Budapesti Műszaki Főiskola Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Anyagtudományi és Gyártástechnológiai Intézet Anyag- és AlakításTechnológiai Szakcsoport előadó: Dr. Bagyinszki Gyula főiskolai tanár Cím: 1081 Budapest, Népszínház utca 8., fsz. 25. Tel.: 06-1-666-5304; Fax: 06-1-666-5494 E-mail: bagyinszki.gyula@bgk.bmf.hu; Honlap: www.banki.hu/~aat
http://www.banki.hu/~aat/oktatas/menedzser/index.htm 2
(BAGAI1MMLB) 2. félév; 10+0+0 óra/félév; vizsga; 3 kredit Oktatási célok: Az ipar különböző területein alkalmazható anyagok (természetes és szintetikus polimerek, fémek és ötvözeteik, keramikus anyagok, kompozitok) felépítésének, fizikai-, technológiai- és használati jellemzőinek rendszerező ismertetése. A szilárd anyagok szerkezetének, tulajdonságainak, megmunkálhatóságának és károsodásállóságának vizsgálatára, az anyagokat feldolgozó termelési folyamatok minőségirányítására (minőségmenedzsmentjére) alkalmas fontosabb módszerek ill. eszközök bemutatása. A szerkezeti anyagok forgalmazásában bizonyos fokú tájékozottság kialakítása, a műszaki intelligencia és kommunikáció-készség fejlesztése. Az anyagkiválasztás szempontrendszerének és módszertanának áttekintése. A fontosabb ökológiai tényezők, környezetszennyezési formák ill. környezetvédelmi lehetőségek összefoglalása. 3
Félévközi követelmény Aláírási ill. vizsgára bocsátási feltétel: Tesztfeladat eredményes megírása (legalább elégséges szinten). (Elégtelen teszt eredmény esetén egy alkalommal van javításra lehetőség a szorgalmi időszak órarenden kívüli - előzetesen egyeztetett - időpontjában.) Értékelés: 0 40 % elégtelen (1); 41 55 % elégséges (2); 56 70 % közepes (3); 71 85 % jó (4); 86 100 % jeles (5) Ha a teszt legalább közepes eredményű, akkor beszámításra kerül a szóbeli javító vizsgába. 4
Félévzáró követelmény Az előadások és a kapcsolódó jegyzet anyagának írásbelivel kombinált szóbeli vizsga formájában bizonyítandó megfelelő ismerete. A félév anyagát átfogó vizsgatémaköröket ill. -tételeket az internetről (http://www.banki.hu/~aat a Műszaki menedzser szak, majd az IRÁSBELI VIZSGATÉMAKÖRÖK ÉS SZÓBELI VIZSGATÉTELEK linkre kattintással) letölthető lista tartalmazza. A írásbeli vizsga eredményeinek kihirdetése általában a megírását követő 2. napon 12.00-tól a Szakcsoport honlapon (http://www.banki.hu/~aat Műszaki menedzser szak, majd a DOLGOZAT- ÉS VIZSGAEREDMÉNYEK linkre kattintással), a jegybeírás és a szóbeli javító vizsga pedig a következő munkanapon 10.00-tól a Népszínház u. 8. kijelölt termében (termeiben) történik. Az írásbeli alapján megajánlott jegyet javító szóbeli vizsgán - a tételek kihúzását követően - kb. 15 20 perc felkészülési idő áll rendelkezésre. A szóbeli vizsgán egy-egy tételt kell húzni az 1 50. és az 51 100. tételek (lásd IRÁSBELI VIZSGATÉMAKÖRÖK ÉS SZÓBELI VIZSGATÉTELEK ) közül. Javított vizsgaeredmény feltétele a vizsga keretében érintett témakörök elfogadható szintű ismertetése. írásbeli vizsgán (max. 85 % pont) szóbeli vizsgán 00...25 % pont: elégtelen (1) 26...40 % pont: elégtelen (1) 41...55 % pont: elégséges (2) 56...70 % pont: közepes (3) nem lehet szóbelizni, marad elégtelen (1) elégségesért (2) szóbelizni kell lehet szóbelizni jobb jegyért lehet szóbelizni jobb jegyért 71...85 % pont: jó (4) jelesért (5) szóbelizni kell 5
Tananyag ütemezése 1. előadás: 2008. február 15. Bevezetés; Szilárd anyagok szerkezete és szerkezetvizsgálata 2. előadás: 2008. február 29. Szerkezeti anyagok választéka és jellemzői 3. előadás: 2008. március 14. Szerkezeti anyagok tulajdonságai és minősítő vizsgálatai 4. előadás: 2008. április 4. Tesztfeladat megírása; Szerkezeti anyagok megmunkálhatósága és technológiai próbái; Szerkezeti anyagok károsodásállósága és károsodásvizsgálatai 5. előadás: 2008. május 9. Anyagkiválasztás szempontrendszere; Ökológiai tényezők, környezetszennyezési formák ill. környezetvédelmi lehetőségek 6
Kötelező irodalom korábbi 2. kiadás: L-473 jelenlegi 3. kiadás: BMF BGK 3008 7
Ajánlott irodalom + Szakcsoport honlapról letölthető, tanulást segítő számítógépes prezentációk, programok, videók, segédletek 8
A tantárgy szerepe a Műszaki Menedzser Szak képzésében MINŐSÉG (milyet?) TECHNOLÓGIA (hogyan?) PIAC MINŐ- SÉG ÁR (mennyiért?) HATÁRIDŐ (mikorra?) ANYAG (miből?) KONSTRUKCIÓ (mit?) Műszaki, informatikai, gazdasági és humán ismeretek: Anyagismeret + Ökológia Gyártásismeret + Logisztika Műszaki dokumentáció (méretezés, ábrázolás) Szűkebb és tágabb környezet (anyagi világ) jobb megismerése 9
középfokú előképzettségre épülés Fizika Kémia Biológia Matematika Természettudományok: FIZIKA (szilárdtestfizika, mechanika, hőtan, elektromosságtan, mágnesességtan, optika, akusztika); KÉMIA (általános kémia, szerves kémia, szervetlen kémia); BIOLÓGIA (sejttan /citológia/, szövettan /hisztológia/, alaktan és szervtan /morfológia/); MATEMATIKA (algebra, geometria, függvénytan, statisztika). 10
BEVEZETÉS 11
Szerkezeti anyagok csoportjai szilárd fizikai anyagok = szerkezeti anyagok mechanikai, termikus, elektromos, mágneses, optikai és akusztikai, vagyis fizikai tulajdonságaik fontosak 12
Termékminőség- és élettartam-tényezők anyagismereti szempontból az anyagok szerkezetének, választékának, fizikai (konstrukciós) tulajdonságainak, megmunkálhatóságának (technológiai tulajdonságainak), károsodásállóságának (üzemeltetési tulajdonságainak) és a kapcsolódó minősítési (vizsgálati) eljárásoknak az ismerete szükséges 13
Szilárd anyagok szerkezete és szerkezetvizsgálatai 14
Szilárd anyagok szerkezeti szintjei Szerkezetvizsgálati eszközök ill. módszerek: elektromágneses vagy korpuszkuláris sugárzással előállított ill. hordozott információ az egésztől a rész(let)ek felé haladva az anyagfelépítés különböző szintjei: makroszkopikus szerkezet: külső makroszerkezet belső makroszerkezet mikroszkopikus szerkezet: kvalitatív mikroszerkezet kvantitatív mikroszerkezet szubmikroszkopikus szerkezet: kristályrács-szerkezet kristályrácselem-szerkezet atomi szerkezet atomi kötésszerkezet atomszerkezet nukleonok (protonok, neutronok), elektronok; elemi részecskék (mezon, hiperon, rezon, neutrinó, müon, ), antirészecskék (pozitron, antiproton, antineutron, ); nukleonokat alkotó kvarkok ill. antikvarkok 15
Külső makroszerkezet Geometria: alak (pl. rúd /kör-, négyszög, hatszög- stb. keresztmetszetű/, drót, huzal, vékony és vastag lemez, szalag, fólia, cső, nyitott profil, zárt szelvény, tömb, formázott öntvény, alakos kovácsdarab) jó kihasználhatóság, anyagtakarékosság, (ön)súlycsökkentés; jellemző (szabványos) méretek Esztétika 16
Megfelelő (ideális, optimális) alak kiválasztása Jellemző igénybevétel alapul vétele szilárdságtani méretezéskor: Húzás: állandó σ normálfeszültség, keresztmetszet területével arányos (alaktól független) terhelhetőség tömör körszelvény megfelelő; Nyomás: kihajlás veszély, keresztmetszet ekvatoriális másodrendű nyomatékával arányos (alaktól függő) terhelhetőség szimmetrikus zárt kör- vagy négyzetszelvény megfelelő; Hajlítás: lineárisan változó σ normálfeszültség, keresztmetszet ekvatoriális másodrendű nyomatékával ill. keresztmetszeti tényezőjével arányos terhelhetőség álló I-, szendvics- vagy zárt téglalap szelvény megfelelő; Nyírás: állandó τ csúsztatófeszültség, keresztmetszet nagyságával arányos (alaktól független) terhelhetőség tömör kör-, négyzet- vagy téglalap szelvény megfelelő (de járulékos hajlítás lehet); Csavarás: lineárisan változó τ csúsztatófeszültség, keresztmetszet poláris másodrendű nyomatékával ill. keresztmetszeti tényezőjével arányos terhelhetőség forgásszimmetrikus csőszelvény megfelelő. 17
Felületminőség, felületállapot: hullámosság, érdesség (R y maximális, R a átlagos; R z egyenetlenség-magasság) 18
Vizuális vizsgálatok 19
Nehezen vagy nem hozzáférhető belső terek, üregek felületének vizsgálata Boreszkóp Fiberszkóp 20
Videoszkóp 21
Belső makroszerkezet A külső makroszerkezeti geometria által behatárolt térfogatot az anyag milyen folytonossággal (kontinuitással) tölti ki. belső makroszerkezet célszerűen módosítása: hőszigetelő anyagok (habosított műanyagok, filcesített kerámiák); fémhabok (kis önsúly, ütközési energiaelnyelés) szemcsés, szálas, réteges kompozitok Külső és belső makroszerkezet kombinálása: (külső) alaktényező (belső) szerkezeti tényező totális formatényező 22
Nem szándékolt anyagfolytonossági hiányok Planimetrikus (síkszerű, 2D-s) - repedések - nem összefüggő határfelületek Volumetrikus (térszerű, 3D-s) - gázüregek - szilárd zárványok HIBÁK! 23
RONCSOLÁSMENTES ANYAGVIZSGÁLATOK A vizsgálati feladat kettős: egyrészt a folytonossági hiány felderítése, vagyis jelenlétének kimutatása, helyzetének (orientációjának), alakjának, gyakoriságának, jellemző méreteinek meghatározása; másrészt a kimutatott folytonossági hiány értékelése abból a szempontból, hogy jelenléte és várható hatása az anyag felhasználása, ill. a termék rendeltetésszerű használata szempontjából megengedhető-e vagy sem, azaz hibának minősül-e. 24
Folyadékbehatolásos vizsgálat 25
Mágnesezhető poros vizsgálat 26
Örvényáramos vizsgálat 27
Ultrahangos vizsgálat Anyagvastagságill. távolságmérésre is alkalmazható! 28
Radiográfiai röntgensugaras vizsgálat 29
Radiográfiai gammasugaras (radioaktív izotópos) vizsgálat 60 Co 137 Cs 169 Yb 170 Tm 192 Ir 30
Kvalitatív mikroszerkezet: anyagfolytonosságot biztosító, egymással összeépült fázisok minőségi összeképe szövetszerkezet 31
Fénymikroszkópi vizsgálatok adott anyagból készült próbatest maratlan (mikrorepedések, zárványok megfigyeléséhez), vagy maratott (fázisok, szemcsehatárok megfigyeléséhez) csiszolatát (polírozott, megfelelő kémiai szerrel kezelt síkmetszetét) nagy(obb) nagyításban, optikai eszköz segítségével vizsgáljuk 32
Kvantitatív mikroszerkezet az egyes fázisokra, ill. az azokat alkotó szemcsékre, továbbá mennyiségi, ill. dimenzionális jellemzőikre - számszerűsíthető adatokra korlátozódik; különösen fontos a szemcsék méretének ismerete, ugyanis az anyagok tulajdonságai - főként fémek és kerámiák esetében - szemcseméret-függők. Általában finomszemcsés anyagszerkezetre törekszünk, mert az a mechanikai tulajdonságokra - köztük az R szilárdságra - kedvező hatással van. R = R + R = R0 0 + k d 33
Elektronmikroszkópi vizsgálatok Az elektronmikroszkóp a látható fénynél lényegesen rövidebb hullámhosszúságú, mágneses, vagy elektrosztatikus elven irányítható, formálható, m e = 9,11 10-31 kg tömegű, e = 1,602 10-19 C töltésű elektronokból álló sugárral alkot képet, melynek hullámhossza: e gy gy [nm], ha az elektronokat a vizsgálandó felületre gyorsító feszültséget (U gy ) [kv]-ban vesszük számításba (h = 6,62 10-34 [Js] a Planck-féle állandó). Ilyen módon a szokásos 40...100 kv közötti gyorsítófeszültségekkel 0,006...0,004 nm hullámhossz adódik. A mágneses, vagy elektrosztatikus "lencséknek" csekély a numerikus apertúrájuk (a 0,02), így a felbontóképesség (d 0,2...0,3 nm), ami kb. 1000-szer jobb a fénymikroszkópénál. λ= h 1 15, = m e U U 34
Kristályrács-szerkezet (szubmikroszkópikus szerkezet) TÉRRÁCS: r = l a 1 + m a 2 + n a 3, ahol l, m, n egész számok; a 1, a 2, a 3 a periodikus rendezettség három térbeli irányába mutató transzlációs egységvektorok KRISTÁLYRÁCS: térrács + bázisok; atomok, ionok, molekulák transzlációs szimmetriával építik fel a kristályrácsot, a szilárd anyag szemcséit kristályos anyagok transzlációs szimmetriája: a térrács geometriai elemeinek (csúcsok, élek, lapok) szabályos ismétlődése: 35
Periodikus rendezettség kiterjedése kristályos anyagszerkezet hosszútávú rendezettsége: Amorf anyagszerkezet rövidtávú rendezettsége: a rendezettség a külső makroszerkezeten belül nem vált orientációt, azaz egyetlen szemcsét épít fel monokristályos anyag (egykristály) a hosszútávú rendezettség a különböző orientációjú fázisok, ill. szemcsék határáig áll fenn polikristályos anyag 36
Nulldimenziós (pontszerű) kristályhibák saját intersztíciós atom vakancia (üres kristályrácshely, hiányzó atom) szubsztitúciós atom idegen intersztíciós atom egyidejűleg keletkező vakancia és saját intersztíciós atom: Frenkel-hibapár 37
Egydimenziós (vonalszerű) kristályhibák él- és csavardiszlokációk Kristályrácsbeli helyzetüknél fogva az anyag alakváltozását megkönnyítik. Jelenlétük esetén nem kell az egész atomsíkot egyszerre elcsúsztatni a szomszédjához képest, hanem az szakaszonként történhet: mint a nagyméretű szőnyeg mozgatása, mint a százlábú mozgása. A diszlokációk az elcsúszott és az el nem csúszott kristályrészek elválasztó atomsorai. A diszlokációk nagyságát jellemzi a b Burgers-vektor. A diszlokációvonalak általában összetettek, a kristályrácsban "ágas-bogas" hálózatot alkotnak. A diszlokációk mennyiségét jellemzi a diszlokációsűrűség, az egységnyi felületen lévő diszlokációvonal-metsződések száma. nem alakított (lágyított) anyag kristályrácsában 10 8 10 9 /cm 2, hidegalakítás után 10 11 10 12 /cm 2 nagyságrendűvé válik. 38
Kétdimenziós (felületszerű) kristályhibák a) kisszögű szemcsehatár c) Ikerhatár + anyagfelületek b) nagyszögű szemcsehatár d) rétegződési hiba 39
Háromdimenziós (térfogatszerű) kristályhibák a) pórus b) zárvány, fáziskiválás c) különféle fázishatárral d) szilikátüveg (amorf kerámia) e) fémüveg (amorf fém) 40
Kristályrácselem-szerkezet kristályrácsokat elemi cellákból vagy rácselemekből is felépíthetjük párhuzamos eltolással (transzlációval) létrehozható a teljes rács, miközben a teret hézag nélkül töltik ki 41
Kristályrendszerek és rácselemeik 7 kristályrendszer a három transzlációs egységvektor egymással bezárt szöge (vagy az ezt kifejező skaláris szorzata), ill. abszolút értéke (az adott irány szerinti rácsperiodicitás) alapján 14 féle Bravais-rács (Auguste Bravais-ról /1811-1863/ elnevezve) 4-féle altípus különbözőségüket az adja, hogy a kristályrácselem (elemi cella) csúcsain kívül bázis előfordulhat a cella közepén, a két szemközti alaplapján, vagy mind a hat oldallapján is A rácselem éleinek abszolút hossza a kristályrácsban helyet foglaló anyagi részecskék fajtájától (méretétől) függő érték, vagyis anyagra jellemző rácsparaméter, ami pl. diffrakciós vizsgálatokkal határozható meg. 42
Köbös kristályrendszer néhány síkjának, ill. irányának Miller-indexei 43
Kristályrendszerek geometriai krisztallográfiai adatai koordinációs szám: egy rácspontbeli atom legközelebbi szomszédainak száma; kisebb érték (pl. 4) nagyobb keménységre, nagyobb érték (pl. 12) nagyobb alakváltozó-képességre utal. merev gömbnek tekintett atomok átmérője a radiokrisztallográfiai (diffrakciós) úton meghatározott rácsparaméterhez viszonyítva utal az adott anyag szubsztitúciós (atomhelyettesítéses) ötvözhetőségére. rácselemben foglalt atomok száma (pl. a köbös rácselem csúcsán lévő atom ⅛, az élén lévő ¼, a lapján lévő ½ részben veendő számításba). térkitöltési tényező: a gömböknek feltételezett atomok által kitöltött rácselem- térfogatnak és a rácselem teljes térfogatának a hányadosa. kristályrács legnagyobb hézagainak helye és nagysága utal az intersztíciós (atombeékelődéses) ötvözési lehetőségekre. {legsűrűbb vagy legszorosabb illeszkedésű síkok} <legsűrűbb vagy legszorosabb illeszkedésű irányok> 44
Legfontosabb kristályszerkezetek geometriai krisztallográfiai adatai 45
Egyszerű köbös kristályszerkezet 46
Térközepes köbös kristályszerkezet 47
Lapközepes köbös kristályszerkezet 48
Gyémántrácsú köbös kristályszerkezet 49
Sűrűilleszkedésű hexagonális kristályszerkezet 50