MŰSZAKI ELŐKÉSZÍTŐ ISMERETEK ANYAGOK MODUL

Átírás

1 MŰSZAKI ELŐKÉSZÍTŐ ISMERETEK ANYAGOK MODUL

2 Az ipari anyagok szerkezete és tulajdonságai 1. Az anyagok mikroszerkezete 1.1. Atom Mit tanultunk az atomokról a kémia tantárgyban? Mi az atom? a kémiai elemek azonos, kémiai módszerekkel tovább már nem bontható része sajátosságai közvetlenül szabják meg az elemek kémiai tulajdonságait az atom kémiai sajátosságai megegyeznek az elem makroszkopikus mennyiségének kémiai sajátosságaival

3 Hogyan épül fel az atom? H atom 1. héj atommag az atom felépítése: A hidrogén atomszerkezetének vázlata atom atommag proton neutron elektronok

4 Pl.: az elektronhéjak száma és elhelyezkedése Atommodell elektronhéjakkal

5 Az atomi részecskék jellemző tulajdonságai Részecske proton neutron elektron Relatív tömeg 1 1 Töltés +1 0 Elhelyezkedés az atomban a magban a magban 1/ a magon kívül (héjban) Egy elektromosan semleges atomban a héjon lévő elektronok száma megegyezik a magban lévő protonok számával A magban lévő protonok száma az elem rendszáma (Z) A (tömegszám) =Z (protonok száma) +N (neutronok száma)

6 Példa: elektronok: 29 protonok: 29 elektronok: 13 protonok: 13 az egy héjon lévő elektronok száma: 2n 2, ahol n a héj sorszáma

7 Ion: egy vagy több elektron megy át az egyik atomból a másikba pozitív ion (kation): elektron hiány, proton többlet negatív ion (anion): elektron többlet 1.2. Molekula Molekula: több elemből kémiai kötéssel létrejött új anyag (pl.:h 2 O) vagy azonos atomokból álló csoport legkisebb része (pl.:h 2 )

8 1.3. Kémiai kötések Ionos kötés: Egy vagy több elektron megy át az egyik atomból a másikba. A pozitív és negatív töltésű ionokat ellentétes töltésük vonzása tartja össze. Semleges Cu atom pozitív ion (kation): elektron hiány negatív ion (anion): elektron többlet egyszeres kétszeres pozitív töltésű Cu ion

9 Kovalens kötés: H H H : H Különálló atomok Kovalens kötéssel kapcsolódó atomok a kapcsolódó atomokat olyan elektronok tartják össze, amelyek pályája mindkét atommagot körülveszi A pozitív és negatív töltésű ionokat ellentétes töltésük vonzása tartja össze.

10 Fémes kötés: fémekre jellemző kötésfajta Fémionok (kationok) Összetömörülés A fémes kötés kialakulása Szabad elektronok a kötőerő a fém pozitív ionjai és a többé-kevésbé szabadon mozgó elektronok (elektronfelhő) között jön létre

11 a könnyen mozgó elektronok miatt a fémek jól vezetik az elektromosságot és a hőt van der Waals-kötés: elektromosan semleges részecskék között is kialakulhat az elektrosztatikus erő, amikor az elektronok a mag egyik oldalán egy pillanatra túlsúlyba kerülnek az egy részecskéhez tartozó elektronok számával együtt növekszik a van der Waals kötés energiája

12 Hidrogénkötés: a kapcsolat hidrogénatom és egy erősen elektronegatív atom (pl.: fluor) között jön létre a hőre lágyuló műanyagoknál igen jellemző kötésfajta a van der Waals kötést és a hidrogénkötést másodlagos kötésnek is nevezik

13 Mit nevezünk atomnak? Ismétlő kérdések atom: a kémiai elemek azonos, kémiai módszerekkel tovább már nem bontható része Mit nevezünk molekulának? több elemből kémiai kötéssel létrejött új anyag (pl.:h 2 O) vagy azonos atomokból álló csoport legkisebb része (pl.:h 2 ) Milyen kémiai kötésfajtákról tanultunk? ionos kötés kovalens kötés fémes kötés van der Waals-kötés, hidrogénkötés

14 2. A szerkezeti anyagok csoportosítása a kötés típusa alapján Fémes kötés Ionos kötés Kovalens kötés Másodlagos kötés Fémek Kerámiák Polimerek Félvezetők Mesterséges anyagok Természetes anyagok pl. acél pl. üveg pl. kavics pl. fa pl. gumi Társított (kompozit) anyagok

15 3. A szilárd halmazállapotú szerkezeti anyagok mikroszerkezete a műszaki gyakorlatban alkalmazott szerkezeti anyagok kristályos vagy amorf szerkezetűek lehetnek amorf szerkezet: az anyagon belül nem fedezhetők fel rendezett tartományok 3.1. Kristályos szerkezet a kristályos szerkezetben az egyes részecskék periodikusan ismétlődnek, szabályos geometriai rendben helyezkednek el a rácsnak azt a legkisebb - több atomból álló - szabályos részét, melynek ismételgetésével a térrács leírható, rácselemnek vagy elemi cellának nevezzük.

16 Térrács: a térrács (kristályrács): az elemi cellák elhelyezkedését leíró rendszer A térrács képe és az elemi cella képe

17 Az elemi cella különböző alakú lehet. Az elemi cella lehetséges alakjainak leírására hét fő kristályrendszer különböztethető meg I. Köbös

18 II. Tetragonális III. Rombos

19 V. Romboéderes IV. Hexagonális

20 VI. Monokilin VI. Triklin

21 A legfontosabb rácsformák módosulatai: Egyszerű köbös rács I. Köbös a térközepes köbös rácsnak 8 1/8=1 atomja van egyszerű köbös rácsa csak a polóniumnak (Po) van 1 8 atomrész

22 Térközepes köbös rács 1 atom 1 atomrész 8 a térközepes köbös rácsnak (8 1/8)+1=2 atomja van ilyen rendszerben kristályosodik a Cr, Li, K, Mo, Na, Ta, W, V, Rb, Cs, Ba, Ni, Fe 3 C

23 Térközepes köbös rács modellje

24 Lapközepes köbös rács 1 1 atomrész atomrész 8 2 az lapközepes ebben a rendszerben köbös rács kristályosodó minden lapközéppontjában fémek: Cu, Al, is Au, tartalmaz Ag, Pb, Ni, rácspontot Ir, Pt, Fe 3 C a közös lapközepes tulajdonságuk, köbös rácsnak hogy nagyon (8 1/8)+(6 1/2)=4 képlékenyekatomja van

25 Lapközepes köbös rács modellje

26 A hexagonális rács (egyszerű illeszkedésű) csak a hatszög alapú hasáb csúcsain találunk atomokat (12 1/6 atom) az ebben a rendszerben kristályosodik a grafit

27 A hexagonális rács (szoros illeszkedésű) az atomok a cella 12 csúcsában, továbbá a két alap közepén helyezkednek el három atom pedig az elemi cella közepében van az egy cellához tartozó atomok száma: ez a típus elsősorban fémekre jellemző Zn, Cd, Mg, Be, Ti, Ru

28 A hexagonális rács modellje

29 egyes anyagoknál (pl.: P, Fe 3 C) a hőmérséklettől függően megváltozik a rácsforma és ezzel az anyag tulajdonságai a rácsok ilyen átalakulását allotróp átalakulásnak, vagy polimorfizmusnak nevezzük

30 Mit nevezünk térrácsnak? Ismétlő kérdések a térrács (kristályrács): az elemi cellák elhelyezkedését leíró rendszer Milyen fontos térrácsformákat ismerünk? térközepes köbös lapközepes köbös

31 hexagonális (egyszerű illeszkedésű) hexagonális (szoros illeszkedésű) Miben különbözik a kristályos szerkezettől az amorf szerkezet? az amorf anyagon belül nem fedezhetők fel rendezett tartományok

32 4. A mikroszerkezet és az anyag tulajdonságainak kapcsolata anyagtulajdonságok: az anyag reagálása a külső környezeti hatásokra 4.1. Anyagtulajdonságok csoportosítása: Fizikai tulajdonságok A fizikai tulajdonságok az anyag fizikai állapotát tükrözik, változásuk nem okoz szerkezetváltozást, új anyag nem keletkezik Sűrűség: tömeg(m) g ( ) 3 térfogat(v) cm könnyűfém: ρ<5 kg/dm 3 nehézfémfém: ρ>5 kg/dm 3

33 Hővezető képesség: hideg oldal jó rossz hővezetők a fémek pl.: levegő, pl.: réz, üveg, alumínium műanyag

34 Elektromos vezetőképesség: Elektromosan vezető Anyag Ezüst Réz elektromosan vezető: fémek, (pl.: ezüst, réz, Arany 0,023 arany, alumínium, vas) grafit Alumínium Vas Elektromosan szigetelő 1 m hosszú, 1 mm 2 keresztmetszetű huzal ellenállása 20 o C hőmérsékleten, Ω 0,016 0,0178 0,028 0,12 elektromosan szigetelő: műanyagok, kerámiák (porcelán, üveg), fa, texíliák

35 Olvadási hőmérséklet: Anyag Olvadási hőmérsékletek Olvadáspont o C Halmazállapot: Ólom Alumíniu m Öntöttva s Acél szilárd (fémek, fa, kavics, gumi, stb.) folyékony (kőolaj, higany, stb.) légnemű (nemesgázok, O, Cl, CO 2 stb.)

36 Kémiai tulajdonságok A kémiai tulajdonságok az anyag kémiai jellemzőit írják le. A kémiai átalakulás során új anyag keletkezik, melynek tulajdonságai eltérnek a kiindulási anyagok tulajdonságaitól Leírják az anyagok: Összetételét 72% Cu, 28% Zn

37 Átalakulásait: pl. az elégetéskor lejátszódó folyamatokat Vegyületeit: pl. az oxigénnel alkotott vegyületeket korrózióállóságot ötvözhetőséget Metallográfiai tulajdonságok: Szövetszerkezet: Ferrit perlites

38 Mechanikai tulajdonságok: Olyan fizikai tulajdonságok, amelyek valamilyen igénybevétel (erőhatások okozta megterhelés) hatására nyilvánulnak meg Egyszerű igénybevételek: Húzó Nyomó Hajlító Csavaró Nyíró Hajlítás Csavarás Húzás

39 Keménység: az az ellenállás, melyet az anyag egy test, pl.: acélgolyó behatolása ellen fejt ki kemény anyag pl.: az edzett acél, a keményfém, a gyémánt

40 Szilárdság: az anyagnak külső erőkkel szembeni ellenállása, alakváltozó képessége (törésig, szakadásig) megkülönböztetünk az erőhatás irányától függően szakítószilárdságot, illetve nyomószilárdságot

41 nyomószilárdság vizsgálat Szakítószilárdság vizsgálata

42 Rugalmasság: az anyagnak akkor rugalmas, ha a terhelés megszűnése után ismét eredeti alakját veszi fel rugalmas anyag pl.: a rugóacél, egyes műanyagok

43 Egy személygépkocsi váznyúlványának deformációja

44 Szívósság: az anyagnak az a tulajdonsága, hogy külső erőkkel képlékenyen deformálható anélkül, hogy eltörne, tehát jól alakítható (pl.: réz, alumínium, ólom)

45 Ridegség: az anyagnak az a tulajdonsága, hogy különösen ütésszerű, lökésszerű erők hatására nem deformálódik, hanem darabokra törik rideg anyag pl.: az üveg, a porcelán,a túl keményre edzett acél

46 Technológiai tulajdonságok: Alakíthatóság: alakítható az az anyag, amely erők hatására képlékenyen deformálódik jól alakítható anyag pl.: a kis C tartalmú acél, ólom, réz, alumínium

47 Forgácsolhatóság: a forgácsolhatóhatóság az a tulajdonság, hogy az anyag könnyen alakítható forgácsoló megmunkálással, pl.: esztergálással, marással, fúrással, köszörüléssel jól forgácsolható anyag pl.: a gyengén ötvözött acél, öntöttvas, alumínium

48 Hegeszthetőség: Önthetőhetőség:

49 4.2. Az anyagtulajdonságok és a mikroszerkezet kapcsolata: A kötési energia a kovalens kötésű kristályokban a legnagyobb kemény anyag a kovalens kötésű anyagok maradó alakváltozásra képtelenek, ridegen viselkednek a kovalens kötésű elemi cellák elektromosan semlegesek (szigetelők)

50 Ismétlő kérdések Milyen kemény anyagokat ismerünk? az edzett acél, a keményfém, a gyémánt Milyen jól alakítható anyagokat ismerünk? réz, alumínium, ólom Milyen elektromosan vezető anyagokat ismerünk? fémek, (pl.: ezüst, réz, arany, alumínium, vas) grafit Milyen elektromosan szigetelő anyagokat ismerünk? műanyagok, kerámiák (porcelán, üveg), fa, texíliák

51 5. A műszaki gyakorlatban használt anyagok Az anyagot az ember nyeri ki a természetből és alakítja át olyanná, ami az igényeinek leginkább megfelel

52 5.1. Az anyagok csoportosítása: Halmazállapot szerint: szilárd (fémek, fa, kavics, gumi, stb.) folyékony (kőolaj, higany, stb.) légnemű (nemesgázok, O, Cl, CO 2 stb.)

53 Eredet szerint: szerves anyagok természetes eredetűek pl. gumi, fa, bőr stb. mesterségesen előállított műanyagok szervetlen anyagok fémek, kerámiák, kompozitok

54 Felhasználás szerint: Létfenntartáshoz szükséges (élelmiszerek) 23 % Energia hordozók 31 % Ipari anyagok 46 % energia hordozók ipari anyagok élelmiszerek

55 5.2. A fémes anyagok csoportosítása Fémes anyagok Vasalapú ötvözetek könnyűfém: ρ<5 kg/dm 3 nehézfémfém: ρ>5 kg/dm 3 Nemvas fémek Öntöttvas- és acélanyagok Könnyűfémek? Színesfémek Egyéb fémek Al és ötvözetei Mg és ötvözetei Ti és ötvözetei Cu és ötvözetei Horgany és ötvözetei Ólom és ötvözetei Ón és ötvözetei Nikkel Volfrám Króm Vanádium Kobalt Molibdén Nemesfémek

56 5.3. A nemfémes anyagok csoportosítása Nemfémes anyagok Szilikátok Üvegek Öblös (palack, laborüveg) Sík (ablak, biztonsági üveg) Műszaki (optikai üveg) Műanyagok Kerámiák Fa Papír Bőr Textílanyagok Durva kerámia (tégla, cserép) Finomkerámia (porcelán, kőagyag) Oxidkerámiák (híradástechnikai kerámiák, csiszolókorong) Építőipari kötőanyagok Természetes (gumi) Mesterséges (pl.: PVC) Kenő- és tüzelőanyagok Egyébanyagok (grafit)

57 Ismétlő kérdések Milyen módon csoportosíthatók az anyagok? Halmazállapot szerint: szilárd, folyékony, légnemű Eredet szerint: szerves anyagok, szervetlen anyagok Felhasználás szerint Milyen módon csoportosíthatók a fémes anyagok? Fémes anyagok Vasalapú ötvözetek Nemvas fémek Könnyűfémek Színesfémek Egyéb fémek

58 Milyen módon csoportosíthatók a nemfémes anyagok? Nemfémes anyagok Szilikátok Üvegek Öblös (palack, laborüveg) Sík (ablak, biztonsági üveg) Műszaki (optikai üveg) Műanyagok Kerámiák Fa Papír Bőr Textílanyagok Durva kerámia (tégla, cserép) Finomkerámia (porcelán, kőagyag) Oxidkerámiák (híradástechnikai kerámiák, csiszolókorong) Építőipari kötőanyagok Természetes (gumi) Mesterséges (pl.: PVC) Kenő- és tüzelőanyagok Egyébanyagok (grafit)

59 6. Az ipari anyagok rendszerezése Ipari anyagoknak vagy szerkezeti anyagoknak a technikailag hasznos tulajdonságú anyagokat nevezzük (alapanyagok, segédanyagok) Alapanyag Alapanyag (vagy előgyártmány): a termelési folyamatban az átalakítandó anyag előgyártmány? alapanyag?

60 6.2. Segédanyag Segédanyag: az alapanyag feldolgozásához, vagy a termékek élettartamának növelésére, a működés elősegítésére használt anyag hűtőfolyadék kenőanyag, gyártást elősegítő anyagok stb.

61 6.3. Hulladék, hulladékkezelés (recycling) Hulladék: a gyártás során (vagy a termék elhasználódásával) keletkező, egyéb célra nem, vagy csak további átalakítás után hasznosítható anyag A fém hulladék anyagokat anyagokat válogatás lehetőleg után fajta újraöntik szerint szét kell A válogatni műanyag és alkatrészeket elkülönítve megdarálják, tárolni, hogy majd minél kisebb költséggel újrahasznosítják lehessen újrahasznosítani, környezetkímélő végső tárolásra, vagy elégetésre átadni A fáradt olajat megtisztítják, újraadalékolják

62 (példa) 100%-ban újrafeldolgozott anyagból Újra feldolgozható ugyanolyan anyaggá Újra feldolgozható Légszűrő - doboz Vízzáró fedél Külső visszapillantó tükör burkolata Kesztyűtartó Műanyag ajtóburkolatok A-, B-, és C - oszlop burkolata Könyöktámasz, üléspárna és fejtámasz Hűtőrács Tüzelőanyagtartály Hátsó lökhárító Mellső lökhárító Oldalsó vészhárító Ékszíj burkolat Küszöbléc és kábelburkolat Mellső légterelő Középső konzol Műszerfal Padlóalagút Kerékdoblemez Irányjelző lámpák és ködfényszóró burkolata Akkumlátor Légterelő lap a fékek hűtéséhez Mellső és hátsó lökhárító vezetése Hűtőfolyadék kiegyenlítő - tartálya Kiegyenlítő tartály, fékrásegítő

63 6.4. Melléktermék Melléktermék: a gyártás során keletkező, egyéb célra nagyobb átalakítás nélkül hasznosítható anyag A kőolaj finomítás mellékterméke a petróleum A cukorgyártás mellékterméke a melasz

64 6.5. Alapanyag, előgyártmány, segédanyag a gyártás során (példa) Üveggyártás (példa) Alapanyagok: üvegképzők: kvarchomok (SiO 2 ) hulladék üveg Segédanyagok: folyósítók: nátrium oxid, kalcium oxid stabilizátorok: alkáliföldfém karbonátok

65 Olvasztás kemencében o C-on Alakítás: síküveg, öblösüveg, egyéb alak

66 Cementgyártás (példa) Alapanyag (nyersanyag): mészkő és agyag Előkészítés: őrlés, keverés Kiégetés: o C-on, forgó kemencében ez a klinkerképződés Aprítás: őrlés porrá ez a cement Felhasználás: a cement vízzel keverve megköt

67 Égetett kerámiák (példa) Alapanyag (nyersanyag): agyag tégla, cserép, edények kaolin porcelán Alkalmazás: tégla- és cserépipar háztartási eszközök dekoráció, dísztárgyak

68 Hidegen melegen alakított alkatrészek (példa) Előgyártmány

69 Ismétlő kérdések Milyen anyagokat nevezünk ipari anyagoknak? Ipari anyagoknak vagy szerkezeti anyagoknak a technikailag hasznos tulajdonságú anyagokat nevezzük Milyen anyagokat nevezünk alapanyagnak? Alapanyag (vagy előgyártmány): a termelési folyamatban az átalakítandó anyag Milyen anyagokat nevezünk segédanyagnak? Segédanyag: az alapanyag feldolgozásához, vagy a termékek élettartamának növelésére, a működés elősegítésére használt anyag Mi a különbség a hulladék és a melléktermék között? a hulladék egyéb célra nem, vagy csak további átalakítás után hasznosítható anyag, a melléktermék viszont nagyobb átalakítás nélkül hasznosítható