Anyagtudomány:
hagyományos szerkezeti anyagok és polimerek Társított rendszerek (fémek és kerámiák)
Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék BME Műanyag- és Gumiipari Laboratórium H ép. I. emelet
•Vázlat Társított rendszerek Fémek
Acél
Kerámiák Gyakorlati példák
Általános megfontolások, célok, lehetőségek, példák Szilárd oldatok, ötvözetek, Cottrell felhő, kiválásos heterogenitások Szerkezet, összetétel, fázisok, perlit, martenzit, hőkezelt martenzit Csoportosítás, példák, erősítőanyagok, előállítás, tulajdonságok Egyéb összetett rendszerek, MDF lap, vasbeton…
2
•Bevezetés
Csoportosítás, technológia
Kiindulási anyagok Alaptulajdonságok
Szerkezet
Feldolgozás, Technológia
Társított rendszerek
Feldolgozástól függő szerkezet Előnyösen változott tulajdonságok
Optimális tulajdonságok
Termék Beavatkozási lehetőség
Ellenőrzési lehetőség
Mérhető mennyiség
3
•Társított rendszerek Bevezetés
•
•
Cél: anyagok társításával olyan tulajdonságú termék készítése, amelynek tulajdonsága valamilyen szempontból előnyösebb, mint a kiindulási anyagoké •
Mátrix anyag
•
Társító anyag(ok)
Dinamikus fejlődés •
•
•
Gazdaságilag előnyösebb, mint új anyagok kifejlesztése •
Új anyag (hosszú idő: 6-10 év)
•
Társított rendszer (relatív rövid idő: 2-3 év)
Számos esetben nem is lehetséges új anyaggal kielégíteni a kívánt tulajdonságokat
A szerkezet-tulajdonságok ismerete elengedhetetlenül szükséges 4
•Társított rendszerek Alapok
• • •
• •
•
Több komponens Bonyolult szerkezet, több fázis jelenléte Kölcsönhatások lépnek fel az egyes fázisok között
Azonosságok Alapvető tényezők •
Komponensek tulajdonságai
•
Szerkezet
•
Összetétel
•
Határfelületi kölcsönhatások
Különbségek, egyedi jelleg 5
•Társított rendszerek Csoportosítás
•
Az erősítőanyag jellege szerint Kompozitok
Szemcsés
Nagy szemcsék Diszperziós erősítés
Szálerősítésű
Folyamatos
Szerkezeti
Rövidszál
Random
Laminátum
Szendvics
Orientált 6
•Nagy részecskés rendszer Felső és alsó modulus határ
• • •
Polimer mátrix Beton Erősítés feltétele •
Relatív kis részecskék
•
Homogén eloszlás
•
Jó kölcsönhatás
•
Felső modulus határ
•
Alsó modulus határ
Wolfram szemcsék réz mátrixban
From R. H. Krock, ASTM Proceedings, Vol. 63, 1963. Copyright ASTM, 1916 Race Street, Philadelphia, PA 19103.
Ec f EmVm ErVr
Ec a
Em Er Vm Er Vr Em
-Ec(f), Ec(a) a kompozit felső és alsó modulusa -E a húzó modulus -V a térfogattört - c, m és r indexek pedig a kompozitot, mátrixot és a részecskét jelölik
7
•Szálerősítéses kompozit Kritikus szálhossz
•
A szál hosszúságának meg kell haladnia egy kritikus hosszúságot * •
lc a kritikus szálhossz
•
d a szál átmérője
•
fd lc 2 c
τc a kritikus nyíróerő, vagy a szál mátrix kötés erőssége (amelyik kisebb)
8
•Szálerősítéses kompozitok Orientáció hatása
•
Rideg szál orientációja nagy merevséget eredményez az orientáció irányában
Callister, W. D., Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley & Sons Inc, New York (2007) pp 587
9
•Társított rendszerek Példák
•
Fém ötvözetek (fém+fém) Vasbeton (fém+cement+kavicsok) Konyhai (MDF panel) Üvegszál erősítéses epoxigyanta (polimer + üveg) Kerámia kompozitok (kerámia + üveg, szén…)
•
Széleskörű alkalmazás
• • • •
10
•Fém alapú társított rendszerek Ötvözetek
•
Szilárd oldatos ötvözetek •
Magas hőmérsékletű oldó hőkezelés
•
∆𝜏 ~ 𝑐1/2 vagy ∆𝜏 ~ 𝑐 2/3
11
•Fém alapú társított rendszerek Cottrell felhő
• •
Az ötvöző anyag kölcsönhatása a diszlokációkkal Diffuziókontroll
12
•Cottrell felhő Mozgás-diffúzió
•
A felhő mozgása diffúziókontrollált •
Lassú deformáció esetén (deformációsebesség 0,075 1/s)
•
Gyors deformáció esetén (deformációsebesség 0,09 1/s)
Akihiko Minami and Akira Onuki Dislocation formation in alloys 2005
13
•Kiválásos keményedés Átvágásos mechanizmus
•
Ötvözés és öregítés •
•
•
Viszonylag alacsony hőmérsékletű hőkezelés
Átvágásos mechanizmus •
Kis különbség a Burgers vektorokban
•
Közel azonos orientáció
•
Hasonló szemcseméret
Viszonylag kismértékű erősítő hatás
14
•Kiválásos keményedés Nem átvágható mechanizmusok
•
Orován mechanizmusok
•
Első oszlop nem igényel termikus aktiválást (gyors)
•
•
A többi mechanizmus csak magas hőmérsékletű terhelések során jön létre (lassú) Nagy hatás 15
•Fém ötvözetek •
Példák
•
Réz-nikkel ötvözet mechanikai tulajdonságai
Callister, W. D., Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley & Sons Inc, New York (2007) pp 268
16
•Acél • • •
Fe-Fe3C (cementit vagy vas karbid) A vasat szénnel módosítják Ferrit és cementit fázisok mennyisége és szerkezete
Ortorombos cella
Callister, W. D., Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley & Sons Inc, New York (2007) pp 340
17
•Perlit
Szemcseméret hatása
•
Finom és durva perlit (szferoidit)
Callister, W. D., Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley & Sons Inc, New York (2007) pp 341
18
•Bainit
Alacsony hőmérsékletű átmenet
•
Egészen kis szemcseméretű ferrit és Fe3C
Callister, W. D., Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley & Sons Inc, New York (2007) pp 342
19
•Gyakorlati példa •
Knorr-Bremse Kft. 25CrMo4 acél (500x nagyítás)
•
Összetétel (%) •
Cr (0,9-1,2)
•
Mo (0,15-0,3)
•
C (0,22-0,29)
Szakítószilárdság Lassú hűtés: 720-790 MPa Nemesített: 785-790 MPa
Lassú hűtés (Bainit, ferrit-perlit)
Nemesített(Bainit, ferrit-perlit)
20
•Martensit
Szénnel túltelített fázis (gyors hűtés)
•
Növekvő merevség egészen 0,6 % széntartalomig
Callister, W. D., Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley & Sons Inc, New York (2007) pp 343
21
•Hőkezelt martenzit Szerkezeti átalakulás
• • •
A hőkezelés során a szénnel túltelített martenzit stabil ferrit és cementit fázisokká alakul A cementit szemcsék azonban sokkal kisebbek, mint az előző szerkezetekben Hőkezelés 250 és 650 °C között •
•
•
A hőmérséklet befolyásolja a cementit szemcsék méretét Minél magasabb a hőmérséklet, és minél hosszabb a hőkezelés ideje annál nagyobb cementit szemcsék képződnek A ferrit-cementit határfelület lecsökken, ami a merevség csökkenéséhez vezet
Callister, W. D., Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley & Sons Inc, New York (2007) pp 344
22
•Martenzit hőkezelés
Hőmérséklet hatása a gyakorlatban
•
A szerkezet és ezáltal a tulajdonságok megváltoznak
Callister, W. D., Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley & Sons Inc, New York (2007) pp 345-6
23
•Acél
Összefoglalás
•
A széntartalom, szerkezet és feldolgozás együttesen határozza meg a szerkezetet és a tulajdonságokat
Perlit Ausztenit
•
Alakmemória
Közepes hűtés
Bainit Martenzit
Hőkezelt martenzit 24
•Fém alapú kompozit Fémmegmunkáló szerszám
•
•
Fém-kerámia Cobalt-Wolfram karbid kompozit •
Nagy merevség
•
Kiemelkedő kopásállóság
•
•
Nagyon rideg (önmagában nem használható)
Használható WC, TiC mint erősítő anyag és Ni, vagy Co mint mátrix 25
•Kerámia alapú kompozitok Bevezetés
•
•
Oxid alapú mátrixok •
Al2O3, SiO2, MgO, TiO2, szilikátok
•
Technológiailag jobban megalapozottabbak
•
Környezeti szempontból stabilak
•
Olcsóbbak
Nem oxid alapú mátrixok •
Si3N4, BN, Sialon, SiC, B4C, TiC, MoSi2
•
Kiváló mechanikai és hőtechnikai tulajdonságok
•
Nagy keménység
•
Korrózióállóság
26
•Kerámia alapú kompozitok Erősítőfázisok
•
Nem folytonos •
• •
• •
•
PSZ (részlegesen stabilizált cirkónia) Si3N4 tűkristály BN részecske TiB2 részecske SiC lemez, tűkristály
Folytonos • • • •
Üvegszál (70 GPa) Mullit szál (180 GPa) Al2O3 szál (380 GPa) SiC szál (430 GPa)
SiCf /Si3N4
SiCw/Al2O3
27
•Kerámia kompozitok
Nem folytonos erősítőfázisok (whiskerek)
•
Si3N4
SiC
28
•SiC tűkristály előállítása VLS módszer (gáz-folyadék-szilárd)
29
•Folytonos szálerősítésű CMC Előállítás
•
Infiltrációs, más néven átitatás
30
•Folytonos szálerősítésű CMC Terhelés – alakváltozás
•
A tönkremenetel nem hirtelen következik be
31
•Kerámia alapú kompozitok Gyakorlati példa
• •
•
PSZ szemcsék + Al2O3 mátrix (lehet ZrO2 is) + CaO, MgO, Y2O3, CeO mint stabilizátor A részlegesen stabilizált ZrO2 szemcsék szerkezeti átalakulása (metastabil tetragonális szerkezetből stabilis monoklin szerkezetbe) Az átalakulást térfogat növekedés kíséri, aminek következtében a repedés bezáródik és nem terjed tovább
Callister, W. D., Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley & Sons Inc, New York (2007) pp 606
32
•Kerámia alapú kompozitok Szívósítás whiskerekkel
•
Al2O3 + SiC whisker Whisker tartalom (v%)
Törési szilárdság (MPa)
Törési szívósság (MPa√m)
0
-
4,5
10
455±55
7,1
20
655±135
7,5-9,0
40
850±130
6,0
Callister, W. D., Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley & Sons Inc, New York (2007) pp 606
33
•Kerámia kompozitok Felhasználási területek
• • • • • •
Kopás- és korrózióálló szerkezeti anyagok Fémmegmunkáló szerszámok Rakétatechnika, hadiipar Energiatermelés Belső égésű motorok Biokerámiák
34
•Kompozitok
Határok, fejlődési irányok
•
Merre tartunk?
35
•Egyéb szerkezeti kompozitok Vasbeton
• • •
• • •
Cement + homok (beton) Acél Követelmények •
A beton és az acél hőtágulása közel azonos
•
Az acél kevéssé korrodál betonba ágyazva
•
Relatív erős kölcsönhatás lép fel az acél és a beton között
Esetleg használhatnak még a erősítésként üveg, polietilén, poliamid szálakat is A felhordása nagyon nehéz, ugyanis a beton megkötése erősen exoterm (hűtést igényel) Külön iparág •
Felhőkarcolók, vízierőművek és egyéb óriási építmények 36
•Vasbeton Példák
37
•Polimer-fa kompozitok Példa
• • •
•
Konyhai MDF lap MDF = Medium density fibreboard Faporból nagy nyomáson, gyantával préselt bútorlap •
Kiváló vízállóság
•
Nem vetemedik
•
Tartós
Követelmények •
Jó kölcsönhatás a gyanta és a fa között
•
Nedvesítés
•
Megfelelő szemcseméretű fapor 38
