről, a műszaki alkotásaink alkatrészeinek újrafeldolgozásáról és újrafelhasználásáról, vagyis a létrehozott termékünk teljes használati ciklusa során megnyilvánuló környezeti hatásra felelősséggel gondolnunk kell. A használati ciklus végének pedig azt tekintjük, ha az adott szerkezet minden egyes alkotóeleme új használati értéket képviselő alkotásba már beépült.
Mivel az anyagtudomány „kijárata” a technológia, amely Prohászka J. [2] megfogalmazása szerint azoknak az eljárásoknak a tudománya és gyakorlata, amelyeknek segítségével a természet nyersanyagai és a féltermékek emberi fogyasztásra vagy felhasználásra alkalmassá vagy alkalmasabbá tehetők, nyilvánvaló, hogy az anyagtudomány mindenkori színvonalának meghatározó szerepe van a társadalom életében. Az újrahasznosítás problémaköre ismét csak az anyagtudomány jelentőségére utal.”

Az idézet utolsó része az anyagtudomány és a környezetvédelem, ezen belül pedig az újrahasznosítás szerves kapcsolatára utal. Ennek a kapcsolatnak egy, az elhangzás időpontjában még feltétlenül, de még ma is utópisztikus gondolatát vetette fel Prohászka János akadémiai székfoglaló előadásában. Felvetette, hogy az újrahasznosítás ideális módját az jelenthetné, ha az elhasznált vagy elhasználódott termékeink anyagát egy gigantikus méretű tömegspektrométer jellegű eszközzel atomjaira, vagyis az anyaguk sajátos tulajdonságait megtestesítő legkisebb részekre választanánk szét, majd ezekből az atomokból építenénk fel újra anyagainkat, termékeinket. Ennél „zöldebb” megoldást még ma sem ismerünk.

A negyedik szakasz: Az ICME, vagyis az Integrited Computational Materials Engineering térhódítása

Nem szerencsés, hogy egy magyar blogban angol nyelvű alcím szerepel: ennek az az oka, hogy mind a mai napig nem találtunk megfelelő kifejezést az „engineering” szóra, így az ICME magyar fordítása is nehézkes. Az ICME által kidolgozott megközelítés világosan mutatja, hogy napjainkban az integrált számítógépes mérnöki anyagtervezés egyértelműen a felhasználói igények kielégítésére szolgáló termékek tudatos megtervezését és adott technológia szerinti legyártását jelenti.

Az ICME megközelítése a termékek, az azokat alkotó anyagok és a hozzájuk rendelt anyag-feldolgozási módszerek megtervezését jelenti többszintű és –léptékű anyagmodellek összekapcsolásával. Ez a megközelítés egyértelműen megkülönbözteti a modellezési szinteket (lásd az 1. ábrát), valamint a modell által kezelni képes anyagrendszer kiterjedését. Az alapdokumentum „scale” és a „level” fogalmának értelmét nem teszi egyértelművé. Az ICME betűszóban szereplő jelzők és fogalmak magyarázata: „integrált” (vagyis egységbe rendezett), amely magában foglalja a számítógépes modellek összekapcsolását több szinten és lépték szerint, és az „engineering” azaz a mérnöki alkotó és tervező munka, amely az ipari hasznosságot jelöli. A mérnöki munka az anyagokra (fél- és késztermékekre) összpontosul, azaz annak megértésére, hogy a technológiai folyamatok miként hozzák létre az anyagszerkezeteket, hogy ezek a szövetszerkezetek miként teremtik meg az anyag tulajdonságait, és hogyan választják ki az anyagokat egy adott alkalmazáshoz. Ez a megközelítés az általánosan elfogadott technológiai művelet–szövetszerkezet–teljesítőképesség hármas egységének meghatározó szerepét hangsúlyozza. Ezt a megközelítést 2008-ban tették közzé [3].

Az ICME a következőkben felsorolt anyagmodellezési szinteket (scale) jelölte meg:

• Szerkezet léptékű: véges-elemes, véges térfogatos és véges parciális differenciál-egyenletek képezik a szolvert, amelyet a szerkezet válaszának szimulációjára használnak, például a szilárdtest-mechanikában és a transzport-jelenségekben a nagy mérettartományban (méteres).
• Anyagi folyamatok szimulációja: kisajtolás, kovácsolás, lemezalakítás, sajtolás, öntés, hegesztés és így tovább.
• Termékmodellezés/szimuláció: Teljesítőképesség (performance), korrózió, kifáradás stb.
• Makro léptékű konstitutív (reológia) egyenleteket használunk a kontinuum szinten a szilárdtest-mechanikában és a transzport-folyamatokban mm-es mérettartományban.
• Mezo léptékű kontinuum szintű formulákat használunk diszkrét mennyiségek figyelembe vételével többszörös mikrométernyi mérettartományban. A „mezo” homályos fogalom, ami azt jelenti, hogy közbülső, ami különböző léptékű mérettartományok jellemzésére is szolgálhat. Ebben az összefüggésben a mezo léptékű modellezés átfogja a fémes anyagok kristályszerkezeti képlékenységétől kezdve az Eshelby megoldásokat bármely anyagra nézve, a homogenizációs módszereket és az elemi cella módszereket.
• Mikro lépték: olyan modellezési technikákat jelent, amelyek a mikrométeres léptéket képviselik olyan területeken, mint például a diszlokáció-dinamikai kódok fémes anyagokra nézve, a fázismező kódok többfázisú anyagokra nézve. A fázisátalakulások és a szövetszerkezet változásainak modelljei a nanométerestől a mikrométeres léptékre vonatkoznak.
• Nano lépték: félempirikus atomisztikus módszereket használunk például a Lennard- Jones, Brenner potenciálok elemzésekor, a beágyazott atom (EAM) potenciáloknál és a módosított beágyazott atompotenciáloknál (MEAM), a molekula-dinamikai számításokban (MD), a molekula statisztikáknál (MS), a Monte Carlo (MC) és a kinetikai Monte Carlo (KMC)-nál.
• Elektron lépték: a Schrödinger egyenleteket használják a számítástechnikai keretben, mint például az elektron-orbitálisok és kötések sűrűség-funkcionális elméletében (DFT) modellekben, az Angströmöstől a nanométeres mérettartományig.

Van néhány olyan szoftverkód, amely különböző hosszléptékeken (mérettartományban) működik:

• A CALPHAD számítógépes, termodinamikai program, amely az egyensúlyi fázisdiagramok, sőt még a nem egyensúlyi fázisok létezési feltételeinek meghatározására szolgál.
• Fázismező kódok: a szövetszerkezeti folyamatok szimulációjára alkalmas,
• A technológiai paraméterek, a szövetszerkezeti jellemzők adatbázisai, amelyekből különböző léptékű korrelációkat lehet levezetni.
• GeoDict – Math2Market digitális laboratóriuma
• VPS-MICRO egy többléptékű valószínűségi szerkezetmechanikai program.
• SwiftComp – egy többléptékű konstitutív modellező szoftver, amely a szerkezeti genomon alapul.

A felsorolt szoftverek horizontális és vertikális összekapcsolásával létre lehet hozni az ún. virtuális üzemet, amely képes a gyártási folyamatot a kiinduló anyagoktól kezdve a késztermék tulajdonságáig nyomon követni.

Az ICME Committee által közzétett elképzelés bizonyos elemeit a szerzőtársaimmal írt Bevezetés az alkalmazott anyagtudományba [4] című főiskolai jegyzetünkben, főleg annak Bevezetésében és Első fejeztében már ismertettük. Az időközben egyetemi rangot kapott Dunaújvárosi Főiskola ez elmúlt időszakban elindítani szándékozik az anyagmérnök Msc képzést is, amelynek alapgondolata az ICME dokumentum gondolatvilágát tükrözi.

Záró gondolatok

Szerencsés véletlennek tartom, hogy az anyagtudomány fogalmi körének változását családunk szakmai pályafutásának segítségével szemléltethettem. Ez az áttekintés nyilván erősen korlátozott, hiszen az anyagtudomány hazai fejlődésében számos egyéniség is meghatározó szerepet játszott. Elsősorban terjedelmi okok miatt ennek a fejlődésnek minden részletére nem térhettem ki, de mindenképpen érdemes lenne ezt a folyamatot mélységében tovább elemezni, és a fejlődés lehetséges irányát is felvázolni.

Irodalom

[1] Gyulai József: Kiadvány a Bay Zoltán Anyagtudományi és Technológiai Intézet megnyitására. 1995. szeptember 4.
[2] Prohászka János: A technológia jellegzetes vonásai. BKL Kohászat. 124. évfolyam (1991) május 193. o.
[3] Committee on Integrated Computational Materials Engineering, National Materials Advisory Board, Division on Engineering and Physical Sciences, National Research Council (2008). Integrated Computational Materials Engineering: A Transformational Discipline for Improved Competitiveness and National Security. National Academies Press. p. 132. ISBN 9780309178211.
[4] Dénes Éva – Csepeli Zsolt – Verő Balázs: Bevezetés a műszaki anyagtudományba. Dunaújváros, Dunaújvárosi Főiskola Kiadó Hivatal (2010), 223 p.