Anyagismeret fémes anyagok

Átírás

1 Anyagismeret fémes anyagok 1. FEJEZET: AZ ANYAGOK SOKFÉLESÉGE 1.1. Az anyagok csoportosítása az eredet és az emberi szükségletek szerint Eredet szerint: - természetes anyagok (állati, növényi, ásványi) - mesterséges anyagok (átalakítja őket az ember, fémek, üveg, koksz) - szintetikus anyagok alapanyagai (kőolaj, földgáz, csak vegyészeti módszerrel, műanyagok, gyógyszerek, vegyszerek) Emberi szükséglet szerint: - létfenntartáshoz szükséges anyagok (víz, élelmiszer, levegő) - energiahordozók (kőszén, kőolaj, uránérc, víz, szél, nap) - ipari, mérnöki anyagok (fémek és ötvözetei, polimerek, gumik, kerámiák, üvegek) 1.2. Az anyagok családfája Kerámiák: - nemfémes, szervetlen, szilárd, pl. porcelán. Merevek, kemények, kopás- és korrózióállók, szigetelők, törékenyek, rosszul viselik a hősokkot, nehéz megmunkálni Üvegek: - kerámiák közeli rokona, átlátszó, amorf, nátronüveg Polimerek: - szerves szilárd anyagok, szénatomok láncmolekuláikból áll, könnyűek, sokoldalúak, csomagolóanyagok Elasztomerek: - gumiszalagok, kicsi merevség, kicsi Young-modulus, járműipar, gumiabroncs Fémek: - jó hővezetők, jó áramvezetők, ötvözhetők, megmunkálhatók, oxidálódnak, fémes kötés Anyagcsaládfa: Anyagcsaládok (fémek)-> Anyagosztályok (titánötvözetek)->anyagcsoportok (Ti-Al ötvözetek->anyagtípusok (Ti6Al4V) 1.3 és 1.4. Az anyagok csoportosítása a tulajdonságaik szerint, a tulajdonságok eloszlása, a kémiai kötés és a különleges jellemzők Halmazállapot: - szilárd, folyadék, gáz, plazma Éghetőség: - éghetetlen (tűzálló), jól éghető, öngyulladó Környezettel való kölcsönhatás: - szennyező, mérgező, környezetbarát Anyagtulajdonság eloszlása: - izotrop (függetlenek attól hogy belsejükben vagy felületükön milyen irányban mérve vizsgáljuk) - anizotrop (tulajdonság eloszlása irányfüggő, fa, szénszál, grafit) - ortotrop (tér 3 tengelye mentén definiálható tulajdonságok) Kémiai kötés és atomszerkezet: - ionos (fém és nemfém között, ionrács) - kovalens (nemfémes, legerősebb) - fémes (fémes atomok, nem irányított) Tömörség: - tömör - porózus (cellás, hab) Kereskedelmi költség: - piaci ár nagyságrendje Megismerésük ideje: - tradicionális, új 2. FEJEZET: AZ ANYAGOK SZERKEZETE 2.1. Az anyagszerkezet vizsgálati szintjei. A szilárd anyagok szerkezetének alapfogalmai Makroskála: 5-50mm, makroszerkezet Mezoskála: 0,1-5mm, mezoszerkezet Mikroskála: 0,5-100um, mikroszerkezet Nanoskála: 1-600nm, nanoszerkezet Fogalmak: Szilárd anyag lehet amorf (nincs szabályos rendeződés), kristályos (szabályos térrács), kvázikristályos. Egykristály, polikristály (ha elhatárolható tartományok vannak),szemcse (szabálytalan alakú kristály) 2.2. A fémes anyagok és a kristályos anyagok szerkezete - Általában um-es szemcsékből állnak - Polikristályos anyag lehet egy- vagy többfázisú - Fázishatárok: koherens (összefüggő), inkoherens (nem összefüggő), szemikoherens (félig összefüggő) - Atomok térbeli kristályrácsot alkotnak, elemi cella a legkisebb egysége. 7 kristályrendszer: kockarács, tetragonális, ortorombos, hexagonális, romboéderes, monoklin, triklin - Köbös térrács jellemző példái: Egyszerű kockarács, térközepes kockarács, lapközepes kockarács, gyémántrács

2 2.3. A kerámiák, az üvegek szerkezete Kerámiák: - két- vagy több anyag vegyületei - kis szemcseméret, nincs látványos szemcsehatár - mikropórusok és mikroüregek Üvegek: - fémüveg (gyorsan lehűtött fém olvadék) - amorf, molekulagyűrűkből áll - Na2O nátronüveg, B2O5 boroszilikát üveg 2.4. A polimerek szerkezete - szénatomok hosszú láncai alkotják, oldalcsoportok kapcsolódnak - polietilén legegyszerűbb - hőre felbomló másodlagos kötések, hőre lágyuló 2.5. A hibrid anyagok szerkezete - sűrűségük a mennyiségek arányával számítható ki - egymást nem oldó anyagok keveréke, amely stabil - fajtái: Kompozit: két önmagában is szilárd anyag társítása, egyik összetevő a mátrix, ebben helyezkedik el az erősítőanyag (szálak) Cellás anyagok, habok: üregek hozhatók létre a mátrix belsejében Réteges anyagok, szendvicspanelek: a társított anyagok nagy felületen kapcsolódnak másodlagos kötésekkel Kötegelt, rétegelt anyagok: a társított összetevők között nincs kémiai kötés 2.6. A kristályrácshibák - Ponthibák: A kristályrács egyetlen pontban nem tökéletes. Fajtái: üres rácshely (vakancia), saját vagy idegenfajtájú intersztíciós atom (a rácsban van +1atom valahol), szubsztitúciós atom (a rács egy pontján egy idegen atom), intersztíciós atompár (többalkotós ionrácsokban), ionpárhiány, Frenkel-féle hiba (nem a helyén van az ion) Diffúzió: A vakanciák, intersztíciós atomok képesek a rácsban vagy szemcsehatáron mozogni - Vonalszerű rácshibák, diszlokáció: Vonal mentén elhelyezkedő atomok sora, melyek nem a rácspontokban találhatók (hanem egy csúszósíkban) Fajtái: - Éldiszlokáció (vonala merőleges a csúsztatófeszültség irányára) - Csavardiszlokáció (vonala párhuzamos a csúsztatófeszültség irányával) - Vegyes diszlokáció (vonala görbe, kétféle jelleg együtt) - Felületszerű kristályhibák: A kristályrács hibákat tartalmazó része kétdimenziós Típusai: -szabad felület (a testet körbevevő fázistól választja el) -fázishatár -szemcsehatár -ikerhatár (az elmozdult atomok helyzete tükörszimmetrikus az eredetivel) -rétegződési hiba (atomokkal legsűrűbben rakott síkok helyi zavara) 2.7. Fázisátalakulások - Halmazállapot-változások - Gibbs-féle szabály: Komponens fázisok+szabadsági fogok=komponensek+1 - Allotrop átalakulás: egy anyagnak többféle szilárd fázisa van. Vasnál: delta-vas (TKK)-> gamma-vas (LKK)->alfa-vas (TKK) -Diffúziós átalakulások: olyan allotróp átalakulás, ahol a diffúziónak van szerepe (y=1-exp(-k*t ad n)) -Martenzites átalakulás: olyan fázisátalakulás, ami nem az atomok diffúziós mozgásával megy végbe. Gyors hűtéssel, vagy nyírófeszültséggel, acélnál eredeti fázis az ausztenit, új fázis a martenzit. Időbeli lefolyása kvázi-pillanatszerű

3 2.8. A nanoszerkezetű anyagok nm szemcseméret, egységeiben alig néhány tucat atom szerveződik - Fő csoportjai: fullerén, nanocsövek, fémnanorészecskék, kerámiananoporok, nanoszálak, nanolemezek, nanofilmek, nanorétegek, nanokristályok, nanokompozitok, csomósodásgátló élelmiszeradalékok, nanopigmentek 3. FEJEZET: A SZERKEZETI ANYAGOK MECHANIKAI TULAJDONSÁGAI 3.1. A mechanikai igénybevételek és az állapottényezők Igénybevételek: - Fizikai anyagjellemzők (rugalmassági modulusok) - Mechanikai terhelésekkel szembeni ellenállás, de a vizsgálati módszertől és a pillanatnyi alaktól független anyagjellemzők (törési szívósság) - Gyártási folyamatra való alkalmasság (forgácsolhatóság, mélyhúzhatóság) - Mechanikai terhelések csoportjai: statikus, dinamikus, ismétlődő, kombinált Állapottényezők: - Külsők: hőmérséklet, feszültségállapot, igénybevételi sebesség - Belsők: kristályszerkezet, ötvözők és szennyezők, kristályrácshibák, szemcseméret, szövetszerkezeti sajátosságok 3.2. A rugalmassági modulusok és a merevség Rugalmassági modulus: - a rugalmas alakváltozás és az azt létrehozó feszültség között lineáris összefüggés érvényes, a feszültség és az alakváltozás hányadosa adja meg a rugalmassági modulust. - E húzó vagy Young, G nyírási vagy csúsztató rugalmassági modulus mértékegység N/mm ad 2 vagy GPa - feszültség-alakváltozás diagram egyenesének meredeksége Merevség: - az anyag rugalmas alakváltozással szembeni ellenállása 3.3. A szilárdság - teherbírás, kifejezésére a folyáshatárt és szakítószilárdságot használjuk - szakítóvizsgálat: a test először rugalmasan nyúlik->a rugalmassági határ után ''megfolyik'', csökkenő erőre is nyúlhat->egyenletes képlékeny alakváltozás->alakváltozás szűk területre lokalizálódik, kezdete a kontrakciónak->eltörik, elszakad a próbatest 3.4. A keménység - Milyen mértékben állnak ellen a testek a felületre ható nyomó terhelésnek - Lenyomat mérete, mélysége Mérőszámok: -HBS vagy HBW (golyó kör alakú lenyomatának átlója) -HV (négyzetes gyémántgúla lenyomatának két átlójából) -HK (rombuszos gyémántgúla lenyomatának két átlójából) -HRB (felületbe nyomott acélgolyó), HRC (120 fok-os gyémántkúp) -Nanokeménység (gyémánttű benyomódásának erő-idő függvénye) -Shore-keménység (gumikhoz, hegyesszögű kúpos behatolótest) 3.5. A képlékenység és a szívósság Képlékenység: - Milyen mértékű képlékeny alakváltozásra képes törés nélkül egy anyag - Szakadási nyúlás (%) =delta L/L0*100 Szívósság: - Mennyire képes ellenállni a ridegtörésnek az anyag - Mérőszáma az ütőmunka - Charpy-féle ütővizsgálat 3.6. Szilárdságnövelési mechanizmusok - Mikroskálán érvényesülő folyamatok, melyek eredménye hogy a diszlokációk mozgásának fenntartásához szükséges feszültség növekszik - Szilárdoldatos keményedés (ötvözőként vagy szennyezőként kis átmérőjű atomok kerülnek a fémbe) - Kiválásos keményedés - Alakítási keményedés (hidegalakítás) - Szemcsefinomítás - Fázisátalakulással (edzés)

4 3.7. Az anyagok károsodása, a töréssel, kifáradással, kúszással szembeni ellenállás - Károsodás formái: törés, kifáradás, kúszás, korrózió, kopás - A repedést tartalmazó anyag nem feltétlenül törik el terhelés alatt, ellenáll a repedés terjedésének, ez a törési szívósság - Kifáradás: a folyáshatárnál kisebb feszültség ciklikus változása okozza, lassan megy végbe, terjedő repedések, majd törés, kifáradási határ: amelynél kisebb igénybevétel esetén biztosan nem törik - Kúszás: folyáshatárnál kisebb, tartós feszültség, olvadáspont felénél magasabb hőmérséklet. A kúszáshatár megmutatja mekkora feszültséggel terhelhető az anyag, hogy ne haladja meg a kiszabott alakváltozást bizonyos idő alatt 3.8. Anyagvizsgálati eljárások - Mechanikai tulajdonságok vizsgálata: szakító-, hajlító-, nyomó-, ütő-, fárasztó-, kúszásvizsgálat, keménységmérés, törésmechanikai vizsgálatok - Mikroszerkezetvizsgálati módszerek: optikai, pásztázó, transzmissziós mikroszkópos, röntgendiffrakciós vizsgálatok - Roncsolásmentese anyagvizsgálati módszerek: vizuális vizsgálat, röntgensugaras átvilágítás, ultrahangos, akusztikus emissziós, örvényáramos, mágneses hibakereső 4. FEJEZET: A LEGFONTOSABB GYÁRTÁSI ELJÁRÁSOK 4.1. Az egylépcsős és a többlépcsős öntészeti eljárások. A porkohászati eljárások - Formakitöltés módja szerint: folyamatos öntés, gravitációs öntés, nyomásos öntés, kiszorításos öntés, présöntés, sajtolóöntés, félszilárd öntés, vákuumos öntés, pörgetéses öntés - Formázás osztott formákkal: homokforma: homok+kötőanyag héjforma: a formázóanyag mennyisége jelentősen csökken fémforma: többször felhasználható kerámiaforma - Formázás osztatlan formával: pörgetéses öntés, precíziós öntés, különleges formák - Porformázási eljárások: - alapanyag megolvasztása nélkül, finomszemcsés porból, majd kiégetés - szinterelés: előkészített por présformába helyezése, sajtolása, kiégetés - izostatikus melegsajtolás: nagy hőmérsékletű gáz, nagy nyomáson 4.2. Forgácsolási eljárások - Esztergályozás: a munkadarab forog, mellékmozgást végez az esztergakés, csavarmenetek - Marás: a maró forog, a munkadarab mellékmozgást végez, alapesetben síkfelületekhez - Fúrás: fúrás és dörzsölés, a munkadarab áll, a fúró forog - Gyalulás, hornyolás, horonyvésés - Üregelés - Fogazás - Fűrészelés 4.3. Képlékenyalakítási eljárások - Az anyagban folyáshatár feletti feszültség van - Szerszámok egyenesvonalú vagy forgómozgást végeznek, vagy a munkadarab mozog - Melegalakítás, félmeleg- és hidegalakítás - Kerámiák és üvegek olvadáspont közelében - Lapostermékek: lemez, szalag, hengereléssel - Hosszú termékek: rúd, cső, huzal, profil, sín, kovácsolás, húzás, lyukasztás - Térfogat-alakító eljárások: szabadalakító kovácsolás, lapítás, nyújtás, tágítás, hasítás zömítés, duzzasztás, süllyesztékes kovácsolás, folyatás, kisajtolás, melegsajtolás, extrudálás, húzás - Lemezalakító eljárások: hengerelés, mélyhúzás, hajlítás, élhajlítás, domborítás, fémnyomás, mángorlás, lyukasztás, kivágás, finomkivágás, robbantásos alakítás 4.4. Az oldhatatlan kötések technológiái: hegesztés, forrasztás, ragasztás - Forrasztás: - Megolvadt forraszanyag nedvesíti és beteríti a felületeket, erős adhéziós kötés foknál nagyobb forraszanyag olvadáspontja: keményforrasztás, alatta lágyforrasztás - Hegesztés: - Oldhatatlan és folytonos kohéziós kapcsolat (ekkor kötőhegesztés), eltűnnek az eredeti kontúrok - Ömlesztőhegesztés: helyi megömléssel jár, megolvad a felület, nincs erőhatás. Fajtái: fogyóelektródás, volfrámelektródás, bevonatelektródás - Sajtolóhegesztés: külső erőhatás képlékeny alakváltozáshoz - Hegesztőanyagok: hegesztőhuzalok, bevonatos elektródák, védőgázok, fedőporok

5 - Ragasztók: azok az anyagok, amelyek alkalmasak arra, hogy azonos vagy különböző anyagok felületeit tartósan összekapcsolják. Ezt fizikai vagy kémiai átalakulás során érik el Hőkezelési és felületkezelési technológiák -Hőkezelés: - hevítéssel és lehűtéssel új tulajdonságú anyag - lágyítás: lassú hűtés (perlit) - normalizálás: szobahőmérsékleten hűtés - edzés: gyors hűtés 5. FEJEZET: A VASÖTVÖZETEK ÁLTALÁNOS JELLEMZŐI ÉS AZ ÖNTÖTTVASAK 5.1. A vas szén egyensúlyi fázisdiagram 5.2. A vasötvözetek ötvözői és szennyezői - Ötvöző: a mátrixban elhelyezkedő komponens, ha nemkívánatos a jelenléte, szennyezőnek nevezzük. Az ötvözők: C,Mn,Si, A szennyezők: O,H,N,S,P 5.3. Az öntöttvasak típusai, tulajdonságai és alkalmazása - Lemezgrafitos öntöttvas: szilárdság, rugalmassági modulus stb annál nagyobb, minél kisebb a grafit mennyisége, jól önthető, olcsóbb, kopásálló, nagy ridegség, nagyméretű alkatrészeknél használt (pl. utcai kút) - Gömbgrafitos öntöttvas: nagy szilárdság, nagy nyúlásra képesek (pl. tengely, csatornafedél) - Temperöntvények: alapanyag tempervas, fehér- és fekete temperöntvények, növelt szilárdságú, szívós öntvények, kopásálló (pl. mezőgazdasági gépek, hajtórudak, motor) - Acélöntvények: kis széntartalmú acélból, kisebb szívósság (pl. tehergépkocsik, vasúti járművek hajtáslánca és fékrendszere) 6. FEJEZET: AZ ÖTVÖZETLEN SZERKEZETI ACÉLOK 6.1. Az ötvözetlen, a finomszemcsés és a légköri korróziónak ellenálló acélok Ötvözetlen acélok főbb csoportjai: szerkezeti acélok, nyomástartó berendezések acéljai, csőtávvezetékek acélanyagai, gépacélok, betonacélok vasbetonszerkezetekbe, feszítőhuzalok vasbetonszerkezetekbe, sínacélok, jól hidegalakítható acéllemezek, nagyszilárdságú, hidegalakítható acélok, ónozott acéllemezek csomagolási célra, acélok elektrotechnikai célra Légköri korróziónak jól ellenálló acélok: réz van bennük, villamos-távvezetékoszlopok, talajba fektetett melegvízcsövek, tengerparti acélszerkezetek Finomszemcsés szerkezeti acélok: az ötvözetlen acélok ötvözőtartalmának felső határértéke nagyobb, mikroötvözött, nagymértékű hidegalakításra alkalmas, gépkocsik alváz- és burkolatelemei

6 6.2. Nemesíthető acélok. Betétben edzhető acélok Nemesacélok: fokozott követelmények, kisebb szennyezőtartalom, szigorú kémiai összetétel leírás, zárványtartalomra vonatkozó követelmények Nemesített acél: edzés után fokon megeresztett, majd szabadon lehűtött acél Nemesíthető acélok: C tartalom min 0,2% nagy folyáshatár, ellenálló Betétben edzhető acélok: nagy felületi keménység, kopásállóság 6.3. Betonacélok. Automataacélok Betonacél: vasbeton alapvető összetevője, ötvözetlen acél hengerhuzal, hajlítható Automataacélok: jól forgácsolhatóak, törékenységet fokozó elemek vannak benne, csavarok