Atomerőművi anyagvizsgálatok. 1. előadás: Anyagismereti alapok, szerkezeti anyagok és tulajdonságaik, Fémtan és a Vaskarbon

Átírás

1 Budapesti Műszaki- és Gazdaságtudományi Egyetem (BME) Nukleáris Technikai Intézet (NTI) Atomerőművi anyagvizsgálatok 1. előadás: Anyagismereti alapok, szerkezeti anyagok és tulajdonságaik, Fémtan és a Vaskarbon állapotábra Tárgyfelelős: Kiss Attila, tudományos segédmunkatárs, BME NTI ősz

2 Köszönetnyilvánítás: Kiss Attila előadásainak diái részben Dr. Csizmazia Ferencné tanárnő (SZE-Győr) tanévi előadásainak anyagai és a tanárnő interneten fellelhető diái alapján készültek. *** Jelen előadás szerzője (tanárnő egykori hallgatója) ezúton is köszönetet mond Dr. Csizmazia Ferencné tanárnőnek (SZE-Győr) az emlékezetes előadásokért és a diák közreadásáért! Kiss Attila Tudományos segédmunkatárs BME NTI Atomerőművi anyagvizsgálatok 2/96

3 Néhány fontos tudnivaló a tárgyról

4 Néhány fontos tudnivaló a tárgyról 1/4 Kiss Attila / BMETE80MF15 Évközi számonkérés/vizsga Atomerőművi anyagvizsgálatok 4/96

5 Néhány fontos tudnivaló a tárgyról 2/4 Zárthelyi! Atomerőművi anyagvizsgálatok 5/96

6 Néhány fontos tudnivaló a tárgyról 3/4 Főleg lexikális anyagismereti, anyagvizsgálati háttértudást nyújt a későbbi gyakorlati ismeretek elsajátításához. Gyakorlati ismereteket fognak átadni többségében hazai atomenergetikai szakemberek Atomerőművi anyagvizsgálatok 6/96

7 Néhány fontos tudnivaló a tárgyról 4/4 Előadások ideje: szerdánként, 12:15-14:00 BME-s előadások helye: R215 A tantárgyhoz kapcsolódó előadások pdf formátumban letölthetőek: Kérdés esetén engem keressenek: BME R 317/7a vagy kissa@reak.bme.hu vagy A zárthelyin és vizsgán az előadások és a jegyzet egésze képezi a számon kért tananyagot. A zárthelyin/vizsgán kétféle kérdés típus fordulhat elő: 1. Lexikális tudást számon kérő kérdések, amelyekre adandó válaszok explicit módon szerepelnek az előadások vagy a jegyzet anyagaiban (~50% +/-10%); 2. A megszerzett tudás alkalmazását számon kérő kérdések, amelyekre adott válaszok implicit módon szerepelnek az előadások és a jegyzet anyagaiban, tehát a válaszhoz az előadáson elhangzottak és a jegyzetben leírtak logikus gondolkodást követő alkalmazásán keresztül vezet az út (~50%+/-10%) Atomerőművi anyagvizsgálatok 7/96

8 Az előadás tartalma 1. Anyagismereti alapfogalmak (mérnöki szempontból) 2. Az ipari vagy szerkezeti anyagok 3. A szerkezeti anyagok tulajdonságai 4. A szerkezeti anyagok fajtáinak általános tulajdonságai 5. A metallográfia és jelentősége 6. Fémtani alapfogalmak 7. A vas- karbon ötvözetrendszer Atomerőművi anyagvizsgálatok 8/96

9 Anyagismereti alapfogalmak Miért van szükség ezekre az ismeretekre?

10 Anyagvizsgálat elve Az anyagismeret tárgya az anyag, eszköze az anyagvizsgálat! Anyagvizsgálat elve: egy rendszert gerjesztünk és mérjük a rendszer válaszát és a válasz jellemzi a rendszer belső struktúráját! y(x)=b*a*x b (egyszerű egytagú kifejezés, de lehet többtagú is!) x gerjesztés (adó); B geometriai paraméter; y a mért rendszer válasz (vevő); a, b a kapott információ (detektált hiba, anyagjellemző, stb) Atomerőművi anyagvizsgálatok 10/96

11 Példa az anyagvizsgálat elvére Atomerőművi anyagvizsgálatok 11/96

12 Az anyagvizsgáló szerepe Az anyagvizsgáló az a személy, aki látja a technológiák eredményét, ezért neki fontos visszajelző szerepe van: visszajelzés a technológusoknak / tervezőknek / karbantartóknak / döntéshozóknak. Az anyagvizsgáló: A karbantartó: A technológus: A tervező: Atomerőművi anyagvizsgálatok A döntéshozó: 12/96

13 Az anyagvizsgálat célja Az anyagvizsgálat célja az anyagválasztás (adott funkcióra milyen anyagot válasszunk), karbantartás (ellenőrzés, kármegelőzés) és kárelemzés segítése (azonos okú hiba jövbeli elkerülése) Atomerőművi anyagvizsgálatok 13/96

14 Az anyagvizsgálat trendje Az anyagvizsgálat trendje: az anyagvizsgálattal szembeni elvárások világszerte nőnek és a mérés (drágább) helyett analitikus analízis vagy numerikus szimulációkat (olcsóbb) alkalmaznak egyre inkább Atomerőművi anyagvizsgálatok 14/96

15 Élettelen Vs. élő Az élettelen testekben léteznek időben makroszkopikusan azonos állapotok, míg az élő szervezetben nem. Ez az alapvető különbség az anyagismeret és az élő szervezetek anyagtudománya (biológia és orvostudomány) között! Atomerőművi anyagvizsgálatok 15/96

16 Közvetlen Vs. közvetett módszer A felületi szemrevételezés az egyetlen közvetlen módszer, a többi valamilyen jelenség kihasználásán alapul: anyagismeret = anyagtudomány! Atomerőművi anyagvizsgálatok 16/96

17 Az anyag definíciója Def. 1. (~fizikusi szemlélet): Az anyag közönségesen az a szubsztancia, amiből a tárgyak állnak. Ez építi fel a megfigyelhető Világegyetemet. A relativitáselmélet értelmében nincs különbség az anyag és az energia között, mivel kölcsönösen egymásba alakíthatók. E = m * c 2 E energia [J] m tömeg [kg] c fény vákuumbeli sebessége [m/s] Def. 2. (mérnöki szemlélet): Az ember nyeri ki a természetből és alakítja át olyanná, ahogy az igényeinek a legjobban megfelel Atomerőművi anyagvizsgálatok 17/96

18 Az anyag körforgása 1/2 Természetben megtalálható anyag Természetes lebomlás Hulladék Természetes vagy ember okozta elhasználódás Szelektív hulladékgyűjtés Recycling Késztermék Bányászat Nyersanyag Ipari feldolgozás Atomerőművi anyagvizsgálatok 18/96

19 Az anyag körforgása 2/2 A termékek feladatuk teljesítése után hulladékká válnak. A hulladékot kezelni kell. Ez lehet: Újrafeldolgozás, újrahasznosítás Megsemmisítés Ártalmatlanítás Végleges elhelyezés a természetbe Atomerőművi anyagvizsgálatok 19/96

20 Az anyagok csoportosítása 1/3 a., Halmazállapotuk szerint: - Szilárd (~szerk. anyag); - Cseppfolyós; - Légnemű; (Szuperkritikus fluidum) (plazma állapot) Atomerőművi anyagvizsgálatok 20/96

21 Az anyagok csoportosítása 2/3 b., Eredet szerint: - Szervetlen fémek, kerámiák, kompozitok, stb.; - Szerves természetes eredetűek pl. gumi, fa, bőr stb. mesterségesen előállított műanyagok Atomerőművi anyagvizsgálatok 21/96

22 Az anyagok csoportosítása 3/3 c., Felhasználás szerint: - Energiahordozók (pl. fosszilis tüzelőanyagok); - Ipari anyagok (pl. egy bicikli acél alkatrészei); - Létfenntartáshoz szükséges (pl. élelmiszer). Kb. 23% Kb. 30% energia hordozók ipari anyagok élelmiszerek Kb. 47% Atomerőművi anyagvizsgálatok 22/96

23 Energiahordozók Eloszlásuk és felhasználásuk a Földön egyenlőtlen, de nélkülük a modern emberi élet ma már elképzelhetetlen Atomerőművi anyagvizsgálatok 23/96

24 A primerenergia-források régiónkénti megoszlása Szén Afrika 3% Ázsia, Ausztrália 38% Észak- Amerika 10% Dél- és Közép- Amerika 1% Nyugat- Európa 3% Közel-Kelet 0% FÁK és Kelet- Európa 45% 12. ábra. A világ műrevaló szénvagyonának régiónkénti megoszlása Atomerőművi anyagvizsgálatok 24/96

25 A primerenergia-források régiónkénti megoszlása Kőolaj Nyugat- Európa 2% Ázsia, Ausztrália 4% Dél- és Közép- Amerika 8% Afrika 6% FÁK és Kelet- Közép- Európa 6% Közel-Kelet 65% Észak- Amerika 9% 13. ábra. A világ műrevaló kőolajvagyonának régiónkénti megoszlása Atomerőművi anyagvizsgálatok 25/96

26 A primerenergia-források régiónkénti megoszlása Földgáz Észak- Amerika 6% Afrika 7% Ázsia, Ausztrália 7% Dél- és Közép- Amerika 4% Nyugat- Európa 4% FÁK és Kelet- Európa 40% Közel-Kelet 32% 14. ábra. A világ műrevaló földgázvagyonának régiónkénti megoszlása Atomerőművi anyagvizsgálatok 26/96

27 A primerenergia-források régiónkénti megoszlása Urán Dél-Amerika 5% Ázsia 4% Nyugat- Európa 4% FÁK és Kelet- Európa 26% Ausztrália 17% Észak- Amerika 20% Afrika 24% 15. ábra. A világ műrevaló uránvagyonának régiónkénti megoszlása Atomerőművi anyagvizsgálatok 27/96

28 A megújulók részaránya Atomerőművi anyagvizsgálatok 28/96

29 A megújuló energiaforrások fajtái Víz Biomassza Szél Nap Geotermikus Árapály, tengeri hullámzás majdnem mind a Nap energiájának hatására Atomerőművi anyagvizsgálatok 29/96

30 A primerenergia-források régiónkénti megoszlása A felhasználás és a primerenergia-források régiónkénti eloszlása nagyon különböző Feszültségek: Importfüggőség Ellátásbiztonság csökkenése Nemzetközi konfliktusok Atomerőművi anyagvizsgálatok 30/96

31 Ipari vagy szerkezeti anyagok Mindazon anyagok amelyekből használati tárgyaink, épületeink, gépeink, vagyis a techno szféra minket mindenhol körbevevő eszközei készülnek Atomerőművi anyagvizsgálatok 31/96

32 Az ipari anyagok relatív fontossága Atomerőművi anyagvizsgálatok 32/96

33 Élelmiszerek Az vagy, amit megeszel. Az elfogyasztott élelmiszer mennyisége és minőssége alapvetően meghatározza egészségi állapotunkat és életminőségünket Atomerőművi anyagvizsgálatok 33/96

34 A földi élet modern kori ellentmondásai Az emberi tárgyiasult evolúció miatt túl gyorsan változik az ember környezete. Minden betegségnek a génállományunk és a minket körülvevő világ közt feszülő konfliktus az alapja. Az evolúciós diszkordinációnak nevezett jelenség akkor figyelhető meg, amikor az élőlények a környezetük változásának gyorsaságát nem tudják megfelelő ütemben követni, és a DNS-ben nem mennek végbe az alkalmazkodáshoz szükséges változások. Ennek következményeként az alkalmazkodóképességgel épp ellentétes előjelű folyamat veszi kezdetét, ami a betegségekre való fokozott hajlamban nyilvánul meg. A modern élet kihívásaival csak akkor képes megküzdeni a szervezetünk, ha a DNS-adaptációban aktívan segítjük, legalábbis reményeink szerint. Nézzük a táplálkozással kapcsolatos ellentmondásokat! Külvilág Külvilág Külvilág Külvilág 1. Interakciós csatorna: A külvilágból érkező jeleket egyrészt az érzékszerveinken keresztül az agy kapja, ami feldolgozza azokat. Információs csatornák az emberi szervezet és a külvilág között Atomerőművi anyagvizsgálatok 34/96 Külvilág 2. Interakciós csatorna: a másik interakció a szervezetünk és a külvilág között a táplálkozáson keresztül történik. Ahogy már szó volt róla, táplálékaink olyan, külső környezetünkből jövő információkat hordoznak, amelyek képesek módosítani a génkifejeződést, vagyis az anyagcsere és az immunrendszer működését.

35 Ellentmondások az élelmiszerekkel, táplálkozással kapcsolatban Politikai és társadalmi problémák Kb. 10 ezer éve kezdődött folyamat eredményeként az élelmiszer ipari termékké vált! Földünkön egyszerre, de földrajzilag jól elhatárolható módon vannak jelen a táplálékbőség miatti (elhízás, keringési betegségek, cukorbetegség, stb.) és a táplálékhiány (éhhalál, éhezés, fertőzött víz, ivóvízhiány, stb.) okozta betegségek, táplálkozási és egészségügyi problémák! Ma egy átlagos ember élete alatt tonna élelmiszert fogyaszt el. Ez a hatalmas mennyiség testünknek nem csupán kalória és energia, hanem komplex molekuláris jelek is, amelyek a génkifejeződést, tehát szervezetünk sejtjeinek működését szabályozza. Minden ember egyedi génkészlettel rendelkezik, így egyedi az az étrend, ami számára ideális. Egyedi pozitív és negatív tulajdonságokkal (pl. ételallergia, különböző betegségre való hajlam úgymint cukorbetegség, stb.) bír. Ennek ellenére nagy tömegek fogyasztják a (túl)finomított, hidrogénezett, adalékolt, vegyszereket tartalmazó, feldolgozott, ipari módszerekkel előállított élelmiszereket. Ezen táplálékok hosszú távú egészségügyi hatása vitatott! GDP nominal per capita world map IMF 2009.png Atomerőművi anyagvizsgálatok 35/96

36 Ellentmondások az élelmiszerekkel, táplálkozással kapcsolatban Oktatási és morális problémák Az elfogyasztott élelmiszer mennyisége (gyakori probléma a túlzott kalória bevitel, minek eredménye a túlsúly és elhízás) és minőssége (kalória és kalória között is van különbség, pl. a vitamin és ásványi anyag tartalma) alapvetően meghatározza egészségi állapotunkat és életminőségünket. Ennek ellenére nem tanítanak meg bennünket a helyes, egyedi adottságainkat, nemünket, életkorunkat, életmódunkat, jelenlegi állapotunkat figyelembe vevő táplálkozásra, annak ellenére, hogy amennyire kifinomult és csodálatos az emberi test, annyira sérülékeny is. Ha egy olyan egyszerű eszközhöz, mint egy smart TV jár kezelési és karbantartási útmutató, akkor az ennél sokkal bonyolultabb emberi testhez miért nem? Erre a fontos témára miért nem tér ki a felnövekvő generációk oktatása? Nem lenne-e az érettség(i) jele a helyes táplálkozásra való képesség? A helytelen táplálkozás miatti, hosszú évek alatt kialakuló betegségek és megromló életminőség kockázata vállalható? Valóban jó, ha csak akkor tudjuk értékelni az egészséget, ha már megbetegedtünk? A modern fogyasztói társadalomban a profit előbbre való, mint az egészség és a magas életminősség? A helyes tájékoztatásban vajon érdekelt az élelmiszer- és gyógyszeripar? Elég, ha csak a tüneteket enyhítjük alopata módon gyógyszeres kezeléssel? Nem kellene-e az előidéző okokat (pl. helytelen táplálkozás, szennyezett ételek, környezet szennyezés, stresszes életmód, stb.) megszűntetni? Atomerőművi anyagvizsgálatok 36/96

37 A modern táplálkozás, új eredmények A helytelen táplálkozás a többi hajlamosító tényező mellett (úgymint a szennyezett ételek fogyasztása, környezetszennyezés, stresszes életmód, mozgásszegény életvitel, stb.) betegséget idézhet elő, jellemzően közép (5-10 év) és hosszú (évtizedes) időtávon. Jelenleg is aktív kutatások témája, hogy az élelmiszerekben lévő tápanyagok, adalékok, vegyszerek miként képesek interakcióba lépni génjeinkkel és módosítani a sejtválaszt. A táplálkozásunk milyensége előidézője vagy megrontója lehet egészségünknek, lerontója magas életminőségünknek. Ergo életbevágó a helyes táplálkozás és a tudatos étkezés. A mai (pazarló, merev és drága) orvoslás korlátait jól ismerjük: a terápiák legfeljebb arra jók, hogy meghosszabbítsák az életet, de annak minőségén kevéssé tudnak javítani. Ennek valószínű oka, hogy a tüneteket és a betegséget kezelik, nem az előidéző okokat akarja megszűntetni és nem a beteg személy, hanem a betegség gyógyítása a cél, figyelmen kívül hagyva a psziché és a táplálkozás hatását a gyógyulási folyamatra. (Elvi probléma, ami paradigmaváltásért kiált!) Atomerőművi anyagvizsgálatok 37/96

38 A modern táplálkozás, új eredmények A megoldás lehetséges módjai: A környezetszennyezés hatásainak megismerése és a környezetszennyezés leállítása (káros külső ingerek minimalizálása); Az iparilag előállított élelmiszerek rövid-, közép- és hosszú távú egészségügyi hatásainak hiteles kivizsgálása, majd az eredmények alapján szelektálás az ipari feldolgozó, adalékoló, vegyszerező folyamatok között; A helyes, egyedi adottságainkat, nemünket, életkorunkat, életmódunkat, jelenlegi állapotunkat figyelembe vevő táplálkozásra való nevelés és oktatás bevezetése az alapszíntű oktatásba; Amennyire lehetséges, az élelmiszer profittermelő jellegének megszűntetése, az egészséges élelmiszerrel való ellátás közösségi feladatba vétele (utópia a nagyvállalatok erős lobbi ereje miatt); Atomerőművi anyagvizsgálatok 38/96

39 Az ipari vagy szerkezeti anyagok

40 Ipari anyagok (szerkezeti anyagok) 1/2 Technológiailag hasznos tulajdonságú anyagok. Megfelelő előállítási eljárás és alak kialakítás után konstrukciós és funkciós anyagoknak nevezik őket, és az egész technika anyagbázisát alkotják. A műszaki termékek előállításához a szerkezeti anyagokat a megkívánt műszaki funkciókhoz célzottan kell kiválasztani optimális módon figyelembe véve: A szükséges anyag és energia felhasználást; Az eszköztől megkívánt minőséget; Az eszköztől megkívánt megbízhatóságot; A környezetvédelem szempontjait; Gazdaságossági szempontokat; Az eszköztől megkívánt élettartamot Atomerőművi anyagvizsgálatok 40/96

41 Ipari anyagok (szerkezeti anyagok) 2/2 Az anyagok szempontjából, az emberiség tárgyiasult evolúciója miatt az ipari anyagok a legfontosabbak, mivel az ipari anyagokból előállított eszközökkel előállíthatóak/kinyerhetőek a létfenntartáshoz szükséges anyagok és az energiahordozók is. Az ipari anyagok csoportosítása a makroszkopikus szerkezeti szinten: 1. Fémek (legjelentősebb az Fe, Al, Cu, Ti, stb.); 2. Kerámiák (porcelán (villamos szigetelő), stb.); 3. Polimerek (különféle műanyagok, stb.); 4. Kompozit társított anyagok (farost + enyv = bútorlap, szénszálerősítű műanyag, stb.) Atomerőművi anyagvizsgálatok 41/96

42 A szerkezeti anyagok tulajdonságai Az anyagok makroszkopikus tulajdonságait a mikroszkopikus tulajdonságok (alkotó atomok kémiai minősége elemi összetétel, atomok közötti kapcsolat, stb.) határozzák meg. Ezért fontos ismernünk az anyagok mikroszkopikus tulajdonságait és azok vizsgálati módszereit. Az ipari gyakorlatban elterjedt anyagvizsgálati eljárások vizsgálhatják az anyag: Makroszkopikus (folyáshatár, ellenállás, össztömeg, stb.); Mikroszkopikus tulajdonságait (kémiai összetétel, szövetszerkezet, stb.) Atomerőművi anyagvizsgálatok 42/96

43 A szerkezeti anyagok tulajdonságai

44 Az anyagok tulajdonságai Fizikai tulajdonságok: o Mechanikai (pl. folyáshatár, Young modulus), o Termikus(pl. hőtágulás, hővezetési tényező), o Elektromos (pl. villamos vezetőképesség), o Mágneses (pl. mágneses permeabilitás), o Akusztikai (pl. hangsebesség), o Optikai (pl. törésmutató), o Sugárfizikai (pl. tömeggyengítési együttható), részleteiben nem foglalkozunk vele! Atomerőművi anyagvizsgálatok 44/96

45 Szerkezeti anyagok mechanikai tulajdonságai

46 A szerkezeti anyagok viselkedése az igénybevételekkel szemben A szerkezeti anyagok legfontosabb tulajdonsága, hogy ellenállnak a külső igénybevételekkel szemben, tehát terhelhetők. Az igénybevételek összetettek és különbözőek. A szilárdsági számítások során ezeket az összetett igénybevételeket jól definiálható alapesetekre un. egyszerű igénybevételekre vezetjük vissza, és ezek szuperpozíciójaként értelmezzük a szerkezet terhelését Atomerőművi anyagvizsgálatok 46/96

47 Az igénybevételek jellemzése Az igénybevétel hatása szerinti felosztás: Teljes anyagtérfogatra ható igénybevételek, A felületre ható igénybevételek, Pontban ható igénybevételek. Az igénybevétel időbeli lefolyása szerinti felosztás: Statikus, Dinamikus, lökésszerű, Ismétlődő, fárasztó, Az előbbi három kombinációja Atomerőművi anyagvizsgálatok 47/96

48 Az egyszerű igénybevételek Nyírás Nyomás Atomerőművi anyagvizsgálatok 48/96

49 Az igénybevétel nagyságának mérőszáma A mechanikai igénybevétel számszerű értéke a felület egységre ható belső erő, a (mechanikai) feszültség. Ha a feszültség a felület elemre merőleges, normál ( ) feszültségről, ha a felület síkjában hat, csúsztató ( ) feszültségről beszélünk. Mértékegysége : N/mm 2 vagy MPa, azaz MN/m Atomerőművi anyagvizsgálatok 49/96

50 Az anyag viselkedése terhelés hatására Az anyagok lehetnek: Szívósak (képlékenyek) vagy ridegek Atomerőművi anyagvizsgálatok 50/96

51 Szívós vagy képlékeny anyag A tönkremenetelt (törést) jelentős nagyságú maradó alakváltozás előzi meg, ami sok energiát emészt fel. A töretfelület szakadozott, tompa fényű Atomerőművi anyagvizsgálatok 51/96

52 Rideg, nem képlékeny törés A rideg, nem képlékeny törés esetében a törést nagyon kicsi vagy semmi maradó alakváltozás sem előzi meg, és a repedés kialakulása után viszonylag kevés energiát kell befektetni az anyag eltöréséhez Atomerőművi anyagvizsgálatok 52/96

53 Szerkezeti anyagok termikus tulajdonságai

54 Hőtágulás [ ] Lineáris ( L vagy d egyirányú); Térfogati háromirányú) hőtágulás. ( V A hőtágulás mértéke: L = L o T V = V 0 T Atomerőművi anyagvizsgálatok 54/96

55 Hővezető képesség A hő terjedése a szilárd szerkezeti anyagokban döntően hővezetéssel történik. Az ötvöző és szennyező elemek a hővezető képességet általában csökkentik. Hővezetési tényező: l [W/m/K]. Ha l<0,2 [W/m/K]: szigetelő anyagról beszélünk! Atomerőművi anyagvizsgálatok 55/96

56 Szerkezeti anyagok elektromos tulajdonságai

57 Elektromos tulajdonságok A fajlagos ellenállás (,[ *mm 2 /m) illetve a reciproka a fajlagos elektromos vezető képesség ( ) az anyagok elektromos töltésátvivő képességét jellemzi: Ahol: ρ a fajlagos ellenállás, l a vezető hossza, A a vezető keresztmetszete és az R a vezető ellenállása. Molekuláris adatokkal: m e az elektron tömege, e a töltése; n a térfogatban található elektronok száma; v az elektronok átlagos sebessége; a λ az elektronok átlagos úthossza Atomerőművi anyagvizsgálatok 57/96

58 Elektromos tulajdonságok Az anyagok a fajlagos ellenállás alapján csoportosíthatók, mint: Vezetők, Félvezetők, Szigetelők Atomerőművi anyagvizsgálatok 58/96

59 A szerkezeti anyagok villamos ellenállása Atomerőművi anyagvizsgálatok 59/96

60 Szerkezeti anyagok mágneses tulajdonságai

61 Mágneses tulajdonságok Mágneses erőtérben valamilyen kölcsönhatást minden anyag mutat. Az anyagban kialakuló mágneses indukció B az azt létrehozó H mágneses térerősségtől és az anyagi jellemzőktől függ. Az anyag fontos jellemzője: a mágneses szuszceptibilitás ( a mágnesezhetőségre való érzékenység); és a mágneses permeabilitás, amely azt fejezi ki, hogy hányszor nagyobb B-t tud létrehozni H az anyagban a vákuumhoz képest, vagyis, hogy az anyag milyen mértékben képes erősíteni a mágneses mezőt Atomerőművi anyagvizsgálatok 61/96

62 Szerkezeti anyagok optikai tulajdonságai

63 Optikai tulajdonságok Az anyagok optikai tulajdonságai alatt a fénnyel (foton-nyalábbal) való kölcsönhatást értjük. Valamely anyag átlátszó, ha a belsejében gyakorlatilag nem jön létre fotonelnyelődés, a fényelnyelés (abszorpció) és a visszaverődés (reflexió) gyakorlatilag elhanyagolható. Ilyen pl. az amorf üveg. Ha az anyag a keverék fehér fény meghatározott hullámhosszú részét elnyeli (szelektív abszorpció) az anyag színesnek látszik Atomerőművi anyagvizsgálatok 63/96

64 Optikai tulajdonságok Az optikailag áttetsző anyagokon a fény diffúz módon hatol át, vagy a belsejében erősen szóródik, ezeken átnézve a kép nem éles. pl. részben kristályos műanyagok. Az optikailag átlátszatlan anyagon a fénysugár csak abszorbeálódik vagy reflektálódik. pl. fémek Atomerőművi anyagvizsgálatok 64/96

65 Optikai tulajdonságok Az anyagok fontos mutatói o a fényáteresztési, o az elnyelési és o a visszaverődési tényező, amelyek egymás rovására változnak és összegük 1! Atomerőművi anyagvizsgálatok 65/96

66 Szerkezeti anyagok akusztikus tulajdonságai db

67 Akusztikai tulajdonságok A szerkezeti anyagoknak a mechanikai rezgésekkel való kölcsönhatását értjük akusztikus kölcsönhatás alatt. A hang a szilárd anyagokban egyenes vonalban állandó sebességgel terjed, és sebessége: az anyag rugalmas jellemzőin kívül a hőmérséklettől és a nedvességtartalomtól függ, a frekvenciától nem Atomerőművi anyagvizsgálatok 67/96

68 A hang terjedési sebessége v v Longitudionális Transzverzális E E E - Young-modulusz [MPa] ρ Sűrűség [kg/m 3 ] ν - Poisson tényező [-] Atomerőművi anyagvizsgálatok 68/96

69 Akusztikai tulajdonságok Az olyan közeget, amelyben: a hanghullámok terjedése gyorsabb akusztikailag ritkább, amelyben lassabb akusztikailag sűrűbb anyagnak nevezzük Atomerőművi anyagvizsgálatok 69/96

70 A szerkezeti anyagok fajtáinak általános tulajdonságai

71 A szerkezeti anyagok tulajdonságai 1/4 Fémek általános tulajdonságai: Jó hő-, és elektromos vezetőképesség; Fénnyel nem átvilágíthatóak a felületi réteget kivéve nem lehetségesek optikai szövetszerkezeti vizsgálatok; Fémes fényűek; Kiváló terhelhetőséggel és szilárdsággal rendelkeznek (teherviselő szerkezeti anyagok); Jól alakíthatóak; Jellemzően újrafelhasználhatóak Atomerőművi anyagvizsgálatok 71/96

72 A szerkezeti anyagok tulajdonságai 2/4 Fémüvegek általános tulajdonságai : Csak igen vékony szalagok formájában állíthatóak elő jelenleg; Nem stabil szerkezetűek, hő hatására kristályosodnak; Lényegesen keményebbek és nagyobb szilárdságúak a fémeknél; Kiváló villamos és hővezetők Atomerőművi anyagvizsgálatok 72/96

73 A szerkezeti anyagok tulajdonságai 3/4 Kerámiák általános tulajdonságai : Minden anyagot kerámiának tekintünk, ami nem fém és nem szerves; Szerkezetük rövid távon rendezett; Rossz hő- és elektromos vezetők; Nagy a villamos ellenállásuk, ami a hőmérsékletük növelésével csökken Nagy hőállósággal rendelkeznek; Kemények, ridegek Atomerőművi anyagvizsgálatok 73/96

74 A szerkezeti anyagok tulajdonságai 4/4 Szerves anyagok, polimerek általános tulajdonságai : A szerves anyagok egymástól elkülöníthető molekulák, vagy vegyületek, az úgynevezett monomerek hosszú láncából állnak; A szerkezetük lehet szálas, elágazó vagy térben hálós; A szerves anyagok, mint például a gumi, a fa, a bőr, stb. természetes eredetűek Atomerőművi anyagvizsgálatok 74/96

75 Fémtan (ismétlés) Atomerőművi anyagvizsgálatok 75/96

76 A fémszerkezettan (metallográfia) jelentősége Kísérlet: Két azonos anyagminőségű kötőtűt fehér izzásig melegítünk, majd az egyiket vízben gyorsan lehűtünk, a másikat levegőn hagyjuk lehűlni hajlítás hatására a gyorsan lehűtött tű jelentősen meghajlik (jelentős képlékeny alakváltozást mutat szívós-képlékeny viselkedés), a másik rögtön eltörik (rideg anyagként viselkedik). A kísérlet során az összetétel nem változott, de a tűk tulajdonságai igen! A változás oka: az acél kötőtűk kristályszerkezetének eltérő megváltozása a különböző hűtési sebesség miatt! Atomerőművi anyagvizsgálatok 76/96

77 A fémszerkezettan (metallográfia) jelentősége A kristályos anyagok fizikai tulajdonságait a kristályszerkezet nagymértékben befolyásolja! Pl. 1.: elemi szén két megjelenési formája a grafit és a gyémánt az eltérő tulajdonságok oka az eltérő kristályszerkezetük Pl. 2.: a vas és ötvözeteinek kristályszerkezetei a fémek szerkezetével egy külön tudomány, a fémszerkezettan (metallográfia) foglalkozik! Atomerőművi anyagvizsgálatok 77/96

78 A metallográfia és jelentősége (ismétlés) Atomerőművi anyagvizsgálatok 78/96

79 A fémszerkezettan (metallográfia) jelentősége A fémek makroszkopikus tulajdonságait kristályrácsuk szerkezete nagymértékben befolyásolja! Ezért érdemes megismerni a fémek leggyakoribb rácsszerkezeteit A fémek általában szabályos (köbös) rendszerben kristályosodnak! Atomerőművi anyagvizsgálatok 79/96

80 A fémszerkezettan (metallográfia) jelentősége A köbös térrácsnak több változata van: Egyszerű köbös EK (pl. Pd - palládium) Térközepes köbös TKK (pl. Cr; W; Mo; Fe; V) Lapközepes köbös LKK (Al; Ni; Cu; Ag; Fe) Atomerőművi anyagvizsgálatok 80/96

81 A fémszerkezettan (metallográfia) jelentősége A köbös térrács változatai: EK (pl. Pd - palládium) TKK (pl. Fe α vas) LKK (pl. Fe γ vas) Az Fe-nek T [ C] függvényében kétféle rácsszerkezete, kristálymódosulata létezik: α vas (TKK) <910 C< γ vas (LKK) (az allotróp átalakulás csak lassú melegítés/hűtés esetén játszódik le 910 C-on) Atomerőművi anyagvizsgálatok 81/96

82 A fémszerkezettan (metallográfia) jelentősége A kristályos anyagok rácsszerkezetének átrendeződését, átkristályosodásnak nevezzük, mely egy megfordítható (reverzibilis) folyamat. Azt a hőmérsékletet, amelyen az átkristályosodás létrejön, átkristályosodási kritikus hőmérsékletnek nevezzük (pl.: Fe-nél 910 C) Az Fe átkristályosodása lassú melegítés/hűtés esetén következik be pontosan 910 C-on! Ha a hőmérséklet-változás gyors, akkor melegítéskor az átkristályosodás 910 C fölött, hűtéskor alatta következik be! Az eltérés annál nagyobb, minél nagyobb a hűtés/melegítés sebessége! Vagyis az átkristályosodási hőmérsékletet a hőmérséklet változás sebessége is befolyásolja! Atomerőművi anyagvizsgálatok 82/96

83 Fémtani alapfogalmak Ismétlés Atomerőművi anyagvizsgálatok 83/96

84 Fémtani alapfogalmak 1/7 Színfém: Gyakorlatban nem létezik a színfém (mindig van benne kevés ötvöző vagy szennyező anyag); Néhány kivételtől eltekintve nem alkalmaznak színfémeket a gyakorlatban (kivétel pl. aranyrúd, Al vagy Cu elektromos kábelek, stb.); Előállítása drága; Általában mechanikai tulajdonságaik nem felelnek meg az elvárásoknak (pl. túl lágyak, törékenyek, ridegek, stb.). Al Au Atomerőművi anyagvizsgálatok 84/96 Ag

85 Fémtani alapfogalmak 2/7 Az ismert elemek között kb. 70 a fémes elem, amelyek közül 30-at alkalmazunk az iparban; A színfémek nagy számuk és különböző tulajdonságaik ellenére sem elégítik ki az ipar követelményeit; A követelményeknek megfelelő tulajdonságú - kellően szilárd és kemény, korrózióálló, stb. fémes anyagokat ötvözéssel állítják elő; A fémek ötvözetében fémek, félfémek (metalloidok, pl. As, Si, stb.) és nemfémes elemek (pl. C, S, P) fordulhat elő Atomerőművi anyagvizsgálatok 85/96

86 Ötvözet: Fémtani alapfogalmak 3/7 Az ötvözet a fémek megszilárdult oldata; Olyan, legalább látszatra egynemű, fémes természetű elegyet értünk ötvözet alatt, amelyet két vagy több fém összeolvasztása, vagy egymásba való olvadása útján nyerünk; Gyakorlatban döntő többségben ötvözeteket használunk Atomerőművi anyagvizsgálatok 86/96

87 Fémtani alapfogalmak 4/7 Ötvözet rendszer: Két vagy több fém alkotóból előállítható ötvözetek összességét ötvözet rendszernek nevezzük; Két, három vagy több alkotós ötvözetekről beszélhetünk; Pl.: a vas általában többalkotós ötvözetekben fordul elő, túlnyomó részt alapfémként Atomerőművi anyagvizsgálatok 87/96

88 Ötvöző: Fémtani alapfogalmak 5/7 Ötvözetbe szándékosan bevitt ötvöző elemeket (pl. vasötvözet esetén hőállóság növelésére volfrán) és szándékolatlanul bevitt szennyező anyagokat különböztetünk meg (pl. vasötvözet esetén S és P); Ha az ötvöző anyag olyan kis mennyiségben fordul elő, hogy a tulajdonságokra gyakorolt hatása elhanyagolható, akkor kísérő anyagnak nevezzük; Az ötvöző tehát az alapfémbe szándékosan bevitt, az ötvözet tulajdonságait a felhasználási cél szempontjából pozitív irányba befolyásoló anyag Atomerőművi anyagvizsgálatok 88/96

89 Fémtani alapfogalmak 6/7 Mikroötvözők: Az alapfémbe kis %-ban (jellemzően 1% alatti arányban) bevitt anyag, ami jelentősen befolyásolja az ötvözet tulajdonságait; Két fajtája van a bejutás módja szerint: Szándékos, pl. olvadáspont növelésére W acélba; Szándékolatlan, ami elve az alapfémben van, pl. a szén a vasban. Pl.: A mangánnal való mikroötvözés hatására a forrasztott kötés öregítése során, az intermetallikus réteg (IMC) vastagsága kisebb mértékben növekszik, és finomabb anyagszerkezet jön létre, mint a SAC105 és SAC305 ötvözetek esetében Atomerőművi anyagvizsgálatok 89/96

90 Fémtani alapfogalmak 7/7 Az ötvözetek csoportosíthatóak szerkezetük szerint: 1. Az egyféle krisztallitokból álló ötvözeteket egynemű (homogén) ötvözeteknek nevezzük. A szilárd oldatok egynemű felépítésű, homogén szerkezetű ötvözetek! Lásd a lenti a., ábrát 2. Ha az ötvözet fémvegyületet alkot, vagy külön kristályosodik, akkor az ötvözetben már kétféle krisztallit lesz. Ezeknek az ötvözeteknek a szerkezete heterogén, nem egynemű! A homogén ötvözetekben nincs jelen kétféle, két különböző potenciálú anyag nem jöhet létre elektrokémiai korrózió! Ezért a korrózióálló (rozsdamentes, saválló) ötvözeteknél fontos, hogy homogén ötvözetek legyenek általában szilárd oldatok! Atomerőművi anyagvizsgálatok 90/96

91 Vas- karbon ötvözetrendszer Atomerőművi anyagvizsgálatok 91/96

92 A vas 1. A vas a fémek többségéhez hasonlóan elemi állapotban nem található meg a Föld kérgében; A vasat érceiből állítjuk elő, bányászata után; A földkéreg mintegy 4,7%-át vas alkotja, több mint száz vasásvány formájában; A vas ércásványai közül legfontosabbak az oxidok, pl.: a magnetit (mágnesvasérc); a hematit (vörösvasérc); a limonit (barnavasérc); a karbonát alapú sziderit (vaspát) Atomerőművi anyagvizsgálatok 92/156

93 A vas 2. A vasat az ércből úgy állítják elő, hogy az ércet redukálják, azaz oxigéntartalmát eltávolítják; A redukciót szénnel és szén-monoxiddal valósítják meg nagyolvasztó kohókban nyersvasgyártás; A folyékony vas jól oldja a szenet (jól ötvöződik vele); A vasötvözetek terminológiájában a szenet karbonnak hívjuk; A nyersvasnak olyan magas a karbon-tartalma, hogy képlékenyen nem alakítható Atomerőművi anyagvizsgálatok 93/156

94 Vas- Karbon diagram szövetelemei (Heyn-Charpy féle iker diagram) ausztenit Olv.+cementit A vas-vaskarbid (folyamatos vonal) és a vas-grafit (szaggatott vonal) ausztenit Ausztenit + olv. GSE A3 & Acm felső átalakulási vonal, felette nincs allotróp átalakulás! Ferrit+Fe 3 C = Perlit PSK A1 alsó átalakulási vonal, alatta nincs allotróp átalakulás! Atomerőművi anyagvizsgálatok 94/96

95 A vasötvözeteket a diagram alapján csoportosíthatjuk 2,06% karbon tartalomig acélokról, az annál nagyobb karbon tartalom esetén nyersvasakról, vagy öntöttvasakról beszélünk; Az ötvözeteket tovább az eutektikus és az eutektoidos ponthoz képesti helyzetük szerint osztályozzuk: A C<0,8%-nál acélok hipoeutektoidos; ha 2,06%>C>0,8% hipereutektoidos acélok; 2,06%<C<4,3%-nál öntöttvasakat hipoeutektikus; a 6,67%>C>4,3% hipereutektikus öntöttvasaknak Atomerőművi anyagvizsgálatok 95/96

96 Vége az első előadásnak! Kérdések?