BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM Anyagismeret Jegyzet-rövidítés / összefoglaló 2007. június Ez az összefoglaló a hivatalos Anyagismeret jegyzet a BME műszaki menedzser szakos hallgatói számára, írta és szerkesztette: Dobránszky János című letölthető jegyzet kivonata, annak átformált változata. Ennek megfelelően minden jog az eredeti szerzőt illeti, ez az írás pedig csak és kizárólag a hallgatók felkészülését segítendő készült, bármilyen egyéb felhasználása tilos bla bla 1
1. Az anyag sokfélesége: Az anyag definíciója: Mindazon fizikai mivoltukban megfogható természetes vagy mesterségesen előállított dolgok, melyek természeti folyamatokban keletkeznek és átalakulnak, illetve amelyeket az emberi tevékenység létrehoz, felhasznál, átalakít. Anyagok csoportosítása: - igények szerinti - halmazállapot szerint: 1. szilárd: állandó térfogat és alak 2. folyadék: állandó térfogat 3. gáz: nincs térfogat, se alak + plazma, szemcsés, gél, folyadékkristály Fázis: az anyag egy olyan fázishatárral körülvett térfogata, amelyben a fizikai és kémiai tulajdonságok minden pontban azonosak. - Tűzállóság, éghetőség szerint: - Éghetetlen pl. üvegszövet - Éghetőek: jól éghető ha lángra lobban és úgy is marad (fa), nehezen éghető ha nem marad úgy (PVC) - Környezettel való kölcsönhatás szerint: - szennyező: földi körforgást károsan befolyásolják - mérgező: élő szervezetet pusztítják - környezetbarát: nem befolyásolják a környezetet, hamar lebomlanak vagy újrahasznosítják - Anyagtulajdonságok eloszlása alapján: - izotrop: a tulajdonságok nem függnek a mérés irányától - anizotrop: eltérő irányokban eltérő tulajdonságok (pl. fa teherbírása) - Eredet szerint: - természetes anyagok: gyapjú, bőr - mesterséges anyagok: természetben jönnek létre, de az ember felhasználás előtt átalakítja, pl. fémek - szintetikus anyagok: csak vegyi úton előállítható pl. plexi, gyógyszerek - Emberek szükséglete szerint: - létfenntartáshoz szükséges: víz, élelmiszerek - energiahordozók: kőszén, kőolaj - ipari anyagok: fémek, ötvözetek, polimerek - Kémiai kötés és atomszerkezet szerint: - kémiai kötéstípusok: ionos, kovalens v. atomos, fémes, Van der Waals (másodlagos pl. víznél +- alapon) - Különleges jellemzők - tömörség: cellás, habos, tömör stb. 2
- beszerezhetőség, hozzáférhetőség: erősen változó az igények szerint is - gyártási, kereskedelmi költség szerint: A.G. Guy korreláció a termelt mennyiség és az ár között (minél többet termelnek, annál olcsóbb) - megismerésük időpontja szerint: exponenciális fejlődési görbék. 2. Az anyagok szerkezete Alapismeretek: Mikroszerkezet alapján csoportok: - fémek és ötvözetek: szobahőmérsékleten szilárdak, Fe, Al, Cu, ötvözhetőek (fémes, nemfémes), kemények, átlátszatlanok stbstb. - szerves polimerek: szénatomok hosszú láncaiból állnak, H, Cl, S, N, Si is beépülhetnek, jó szigetelők kis sűrűség, kiváló formázhatóság - kerámiák: szervetlen vegyületek, amelyekben egy fém (Mg, Al, Si, Fe ) alkot vegyületet egy nem fémes anyaggal (leggyakrabban oxigénnel de pl karbid, nitrid, borid). Általában nagy keménység, jó villamos szigetelés, de pl legjobb hővezetők is. Sok amorf pl üveg. - kompozitok: az előbbi 3 keverékei 3
Szilárd anyagok szerkezete A molekulák rendezettségétől függően lehet: - kristályos: megszilárduláskor egy szabályos térrács pontjaira illeszkednek az atomok. Minden atom rácspontban ül, minden rácspontban van atom, a kristály alakja szabályos. Ha ez nem így van, a kristály nem tökéletes. Legkisebb egysége az elemi cella. Ha az anyag minden pontban azonosan irányított cellákból épül fel akkor az egykristály. Amúgy polikristály: szemcse vagy krisztallit. Lehet egy vagy többfázisú. Fázishatárok lehetnek: - koherens (összefüggő) - inkoherens (nem összefüggő) - szemikoherens (félig összefüggő) - amorf: polimerek, kerámiák vagy nagyon gyorsan lehűtött fémek nem alkotnak rácsot. Kristályos anyagok szerkezete Kristályrendszerek Egy cella három irányvektora (hossz és szög) megadja a kristályrendszert: - köbös v. kockarácsos - tetragonális 4
- ortorombos - hexagonális - PK: primitív köbös (csak a Po(lónium)) TKK: térközepes köbös: pl. alfa-vas LKK: lapközepes köbös: pl. gamma-vas Legsűrűbb irány/sík: amerre a legtöbb atom van. A térkitöltés az LKK-ban a legnagyobb. Kristályhibák - rácsrezgések v. fonok - ponthibák: üres rácshely, saját fajtájú intersztició, idegen fajtájú intersztíció, szubsztitúciós atom, intesztíciós atompár. Neutron besugárzás 5
és erőteljes hőmérsékletnövelés esetén szaporodnak, mozognak is, ez a diffúzió. - vonalszerű rácshibák, diszlokációk: a rács szabályos rendje egy vonal mentén sérül, feszültségek ébrednek. - éldiszlokáció: csúszósík - csavardiszlokáció - vegyes diszlokáció A diszlokációk csúsznak, ez a kristályrács maradandó alakváltozását eredményezi. A csúszósíkban ható feszültség indítja meg, ha átlép egy küszöbértéket, ha nem, akkor csak ideiglenes a torzulás, a terhelés megszűnése után visszaáll. Egyszerre csak az anyag kis része mozog (pl. amikor a giliszta megy előre). Gyakorlatban használt anyagokban rendkívül sok a diszlokáció, dimenziója az egységnyi keresztmetszetet döfő diszlokációk száma (10 1 10 13 nagyságrend!!!) A makroszkópikus deformációt az elemi éldiszlokációk eredője eredményezi. Külső erő hatására hurkok, felhalmozódás, diszlokációfal vagy spirál jöhet létre. - felületszerű rácshibák: ha a kristályrács hibát tartalmazó részének mérete két dimenziós, akkor az síkhiba (felületszerű rácshiba). - szabad felület: a szilárdtesteket az őket körülvevő általában gázfázistól a szabad felület választja el, ez ritkán sima, de még a tükrösre munkált anyagok felületén is dudorog, kitüremkedések v. mélyedések vannak. - fázishatár: már volt - szemcshatár és szubszemcsehatár: elválasztják a különböző orientációjú térfogatelemeket, a bezárt szög alapján lehet kisszögű (<10-15fok) -.ezek a szubszemcsehatárok - vagy nagyszögű (>10-15fok). Ezek is képesek mozogni, változhat a méret az irányváltozás miatt. A szennyeződések szeretnek a szemcsehatárokon összegyűlni, itt gyorsabb a diffúzió és a korrózió, ugyanakkor az éldiszlokációk fennakadnak rajtuk (ez jó is lehet, mert ettől keményebb az anyag). - ikerhatár: az ikresedés a kristályok átrendeződése egy szűk tartományban, ebben az elmozdult atomok helyzete tükörszimmetrikus. 6
- rétegződési hiba: a szabályos sorrend zavara, szerepe van az ismétlődő terhelés miatti károsodásokban. Nanoszerkezetes anyagok Az anyag pontos, különleges szerkezetben való atomos elrendezése, mely magában foglal legalább egy nélkülözhetetlen alkotóelemet. Ez az alkotóelem kizárólag egy darab atomból vagy molekulából, vagy az atomok és molekulák módfelett korlátozott csoportjából áll, melyek csoportja optikai mikroszkóppal nem ismerhető fel, és amelyeket atomjaiknak vagy molekuláiknak mint különálló egységeknek az egyedi manipulálásával formáltak. Méretek viszonyításhoz: 1 nanométer = 10 angström és egy atom kb 1-2 angström. Különleges tulajdonságú anyagok készíthetőek nanotechnológiával. A világ minden pontján nő a kutatásra fordított összeg, Magyarországon államilag dotált kutatási prioritás, a BME-n is foglalkoznak vele (pl. hegesztésnél kialakuló nanoszerkezetek és a makroszkópikus tulajdonságok közötti összefüggések). Példák: űrkutatásban SiC nanocsövek sugárzás és hőálló szenzorokhoz, számítástechnikában nanokristályos Si-os adattároló (memóriakártya). Jelkép a fullerén (C 60 ) (a focilabda varrása ilyen, öt- és hatszögekből áll össze) Fázisátalakulások Ha egy (tömegére nézve állandó) anyag pillanatnyi fázisviszonyaiban változás akár minőségi, akár mennyiségi következik be, az csak fázisátalakulás következménye lehet. Ez lehet szám- illetve mennyiségbeli változás (vagy mindkettő egyszerre). Gibbs-féle szabály: F + SZ = K + 1. ((K)omponensek és az őket alkotó (F)ázisok, valamint a (Sz)abadsági fokok (hőm, koncentráció) közötti termodinamikai összefüggés). 7
Halmazállapot változások Inverz szublimáció vékonyréteg-felvitelkor hasznos. Fémeknél fagyás helyett dermedés, kristályosodás illetve megszilárdulás kifejezések a helytállóak! Allotrop átalakulás Ötvözetek hevítésénél és hűtésénél szilárd-szilárd fázisátalakulások lehetnek, ezek az allotrop módosulások. Az anyag ezen tulajdonsága a polimorfizmus. Pl. szénnél: grafit, gyémánt, vagy az imént említett fullerén. Fontos az acél allotrop módosulása: hűtésnél delta-vas (TKK) -> gamma-vas (LKK) -> alfa-vas (TKK), hevítéskor ellenkezője. Diffúzió szerepe a fázisátalakulásban 8
A diffúziós átalakulás fontosabb jellemzői: - nem azonnal kezdődik meg, hanem egy bizonyos t i inkubációs idő után - az átalakulás időbeli lefolyását szigmoid jellegű görbe írja le - állandó hőmérsékleten is teljes, tehát az eredeti fázis teljes mennyisége átalakul - első lépésként az eredeti fázis valamely kitüntetett pontján (főleg szemcsehatárokon) kialakul az új fázis egy csírája, és ha ez elér egy kritikus méretet, a magképződést növekedés követi. Diffúzió nélküli (v. martenzites) átalakulás akkor van, amikor a fázisváltozás nem az atomok diffúziója miatt következik be, hanem komplex nyíróalakváltozás hatására főleg gyors hűtéskor. Pl. az acélban az eredeti fázis az ausztenit, a martenzitté átalakult tömeget az ábra tetején látható egyenlet írja le (M s : martenzit start). A martenzites átalakulás néhány lényeges jellemzője: - az átalakulás kvázi pillanatszerű - Acélban CSAK hűtéskor játszódhat le, de egyéb ötvözetekben hevítéskor v. mechanikai feszültség hatására is. 3. Mechanikai tulajdonságok Anyagjellemzők és anyagvizsgálati mérőszámok Mechanikai terhelések főbb csoportjai Mechanikai tulajdonságok: - fizikai anyagjellemzők (pl. rugalmassági modulus) - a mechanikai terheléssel szembeni méréstől és fizikai feltételektől független - ellenállás (pl. törési szívósság) - a mechanikai terheléssel szembeni méréstől és fizikai feltételektől nem független ellenállás (pl. keménység, folyáshatár) - valamely gyártástechnológiai folyamatra való alkalmassági mérőszám (pl. forgácsolhatóság, mélyhúzhatóság) Mechanikai terhelés alatt mindig olyan terhelést értünk, melynek hatására mechanikai feszültség ébred az anyagban. Fajtái: 9
Felesleges ezen tulajdonságok alapján mélyebbre bocsátkozni. Bevált anyagválasztási filozófia: Egy másik felhasználói igényre másik anyagot választani. Azaz minden anyag másban jó, mindennek megvan a maga alkalmazási területe. (Vannak univerzális anyagok is, de drágák, meg nem is olyan tökéletesek ) Mechanikai terhelések csoportjai: - statikus terhelés: állandó húzás, nyomás, hajlítás, nyírás, csavarás, vagy ezek kombinációja - dinamikus terhelés: ütésszerű, lökésszerű hatások, amelyeknél az igénybevételi sebesség jelentős - ismétlődő igénybevételek: a terhelés nagysága és/vagy iránya ciklikusan változik - kombinált igénybevételek: a mechanikai terhelés mellett fontos szerep jut egy külső hatásnak is, pl. nagy hőmérséklet, korrózió stb. Állapottényezők A mechanikai tulajdonságokat az állapottényezők határozzák meg, ezek lehetnek külsők vagy belsők. Külső állapottényezők: - hőmérséklet: növelt hőmérséklet (szobahőmérséklet és olvadáspont fele közötti tartomány), nagy hőmérséklet (olvadáspont felénél magasabb 10
hőmérséklet), kis hőmérséklet (Celsius skála negatív értékei), kriogén tartomány (cseppfolyós gázok hőmérséklete). A hőmérséklet csökkentése általában a fémes anyagok képlékenységét csökkenti, valamint növeli a törési hajlamot (és vice versa). - Feszültségállapot: megkülönböztetjük az egytengelyű és többtengelyű feszültségeket. A háromtengelyű (hidrosztatikus) nyomás javítja a képlékenységet, a húzást viszont gyakorlatilag megszűnteti. - Igénybevételi sebesség: megjegyzendő főszabály: a terhelés sebességének növelésével csökkennek a képlékenységi mutatók, nő a szilárdság, de a töréshajlam is. Belső állapottényezők: - kristályszerkezet: ami már korábban is volt, a köbös fémek képlékenysége nagy, az LKK fémeké még egészen kis hőmérsékleten is. A gyémántrácsú, és a sűrűn rakott hexagonális fémeké nagyon kicsi. (Grafit is hexagonális, de a rétegek egymáson elcsúszhatnak.) - Ötvöző- és szennyező elemek: a szennyezők már nagyon kis mennyiségben is nagyon rontják a képlékenységi mutatókat, ugyanakkor a szilárdságit csak minimálisan növelik. Az ötvözők hatása nagyon összetett, azokról később. - Kristályhibák: hibasűrűség számít, minél több, annál szilárdabb az anyag. - Szövetszerkezet: fémeknél C szemcseméret szerinti csoportosítás - durvaszemcsés anyagok C > 100 µm - finomszemcsés anyagok C < 25 µm - nagyon finom szemcsés anyagok C < 10 µm - extrafinomszemcsés anyagok C < 1 µm - ultrafinomszemcsés anyagok C < 300 nm - nanoszemcsés anyagok C < 100 nm A szemcseméret csökkenése növeli a szilárdságot. A szemcsék alakjának torzulása miatt van anizotrópia. (pl. szemléletesen a fában a hosszúkás rostok) Szerkezeti anyagok jellemző mechanikai tulajdonságai Rugalmassági modulus Ha a terhelés után a test visszanyeri alakját, akkor rugalmas alakváltozásról beszélünk. A rugalmas alakváltozás és a feszültség között lineáris a kapcsolat, ezek hányadosa a rugalmassági modulus. Fémes anyagoknál húzó (E) és nyíró (G) modulusok a lényegesek. Dimenziójuk általában GPa. 11
Fontos megjegyzés: a fémekre a húzó és nyomó modulus megegyezik, azonban a polimerek egyik legfontosabb jellegzetessége, hogy ez rájuk nem igaz. Folyáshatár és szakítószilárdság Legáltalánosabb szilárdsági mérőszám, szabványosított vizsgálati módszerek. Szakítás menete: - először rugalmasan deformálódik a test - a rugalmassági határt elérve megfolyik, illetve elkezd képlékenyen - mindenütt egyenletesen deformálódni - a maximális erő elérésekor a deformáció csak egy szűk tartományra koncentrálódik - végül eltörik 12
R m szakítószilárdság, R e folyáshatár (S 0 : eredeti keresztmetszet): Nyúlás és kontrakció A szakítás után az egyenletes keresztmetszetű szakasz hossza ( L) osztva az eredeti hosszal (L 0 ) megadja a nyúlást. A kontrakció a keresztmetszet változása: Z = S/S 0 Keménység Milyen mértékben állnak ellen a felületükre ható nyomóerőnek. A nem kemény szerkezeti anyagok lágyak. Keménységi vizsgálatok: - felületbe nyomott acél- vagy keményfémgolyó lenyomatának mélysége - felületbe nyomott négyzetes gyémántgúla - felületbe nyomott rombuszos gyémántgúla - felületbe nyomott acélgolyó ill. gyémántkúp lenyomata - nanokeménység: gyémánt nanointender benyomódásának erő-idő függvénye (ultravékony felületi rétegek vizsgálata) Ütőmunka Töréssel szembeni ellenállóság. Charpy-féle vizsgálat. Fajlagos ütőmunka (KV) az az energiamennyiség, amely egy szabványos próbatest eltörésekor a törésre fordítódik. Egy bizonyos hőmérséklet alatt az anyag szívós tulajdonságát elvesztve rideg lesz. Törési szívósság Töréssel szembeni ellenállás, az anyagban már meglévő repedés továbbterjedéséhez szükséges energiamennyiségből származtatva. Kifáradási határ Folyáshatárt meg nem haladó feszültség periodikus ismétlődése miatti károsodás, repedések terjednek, majd eltörik az anyag. Általában lassú folyamat. A kifáradási határ az az erték, melyet meg nem haladó terhelés esetén az anyag biztosan kibír 5x10 6 terhelési ciklust. 13
Kúszáshatár Folyáshatárnál kisebb feszültség hatására fellépő képlékeny alakváltozás. Ahhoz, hogy fellépjen növelt vagy nagy hőmérséklet kell. A kúszáshatár megmutatja, hogy egy bizonyos hőmérsékleten mekkora az a feszültség, melynek hatására a méretváltozás 0.5-1%-on belül marad bizonyos idő eltelte alatt (ez többnyire 50, 100 vagy 200 ezer óra!) Mikroszerkezet és a mechanikai tulajdonságok kapcsolata Például a hengerelés iránya hat a lemezek hajlítási repedési tulajdonságaira. Szilárdságnövelési módszerek Tudatos beavatkozás a folyáshatár kitolására. Peierls-Nabarro Nabarro-feszültség A folyáshatár makroméretekben nem más, mint a rugalmas és a képlékeny alakváltozás közötti határ. Ez pedig mikroméretekben nem más, mint amikor a feszültség hatására az éldiszlokációk mozogni kezdenek a csúszósíkokban. Ez a feszültség a Peierls-Nabarro-feszültség. TKK fémeké nagy, LKK és hexagonálisaké kicsi. Cél: diszlokációk mozgásának gátlása (ez növelni fogja a szilárdságot). - szilárdoldatos keményítés: idegen atomok rácstorzulása megnehezíti a diszlokációk terjedését. Kis átmérőjű interstíciós atomok jók (H). - kiválásos keményítés: az egyik leghatékonyabb módszer. A diszlokációk mozgását leginkább a kicsiny, de nagy számú, egyenletes eloszlású, a mátrixszal (alapanyaggal) koherens fázishatárt alkotó, ún. diszperz kiválások akadályozzák. Ezeken a diszlokációk átvágják magukat, de ez rengeteg energiaveszteséggel jár. Az inkoherens határokon is fennakadnak, de ezeket képesek megkerülni (Orowán-hatás). - alakítási keményítés: hidegalakítás (a kelvinben megadott olvadáspont felénél alacsonyabb hőmérsékleten elvégzett képlékeny alakítás). A diszlokációsűrűség növelésével éri el a célt 14
Akkor jó a szilárdságnövelés, ha emiatt kisebb elemekkel tudjuk elérni ugyanazt a hatást (kevesebb anyag is elég), ugyanakkor rossz is lehet pl. villamos vezetők esetében, mert az alakítás rontja a vezetőképességet (ez újrakristályosító hőkezeléssel visszanyerhető). Szemcsehatárok szerepe A krisztallithatárok útját állják a diszlokációknak. Minél nagyobb a felületük (minél kisebb szemcsék), annál nagyobb a gátló hatás. Hall-Petch egyenlet: σ = σ 0 + k*d -0.5. (σ: folyáshatár, d: átlagos szemcseméret) Lehetséges eljárások: mikroötvözés, meleghengerlés, szemcsefinomító hőkezelés. Szilárdságnövelés fázisátalakulással A felhevített állapotból gyors lehűtést edzésnek nevezik. A szilárdság nagyobb lesz mint lassú hűtés esetén. Csak olyan esetben valósítható meg, ahol a lehűtéskor allotrop módosulatok jönnek létre. Főleg acéloknál lényeges. Szerkezeti anyagok károsodása, tönkremenetele - Törés: állandónak tekinthető statikus vagy dinamikus terhelés miatt következik be, üzemeltetést gátló károsodás. - törés gyors repedésterjedéssel: szívós és ridegtörés (átmeneti vegyes) - törés fokozatos repedéssel: ismétlődő és statikus teher esetén Lehet szemcsehatármenti (interkrisztallin) illetve szemcséken átmenő (transzkrisztallin). A ridegtörés nagy problémát jelentett régebben. - Kifáradás: periodikusan ismétlődő terhelés, Hőingadozás esetén termikus kifáradás. Töréshez vagy üzemelést gátló alakváltozáshoz vezet. - Kúszás: jellemzően húzás idézi elő, növelt vagy nagy hőmérséklet segíti. Törés vagy üzemelést gátló sérülés. - Korrózió: a felülettel érintkező anyagok okozzák, kémiai ill. elektrokémiai korrózió, de lehet mechanikai terhelés miatt is. Felületi roncsolódás, kilyukadás, törés, repedés formájában jelentkezik. - Egyéb: szövetszerkezeti károsodások, pl. grafitosodás, dekarbonizáció, szemcsedurvulás. Neutronsugárzás keményedést vagy duzzadást okozhat. 15
Anyagvizsgálati módszerek Mechanikai tulajdonságok vizsgálata: - szakítóvizsgálat - hajlítóvizsgálat - nyomóvizsgálat - keménységmérés - Charpy-féle ütővizsgálat - törésmechanikai vizsgálatok - fárasztóvizsgálat A fémek mikroszerkezeti vizsgálata: - optikai mikroszkópos vizsgálat - pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálat (SEM) - transzmissziós elektronmikroszkópia (TEM) - egyéb pl. röntgendiffrakciós vizsgálatok Roncsolásmentes vizsgálatok: üzemelő szerkezetek állapotának vizsgálata, főleg repedések megelőzésére. Röntgensugaras, örvényáramos és mágneses mérések. 4. A vasöntészet anyagai A vas-karbon egyensúlyi diagram Vasalapú ötvözetek rendkívül fontosak. Mindent vasalapú ötvözetnek mondunk, amiben a Fe mennyisége a legnagyobb. Ha a vastartalom meghaladja az 50 tömeg%-ot, akkor acélnak hívjuk. Amennyiben a vasalapú ötvözetben a karbon mennyisége meghaladja a 2.1 tömeg%-ot, akkor öntöttvasnak nevezzük. Az Fe-C diagram alapvető ismeretnek számít, úgyhogy álljon itt (az első ilyet Sir William Chandler Roberts-Austen brit kohómérnök rajzolta 1897-ben): Megjegyzés: a szaggatott vonalak azt az esetet jelölik, amikor a megszilárdulás egyensúlyi módon, a szénnek grafitként való kiválásával megy végbe. A folytonos vonallal jelölt változat pedig a karbonnak Fe 3 C vas-karbidként való kiválására vonatkozik: ez jellemző az acélokra és a fehérvasakra, míg a grafitos kristályosodás a szürkevasakra. 16
17
A diagramhoz kapcsolódó alapfogalmak ak Ötvözet, ötvöző A mátrix (alapfém) atomjai mellé egy, vagy több másik komponens épül be. Lehet kristályos vagy amorf. Az ötvöző bizonyos (nemkívánatos) esetekben szennyezőnek minősül. Szilárd oldat Az ötvözet olyan kristályos fázisa, melyben az ötvöző eloszlása egyenletes. Vegyület Olyan szilárd fázis, mely az olvadék kristályosodása közben, vagy kiválási folyamatok eredményeként jön létre egy bizonyos koncentrációnál. Kémiai képlettel leírható. Koncentráció Az alapalkotóhoz adott ötvözőelem mennyisége tömeg%-ban. Egyfázisú tartomány Olyan tartomány a fázisdiagramon, ahol csak az olvadék vagy a szilárd oldat stabil. Kétfázisú tartomány Olyan tartomány, amelyben két tetszőleges, de egymással a hőmérséklet mentén szomszédos fázis stabil. (Van még háromfázisú tartomány is, ahol 3 ér össze meg vmi vízszintes is, de nemértem mi.) Az Fe-C fázisai (a szövetképeket ld. a hivatalos jegyzetben: 4. jegyzet 34-35.o.) Olvadék, folyadékfázis Csak folyadékfázis van jelen, ha az ötvözet hőmérséklete (bármely koncentráción) az ABCD likvidusz (folyékonysági) görbe fölött van. Az AHJECF (szolidusz) görbe alatt nem létezhet, ott mindenképpen szilárd lesz. 18
δ-vas vagy δ-ferrit AHNA tartomány (magas hőmérséklet, minimális C-tartalom) egyetlen szilárd fázisa, TKK (emlékeztető: TérKözepes Köbös) szerkezet. γ-vas vagy ausztenit JESGNJ tartomány egyedüli stabil fázisa, max 2.14% C-tartalom, LKK. A diagramot közlő Austenről kapta a nevét. α-vas vagy ferrit G-P-origó-G tartomány (minimális C-tartalom, alacsony hőmérséklet, a kinagyított rész!) egyedüli stabil fázisa, TKK. 20 C-on gyakorlatilag nem oldja a karbont. Vas-karbid, Fe 3 C vagy cementit 6.67% C-tartalomnál keletkező vegyület. Az Fe-C rendszer metastabil kiválása, amely könnyen létrejön nem egészen lassú hűtéskor. Grafit Az Fe-C rendszer stabil kiválása amely csak egészen lassú lehűtéskor tud kiválni. Acél: Fe-C ötvözet (C < 2.14%) Öntöttvas: Fe-C ötvözet (C 2.14%) Az Fe-C rendszer szövetelemei Szövet: mikroszkóp alatt megfigyelhető, jól elkülöníthető részek. Delta-ferrit, ausztenit, ferrit Egyfázisú, lágy szövetelemek. Perlit Kétfázisú, közepes szilárdságú, ferrit ( 0% C) és cementit (6.67% C) alkotja. Az S pontnak megfelelő ausztenitből keletkezik hűtéssel, jellegzetes lemezes szerkezetű. (Az ilyen szövet általános elnevezése eutektoid.) 19
Lédeburit Kétfázisú szövetelem, ausztenit és vas-karbid (azaz cementit) alkotja. Felfedezőjéről kapta a nevét, a C pontnak megfelelő olvadékból keletkezik hűtéskor. Szerkezete a két fázis finom elegye. (Általános megnevezése eutektikum.) Cementit, vas-karbid vagy Fe 3 C - Primer cementit: olvadékból kristályosodik ki, tűs jellegű - Szekunder cementit: ausztenitből kristályosodik, vastag tűk. - Tercier cementit: ferritből kristályosodik, vastagabb szemcsehatárok. Grafit - Lemezes grafit: egykristályként válik ki az eutektikus olvadékból. - Gömbgrafit: gömbszemcsésítő ötvözők miatt ilyen (pl. Mg), polikristályos. - Vermikuláris: átmenetei grafit Martenzit Ausztenit az alfa-vas legjobboldalibb pontján még éppen létezhet, ha ez alá hűtjük, ferritté alakul, a ferritben oldhatatlan karbon pedig perlitté alakul (perlites átalakulás). Azonban más a helyzet, ha hirtelen (egy kritikus sebességet meghaladva) hűtjük le: a kristályrácsból nem tud kidiffundálni a karbon, és így rácstorzulásokat okoz, így pedig a martenzites acél keménysége sokkal nagyobb lesz, mint az imént említett perlites kiválás esetén. Igen törékeny is lesz, tűs szövet jellemzi. Bénit A perlit és a martenzit közé illik be, tehát szilárd, de nem annyira törékeny. Alapvető öntési módszerek Alapelv: az önteni kívánt termék pontos, alakhű mintáját felhasználva készül a termék úgy, hogy az anyag a mintában megszilárdulva felveszi annak formáját. Osztott formák - Homokformák: homok + kötőanyag - Héjformák: a formázóanyag mennyisége jelentősen csökken - Fémformák (kokilla): többször felhasználható szemben a többi formával - Kerámiaformák 20
Osztatlan formák - Centrifugaöntés (pörgetőöntés) - Precíziós vagy visszaejtéses öntés - Különleges formák (kiégő vagy rugalmas habok) A formakitöltés módjai - Gravitációs öntés - Pörgetőöntés - Nyomásos öntés - Kiszorításos öntés - Tixotrop vagy félszilárd öntés - Vákuumos öntés 21
Az öntöttvasak típusai, jellemző tulajdonságai és felhasználási területe 2.1%-nál több C-t tartalmazó ötvözet a szokásos szennyeződésekkel és egyéb ötvözőkkel. A szürkeöntöttvas a stabil Fe-C rendszerben, míg a fehéröntöttvas a metastabil Fe-Fe 3 C rendszerben kristályosodik. A karbonnak az öntöttvasban alkotott fázisa grafit vagy vas-karbid a hűtés sebességétől és az ötvözőktől függ. A szövetszerkezetet a T telítettségi fokkal és a szövetelemek típusaival jellemzik: T > 1 hipereutektikus T = 1 eutektikus T < 1 hipoeutektikus A szövetszerkezet a Greiner-Klingenstein diagramról is leolvasható. Lemezgrafitos öntöttvas Minél kisebb a grafit mennyisége (T kicsi), minél jobb az eloszlásuk, minél kisebb a méretük, annál jobbak a mechanikai jellemzők (pl. a rugalmassági modulus). Ezeket az öntési hőmérséklet és a lehűtés sebessége nagyban befolyásolja. Nagyon nagy méretű alkatrészek esetén előnyösebb, mint az acél, mert sokkal olcsóbb és jobbak a tulajdonságai. Gömbgrafitos öntöttvas Magyarországon az 1950-es években oldották meg ennek a gyártását, méghozzá BME-s kutatók (Gillemot László, BME-MTT (Mechanikai Technológia Tanszék)). Nagy szilárdság és szívósság jellemzi, ezért főleg autók forgóalkatrészeiként használják. Temperöntvények Temperálás (hőkezelés) miatt nincs benne cementit. Fehér temperöntvények (oxidáló atmoszférán izzított) és fekete temperöntvények (semleges atmoszférában hőkezelt). 22
Meglehetősen szilárd és szívós, mezőgazdasági gépek, közlekedési eszközök forgó alkatrészei főleg: hajtórudak, tengelyek. 5. Az ötvözetlen szerkezeti acélok és nemesacélok hagyományos csoportjai Az acél ötvözői és szennyezői, hatásuk az acélok tulajdonságaira Csoportosítások: - Vegyi összetétel alapján: - ötvözetlen acélok: karbonon kívül nincs szándékosan bevitt ötvöző - ötvözött acélok: alapalkotó ötvözőkből a gyártáshoz szükségesnél többet tartalmaz - gyengén (M < 5-6%), közepesen (M = 5-10%) illetve erősen (M > 10%) ötvözött acélokat. Mikroötvözött (M < 0.1%). - Gyártási eljárás gondossága alapján: - alapacélok: nincs előírás - nemesacélok: különleges gondossággal kell gyártani őket. - minőségi acélok: az alap- és a nemesacélok között helyezkednek el. - Szövetszerkezet alapján: ferrites, ausztenites, perlites, martenzites, bénites, lédeburitos (az Fe-C diagramnál részletesen le vannak írva) - Hőkezeltségi állapot alapján: - lágyított acél: ausztenit kemencében lehűtve - normalizált acél: ausztenit levegőn hűtve - edzett acél: ausztenit gyorsan vízben, olajban, sófürdőben lehűtve - nemesített acél: edzést követően 200-600 C-on megeresztett acél. - Felhasználási módjuk szerint:: - szerkezeti acélok: gép- és járműgyártás, acélszerkezetek gyártása. Szívósság és szilárdság. Kis széntartalom és nemesítés. - szerszámacélok: forgácsoló és alakító műveletek szerszámai. A rájuk ható terhelést alakváltozás nélkül kell viselniük, nem kophatnak -> nemesítés! - Különleges acélfajták és ötvözetek: hőálló, korrózióálló nem ferromágneses, nem hőtáguló stb. ötvözetek. Minden acélt számoznak, Európában Brüsszel adja ki az új anyagoknak a számot. Egységes rendszer, egyedi azonosítók. 23
A karbon (C) hatása az acél tulajdonságaira A szilárdság legolcsóbban a karbonnal növelhető, azonban ezzel párhuzamosan a szívóssági mutatók romlanak. A martenzit keménysége csak a C-tartalomtól függ, de egy bizonyos mennyiség (0.8-1%) után már nem változik. Az ötvözőelem hatása az allotrop módosulatokra Bizonyos ötvözők eltolják az Fe-C fázisdiagram jellegzetes pontjait. Ausztenitképzők: Mn, Ni, Cu, N. Ferritképzők: Cr, W, V, Ti, Al, Si, P (általában karbidképzők is). Ötvözőelemek hatása a mechanikai tulajdonságokra A ferrit szilárdságát leginkább a szubsztitúciós atomok növelik (Ti, Si, Co, W ), de ez a hatás mérsékelt. Martenzites edzéskor ezek hatása jobban érvényesül (ekkor azonban a C oldósása mindegyikét felülmúlja). Befolyásolják a szívóssági mutatókat is, általában negatívan. A Ni csökkenti a képlékeny-rideg átmeneti kritikus hőmérsékletet, így tovább marad képlékeny az acél. A többi ötvöző növeli. A szakítószilárdságot és folyáshatárt a legjobban a Si növeli, de a szívósságot jelentősen lecsökkenti. (P és N is hasonló hatású, de olyannyira rontják a szívósságot, hogy általában nem is ötvözőnek, hanem szennyezőnek tekintik.) A különböző acélok tulajdonságai, azok felhasználási területei A különböző ötvözött és ötvözetlen acélok felhasználási területei rendkívül szerteágazóak, a jegyzetben van bőven példa rá (szerintem) túlzott részletességgel, ismeretterjesztő célzattal. Néhány lényegesebb ezek közül: - általános acélok - betonacélok - automataacélok (nagy teljesítményű forgácsolóautomaták) - stb. stb. stb az előbbieken belüli és azokon túlmutató példák végeláthatatlan (és megtanulhatatlan) sora. 6. Az ötvözetlen és gyengén ötvözött szerkezeti acélok különleges és új csoportjai Finomszemcsés acélok tulajdonságai és felhasználási területeik Különleges figyelmet érdemelnek azok az acélok, amelyek lényegéhez tartozik, hogy a hegesztéssel való szerkezetgyártással kapcsolatos követelményeket szilárdság, szívósság, repedésmentesség kielégítsék (itt a hidakat, épületszerkezeteket alkotó acélra kell gondolni). Ezek az acélok jellemzően 3-30mm vastag lemezként vagy tekercselt szalagként készülnek, meleghengerléssel gyártják őket. 24
- Hegeszthető, finomszemcsés acélok: karbonegyenlet az ötvözők függvényében - határozza meg a hegeszthetőséget: CE = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15. Ha CE 0.40, akkor az acél kíválóan hegeszthető. - Normalizált vagy normalizáló hengereléssel gyártott acélok: Normalizálás már volt (szabad levegőn hűtött acél). - Termomechanikusan hengerelt acélok: speciális technológia, az alakváltozás és a hőmérséklet gondos összehangolásán alapszik. - Nagy folyáshatárú szerkezeti acélok: különösen nagy terhelésnek kitett berendezések anyaga, illetve előfordulhat a tömegcsökkentési szándék miatti használata (mert ugye erősebb cuccból kevesebb is elég). Nemesített és kiválásosan keményített lehet. 25
- Nyomástartó berendezések acéljai: nagy nyomású gázt, gőzt vagy folyadékot tárolnak. - Hidegszívós acélok: a nulla fok alatti hőmérsékleten üzemelő berendezések fokozottan ki vannak téve a ridegtörés veszélyének, ezért olyan anyagból kell ezeket gyártani, amelyeknek az üzemi hőmérsékleten elég nagy az ütőmunkája. Vannak (az eddig bemutatottak között) olyan szerkezeti acélok, amelyek mínusz 40 C-ig jók, de ez alatt mindenképpen hidegszívós acélt kell alkalmazni. A hidegszívósság elérhető - a C tartalom csökkentésével (szívósság növelése), illetve - a Ni tartalom növelésével (képlékeny-rideg kritikus átmenetei hőmérséklet csökkentése). - Légköri korróziónak ellenálló acélok régebben időjárásálló acélnak nevezték, Cu, Ni, P, Cr ötvözetekről van szó. A szennyezett ipari atmoszféra és főleg a tengerparti atmoszféra sajátossága, hogy az acélokat rendkívüli módon korrodálják. Villamostávvezetékoszlopok, tengerparti acélszerkezetek, földbe fektetett melegvízcsövek alapanyaga. - Különleges rendeltetésű acélok: - rugóacélok: jellemző igénybevétel az összetett mechanikai feszültség és a kifáradás. A rugalmasságot használják ki, maradandó alakváltozás nem megengedett. Kettős elvárás: nagy folyáshatár és nagy szívósság. Ezek nemesítéssel garantálhatók. - szelepacélok: belső égésű motorok szelepeire nagy mechanikai terhelés, hőterhelés és kopás is hat. Nemesített acél, különböző ötvözetek (létezik nitrogénnel ötvözött szelep is). 7. Korrózióálló és hőálló acélok A korrózió- és hőálló acélok típusai A korrózióálló (saválló, rozsdamentes, stainless, rostfrei, inoxydable) és a hőálló (revésedésálló, refractory, réfractaire) acélokat külön szabványba sorolják, mégis nagyfokú hasonlóságot mutatnak. A korrózióállóság pontosabban nedves korrózióval vagy elektrokémiai korrózióval szembeni ellenállás a 10-11%-nyi Cr-nak köszönhető, amely egy véköny (1-5nm) passzív hártyát alakít ki az acél felületén, ami megvédi korróziótól illetve lassítja azt. További Mo és Cu ellenállóbbá teszi ezt a hártyát és sérülés esetén segít a regenerálásában. A karbon rontja a korrózióállóságot. A száraz korrózió, amely nagy hőmérsékletű gázokban alakul ki, egészen más folyamat, amellyel szemben Cr-, Si- és Al-oxid teszi védetté az acélt. Ebből következik, hogy a hőálló acélok is tartalmazzák ezeket az összetevőket. 26
Csoportosítás A ferrit- és ausztenitképző összetevők alapján. Hegesztésnél rendkívül fontos a szövet pontos ismerete, mert az a hegesztőanyaggal keveredve befolyásolja a kialakuló szövetet (ennek ellenőrzésére a Schaeffler-diagram szolgál). - Ferrites korrózióálló acélok - Martenzites korrózióálló acélok - Ausztenites acélok - Duplex (ausztenit-ferrites) korrózióálló acélok - A kiválásosan keményített korrózióálló acélok ( PH-acélok ) Itt ez a csúnya izé a jegyzetből ami állítólag a korrózióálló acélok (tehát az imént felsorolt anyagok) családfája: Az ausztenites korrózióálló acélok jellemző tulajdonságai Edzett acél, az M s (martenzit start) hőmérsékletet szobahőmérséklet alatt van, ezért nem alakul át martenzitté. LKK, ez magyarázza viszonylag csekély szilárdságot és nagy szívósságot. A hidegalakítás következtében azonban rendkívüli módon fel tud keményedni ez az acél, ennek oka pedig, hogy az alakítás során egyre nagyobb része alakul át martenzitté. Ez néha rossz, mert nagyon megnehezíti az anyag megmunkálását. Pl. ha ausztenites alkatrészt akarnak forgácsolni, akkor ez az alakítás felkeményíti, ami nem jó 27
(sztem itt a diagram címe inkább Ausztenites korrózióálló acélok ütőmunkájának változása kéne hogy legyen, mert itt az ausztenitesekről van szó, plusz a ferrites ábrája a jegyzet 52. oldalán található) Ezek hőállóak és kúszásállók is, 750 C-ig (N és B adagolásával javíthatók ezen tulajdonságok). Alkalmazási példák: - T 0 K-ig tartályok, csövek készülékek - Nem mágneses anyag, így: műszerek, órák, mágneslemez-redőny - Atomerőművi berendezések, hőcserélők - Vákuumtechnológiai berendezések reaktora, csövei, szerelvényei - Élelmiszeripari készülékek, berendezések - Épületburkolat, bútor, konyhai eszközök Korrózió fontosabb fajtái - száraz korrózió (forró gázok) - nedves korrózió másik csoportosítás: - általános korrózió (a teljes felületen) - helyi korrózió (az anyag egyes pontjain) - lyukkorrózió - réskorrózió - szemcsehatármenti korrózió - feszültségkorrózió 28
Ferrites korrózióálló acélok tulajdonságai Ferrites szövetszerkezet, azaz LKK szilárd oldatból állnak, esetleg Cr-karbidok és nitridek. Magas hőmérsékleten hajlamos a szemcsedurvulásra (ez hegesztésnél be is következik).minél több a króm benne, annál kisebb a képlékeny-rideg átmeneti hőmérséklet (amiről tudjuk, hogy nagyon rossz nekünk). Ezeket főleg akkor használják ausztenites acél helyett, amikor Cl - -ionok vagy más halogenid ionok vannak a felületen. Alkalmazása: - Autóipar: kipufogók, katalizátorok - Fémbútorok - Cukoripari berendezések vékony csövei - Háztartási villamos gépek, lefolyórendszerek - Tejipari berendezések - Tengervizes hőcserélők - Geotermikus hőcserélők lemezei, csövei - Olajipari berendezések 29
Martenzites korrózióálló acélok tulajdonságai Általában nemesítve (edzés + megeresztés) kerülnek felhasználásra. Erős igénybevétel, nagyméretű forgógépek tengelyei. Nagy szilárdság. Alkalmazás: - szelepek, csapok - evőeszközök, konyhai eszközök - sebészeti eszközök, forgácsolószerszámok - nagy méretű szelepek, turbinák tengelye, periszkópcsövek Duplex korrózióálló acélok tulajdonásai Folyáshatáruk 2-3x-osa is lehet az ausztenitesnek, ezért ugyanakkora terhelés mellett jóval kisebb önsúlyú berendezések tervezhetőek. Korrózió tekintetében kloridionos környezetben sokkal jobban ellenállnak a lyukkoróziónak, mint az ausztenitesek. Alkalmazás: - olajipar, papíripar, vegyipar kloridos folyamatainak berendezései - tengervizes hőcserélők, tankhajók, tengeri hidak - hőcserélők, füstgáz-kéntelenítők. 8. Erőművek szerkezeti acéljai és ötvözetei Növelt és nagy hőmérsékleten üzemelő berendezések anyagai. Nedves és száraz korrózió is éri őket, valamint a hőingadozás miatt komoly problémát jelent a termikus kifáradás is. Melegszilárd acélok Hőerőművek kazánjai, csövek alapanyagai. Fontos elvárás a magas hőmérsékleten (300-600 C-ig) a kúszással szembeni ellenállás, a melegszilárdság. Továbbá fontos hogy jól hegeszthetők legyenek. Cr és Mo ötvözők a legfontosabbak, főleg ez utóbbi, mert már minimális mennyiés (0.3%) esetén is javítja az anyag ilyen jellegű tulajdonságait. Ezen kívül fontos ötvöző még a vanádium (V). Gátolják a diszlokációcsúszáson és a szemcsehatárok egymáson való elcsúszásán alapuló kúszást. Hidrogénnyomás-álló álló acélok Olyan berendezések, melyekben a nagy nyomású és nagy hőmérsékletű közegből atomos H juthat a szerkezeti anyagba. Ez elridegülést okoz. Nemesítést igényelnek ezek az acélok. 30
Hőálló acélok Nagy hőmérsékleten, oxigén jelenlétében keletkező vas-oxidok könnyen leválnak a felületről, így csökkentve annak keresztmetszetét. A reveképződés sebességét az egységnyi fémtömeg időegységre jutó csökkenésével, a fajlagos tömegveszteséggel szokás jellemezni. - ferrites hőálló acélok: 850-1100 C, kemencék, kazánok. - ausztenites hőálló acélok: van szuperhőálló ötvözet is. A nikkel és ötvözetei - nedves korróziónak ellenálló ötvözetek - hőálló és kúszásálló szuperötvözetek - különleges fizikai tulajdonságú ötvözetek Sok-sok példa képekkel a jegyzetben 9. Szerszámacélok Általános követelmény, hogy legyen a megmunkálandó acélnál keményebb, és ezt a tulajdonságát üzemi körülmények között tartsa meg. A forgácsolószerszámok éltartóak, a mérőeszközök kopásállóak, mérettartók, a sajtolószerszámok kemények, ugyanakkor szívósak. Ezek az igények csak másmás acélfajtákkal elégíthető ki. - Ötvözetlen szerszámacélok: A keménységet a martenzit biztosítja, mely gyors hűtéssel állítható elő. Vésők, ollók, reszelők, fejszék, borotva, kisebb kézi szerszámok. - Ötvözött szerszámacélok - Hidegalakítás szerszámanyaga Fémeket hideg állapotban alakító szerszámok. Lyukasztótüskék, mángorló, hengerlő szerszámok, üregelőtüskék stb. - Melegalakítás szerszámanyaga Kisajtolószerszámok, melegollókések stb. - Gyorsacélok Nagy sebességgel dolgozó forgácsolószerszámok alapanyagai. A megmunkálás során akár 600 C-ra is felmelegedhetnek. 31