Anyagtudomány: hagyományos szerkezeti anyagok és polimerek

Átírás

1 Anyagtudomány: hagyományos szerkezeti anyagok és polimerek Társított rendszerek (fémek és kerámiák) Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék BME Műanyag- és Gumiipari Laboratórium H ép. I. emelet

2 Vázlat Társított rendszerek Fémek Acél Általános megfontolások, célok, lehetőségek, példák Szilárd oldatok, ötvözetek, Cottrell felhő, kiválásos heterogenitások Szerkezet, összetétel, fázisok, perlit, martenzit, hőkezelt martenzit Kerámiák Gyakorlati példák Csoportosítás, példák, erősítőanyagok, előállítás, tulajdonságok Egyéb összetett rendszerek, MDF lap, vasbeton 2

3 Bevezetés Csoportosítás, technológia Kiindulási anyagok Alaptulajdonságok Szerkezet Feldolgozástól függő szerkezet Előnyösen változott tulajdonságok Feldolgozás, Technológia Optimális tulajdonságok Társított rendszerek Termék Beavatkozási Ellenőrzési Mérhető lehetőség lehetőség mennyiség 3

4 Társított rendszerek Bevezetés Cél: anyagok társításával olyan tulajdonságú termék készítése, amelynek tulajdonsága valamilyen szempontból előnyösebb, mint a kiindulási anyagoké Mátrix anyag Társító anyag(ok) Dinamikus fejlődés Gazdaságilag előnyösebb, mint új anyagok kifejlesztése Új anyag (hosszú idő: 6-10 év) Társított rendszer (relatív rövid idő: 2-3 év) Számos esetben nem is lehetséges új anyaggal kielégíteni a kívánt tulajdonságokat A szerkezet-tulajdonságok ismerete elengedhetetlenül szükséges 4

5 Társított rendszerek Alapok Több komponens Bonyolult szerkezet, több fázis jelenléte Kölcsönhatások lépnek fel az egyes fázisok között Azonosságok Alapvető tényezők Komponensek tulajdonságai Szerkezet Összetétel Határfelületi kölcsönhatások Különbségek, egyedi jelleg 5

6 Társított rendszerek Csoportosítás Az erősítőanyag jellege szerint Kompozitok Szemcsés Szálerősítésű Szerkezeti Nagy szemcsék Folyamatos Rövidszál Laminátum Diszperziós erősítés Random Szendvics Orientált 6

7 Nagy részecskés rendszer Felső és alsó modulus határ Polimer mátrix Beton Erősítés feltétele Relatív kis részecskék Homogén eloszlás Jó kölcsönhatás Felső modulus határ E c f E Alsó modulus határ E c a V m m V r m EmEr E V E V -E c (f), E c (a) a kompozit felső és alsó modulusa -E a húzó modulus -V a térfogattört - c, m és r indexek pedig a kompozitot, mátrixot és a részecskét jelölik r r E r m Wolfram szemcsék réz mátrixban From R. H. Krock, ASTM Proceedings, Vol. 63, Copyright ASTM, 1916 Race Street, Philadelphia, PA

8 Szálerősítéses kompozit Kritikus szálhossz A szál hosszúságának meg kell haladnia egy kritikus hosszúságot l c a kritikus szálhossz d a szál átmérője τ c a kritikus nyíróerő, vagy a szál mátrix kötés erőssége (amelyik kisebb) l c * f d 2 c 8

9 Szálerősítéses kompozitok Orientáció hatása Rideg szál orientációja nagy merevséget eredményez az orientáció irányában Callister, W. D., Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley & Sons Inc, New York (2007) pp 587 9

10 Társított rendszerek Példák Fém ötvözetek (fém+fém) Vasbeton (fém+cement+kavicsok) Konyhai (MDF panel) Üvegszál erősítéses epoxigyanta (polimer + üveg) Kerámia kompozitok (kerámia + üveg, szén ) Széleskörű alkalmazás 10

11 Fém alapú társított rendszerek Ötvözetek Szilárd oldatos ötvözetek Magas hőmérsékletű oldó hőkezelés τ ~ c 1/2 vagy τ ~ c 2/3 11

12 Fém alapú társított rendszerek Cottrell felhő Az ötvöző anyag kölcsönhatása a diszlokációkkal Diffuziókontroll 12

13 Cottrell felhő Mozgás-diffúzió A felhő mozgása diffúziókontrollált Lassú deformáció esetén (deformációsebesség 0,075 1/s) Gyors deformáció esetén (deformációsebesség 0,09 1/s) Akihiko Minami and Akira Onuki Dislocation formation in alloys

14 Kiválásos keményedés Átvágásos mechanizmus Ötvözés és öregítés Viszonylag alacsony hőmérsékletű hőkezelés Átvágásos mechanizmus Kis különbség a Burgers vektorokban Közel azonos orientáció Hasonló szemcseméret Viszonylag kismértékű erősítő hatás 14

15 Kiválásos keményedés Nem átvágható mechanizmusok Orován mechanizmusok Első oszlop nem igényel termikus aktiválást (gyors) A többi mechanizmus csak magas hőmérsékletű terhelések során jön létre (lassú) Nagy hatás 15

16 Fém ötvözetek Példák Réz-nikkel ötvözet mechanikai tulajdonságai Callister, W. D., Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley & Sons Inc, New York (2007) pp

17 Acél Fe-Fe 3 C (cementit vagy vas karbid) A vasat szénnel módosítják Ferrit és cementit fázisok mennyisége és szerkezete Ortorombos cella Callister, W. D., Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley & Sons Inc, New York (2007) pp

18 Perlit Szemcseméret hatása Finom és durva perlit (szferoidit) Callister, W. D., Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley & Sons Inc, New York (2007) pp

19 Bainit Alacsony hőmérsékletű átmenet Egészen kis szemcseméretű ferrit és Fe 3 C Callister, W. D., Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley & Sons Inc, New York (2007) pp

20 Gyakorlati példa Knorr-Bremse Kft. 25CrMo4 acél (500x nagyítás) Összetétel (%) Cr (0,9-1,2) Mo (0,15-0,3) C (0,22-0,29) Lassú hűtés (Bainit, ferrit-perlit) Szakítószilárdság Lassú hűtés: MPa Nemesített: MPa Nemesített(Bainit, ferrit-perlit) 20

21 Martensit Szénnel túltelített fázis (gyors hűtés) Növekvő merevség egészen 0,6 % széntartalomig Callister, W. D., Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley & Sons Inc, New York (2007) pp

22 Hőkezelt martenzit Szerkezeti átalakulás A hőkezelés során a szénnel túltelített martenzit stabil ferrit és cementit fázisokká alakul A cementit szemcsék azonban sokkal kisebbek, mint az előző szerkezetekben Hőkezelés 250 és 650 C között A hőmérséklet befolyásolja a cementit szemcsék méretét Minél magasabb a hőmérséklet, és minél hosszabb a hőkezelés ideje annál nagyobb cementit szemcsék képződnek A ferrit-cementit határfelület lecsökken, ami a merevség csökkenéséhez vezet Callister, W. D., Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley & Sons Inc, New York (2007) pp

23 Martenzit hőkezelés Hőmérséklet hatása a gyakorlatban A szerkezet és ezáltal a tulajdonságok megváltoznak Callister, W. D., Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley & Sons Inc, New York (2007) pp

24 Acél Összefoglalás A széntartalom, szerkezet és feldolgozás együttesen határozza meg a szerkezetet és a tulajdonságokat Perlit Ausztenit Közepes hűtés Bainit Alakmemória Martenzit Hőkezelt martenzit 24

25 Fém alapú kompozit Fémmegmunkáló szerszám Fém-kerámia Cobalt-Wolfram karbid kompozit Nagy merevség Kiemelkedő kopásállóság Nagyon rideg (önmagában nem használható) Használható WC, TiC mint erősítő anyag és Ni, vagy Co mint mátrix 25

26 Kerámia alapú kompozitok Bevezetés Oxid alapú mátrixok Al 2 O 3, SiO 2, MgO, TiO 2, szilikátok Technológiailag jobban megalapozottabbak Környezeti szempontból stabilak Olcsóbbak Nem oxid alapú mátrixok Si 3 N 4, BN, Sialon, SiC, B 4 C, TiC, MoSi 2 Kiváló mechanikai és hőtechnikai tulajdonságok Nagy keménység Korrózióállóság 26

27 Kerámia alapú kompozitok Erősítőfázisok Nem folytonos PSZ (részlegesen stabilizált cirkónia) Si 3 N 4 tűkristály BN részecske TiB 2 részecske SiC lemez, tűkristály Folytonos Üvegszál (70 GPa) Mullit szál (180 GPa) Al 2 O 3 szál (380 GPa) SiC szál (430 GPa) SiC f /Si 3 N 4 SiC w /Al 2 O 3 27

28 Kerámia kompozitok Nem folytonos erősítőfázisok (whiskerek) Si 3 N 4 SiC 28

29 SiC tűkristály előállítása VLS módszer (gáz-folyadék-szilárd) 29

30 Folytonos szálerősítésű CMC Előállítás Infiltrációs, más néven átitatás 30

31 Folytonos szálerősítésű CMC Terhelés alakváltozás A tönkremenetel nem hirtelen következik be 31

32 Kerámia alapú kompozitok Gyakorlati példa PSZ szemcsék + Al 2 O 3 mátrix (lehet ZrO 2 is) + CaO, MgO, Y 2 O 3, CeO mint stabilizátor A részlegesen stabilizált ZrO 2 szemcsék szerkezeti átalakulása (metastabil tetragonális szerkezetből stabilis monoklin szerkezetbe) Az átalakulást térfogat növekedés kíséri, aminek következtében a repedés bezáródik és nem terjed tovább Callister, W. D., Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley & Sons Inc, New York (2007) pp

33 Kerámia alapú kompozitok Szívósítás whiskerekkel Al 2 O 3 + SiC whisker Whisker tartalom (v%) Törési szilárdság (MPa) Törési szívósság (MPa m) 0-4, ±55 7, ±135 7,5-9, ±130 6,0 Callister, W. D., Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley & Sons Inc, New York (2007) pp

34 Kerámia kompozitok Felhasználási területek Kopás- és korrózióálló szerkezeti anyagok Fémmegmunkáló szerszámok Rakétatechnika, hadiipar Energiatermelés Belső égésű motorok Biokerámiák 34

35 Kompozitok Határok, fejlődési irányok Merre tartunk? 35

36 Egyéb szerkezeti kompozitok Vasbeton Cement + homok (beton) Acél Követelmények A beton és az acél hőtágulása közel azonos Az acél kevéssé korrodál betonba ágyazva Relatív erős kölcsönhatás lép fel az acél és a beton között Esetleg használhatnak még a erősítésként üveg, polietilén, poliamid szálakat is A felhordása nagyon nehéz, ugyanis a beton megkötése erősen exoterm (hűtést igényel) Külön iparág Felhőkarcolók, vízierőművek és egyéb óriási építmények 36

37 Vasbeton Példák 37

38 Polimer-fa kompozitok Példa Konyhai MDF lap MDF = Medium density fibreboard Faporból nagy nyomáson, gyantával préselt bútorlap Kiváló vízállóság Nem vetemedik Tartós Követelmények Jó kölcsönhatás a gyanta és a fa között Nedvesítés Megfelelő szemcseméretű fapor 38