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

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 2015-2016. ősz

Köszönetnyilvánítás: • Kiss Attila előadásainak diái részben Dr. Csizmazia Ferencné tanárnő (SZE-Győr) 2000-2001. 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 2014. 09. 10.

Atomerőművi anyagvizsgálatok

2/96

Néhány fontos tudnivaló a tárgyról

Néhány fontos tudnivaló a tárgyról 1/4 / BMETE80MF15 Kiss Attila

Évközi számonkérés/vizsga

2014. 09. 10.


4/96

Néhány fontos tudnivaló a tárgyról 2/4

Zárthelyi!

2014. 09. 10.


5/96

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

2014. 09. 10.


6/96

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: http://www.reak.bme.hu/index.php?id=554 Kérdés esetén engem keressenek: BME R 317/7a vagy [email protected] vagy +36-1-463-1997. 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%). 2014. 09. 10.


7/96

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 vaskarbon ötvözetrendszer 2014. 09. 10.


8/96

Anyagismereti alapfogalmak Miért van szükség ezekre az ismeretekre?

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*xb (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). 2014. 09. 10.


10/96

Példa az anyagvizsgálat elvére

2014. 09. 10.


11/96

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: 2014. 09. 10.


A döntéshozó:

12/96

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

2014. 09. 10.


13/96

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.

2014. 09. 10.


14/96

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!

2014. 09. 10.


15/96

Közvetlen Vs. közvetett módszer • A felületi szemrevételezés az egyetlen közvetlen módszer, a többi valamilyen jelenség kihasználásán alapul: anyagismeret = anyagtudomány!

2014. 09. 10.


16/96

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 * c2 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. 2014. 09. 10.


17/96

Az anyag körforgása 1/2 Természetben megtalálható anyag Bányászat

Természetes lebomlás

Nyersanyag

Hulladék

Szelektív hulladékgyűjtés „Recycling” Természetes vagy ember okozta elhasználódás

2014. 09. 10.

Ipari feldolgozás

Késztermék


18/96

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

2014. 09. 10.


19/96

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

2014. 09. 10.


20/96

Az anyagok csoportosítása 2/3 b., Eredet szerint: - Szervetlen • fémek, kerámiák, kompozitok, stb.;

- Szerves természetes eredetűek pl. gumi, fa, bőr stb. mesterségesen előállított műanyagok. 2014. 09. 10.


21/96

Az anyagok csoportosítása 3/3 c., Felhasználás szerint: - Energiahordozók (pl. fosszilis tüzelőanyagok); - Ipari anyagok (pl. egy bicikli acél alkatrészei); - Létfenntartáshoz szükséges (pl. élelmiszer). Kb. 30%

Kb. 23%

energia hordozók ipari anyagok élelmiszerek Kb. 47%

2014. 09. 10.


22/96

Energiahordozók Eloszlásuk és felhasználásuk a Földön egyenlőtlen, de nélkülük a modern emberi élet ma már elképzelhetetlen

2014. 09. 10.


23/96

A primerenergia-források régiónkénti megoszlása Szén

ÉszakAmerika 10%

Afrika 3% Ázsia, Ausztrália 38%

Dél- és KözépAmerika 1% NyugatEurópa 3% FÁK és KeletEurópa 45%

Közel-Kelet 0%

12. ábra. A világ műrevaló szénvagyonának régiónkénti megoszlása 2014. 09. 10.


24/96

A primerenergia-források régiónkénti megoszlása Kőolaj

NyugatEurópa 2%

Ázsia, Ausztrália 4%

Afrika 6%

Dél- és KözépAmerika 8%

FÁK és KeletKözépEurópa 6%

ÉszakAmerika 9%

Közel-Kelet 65%

13. ábra. A világ műrevaló kőolajvagyonának régiónkénti megoszlása 2014. 09. 10.


25/96

A primerenergia-források régiónkénti megoszlása Földgáz ÉszakAmerika 6%

Dél- és KözépAmerika 4%

NyugatEurópa 4% FÁK és KeletEurópa 40%

Afrika 7% Ázsia, Ausztrália 7%

Közel-Kelet 32%

14. ábra. A világ műrevaló földgázvagyonának régiónkénti megoszlása 2014. 09. 10.


26/96

A primerenergia-források régiónkénti megoszlása Urán Dél-Amerika 5%

Ázsia 4%

NyugatEurópa 4%

FÁK és KeletEurópa 26%

Ausztrália 17%

ÉszakAmerika 20%

Afrika 24%

15. ábra. A világ műrevaló uránvagyonának régiónkénti megoszlása 2014. 09. 10.


27/96

A megújulók részaránya

2014. 09. 10.


28/96

A megújuló energiaforrások fajtái • • • • • •

Víz Biomassza Szél Nap Geotermikus Árapály, tengeri hullámzás majdnem mind a Nap energiájának hatására

2014. 09. 10.


29/96

A primerenergia-források régiónkénti megoszlása A felhasználás és a primerenergia-források régiónkénti eloszlása nagyon különböző Feszültségek: Importfüggőség Ellátásbiztonság csökkenése Nemzetközi konfliktusok

2014. 09. 10.


30/96

Ipari vagy szerkezeti anyagok Mindazon anyagok amelyekből használati tárgyaink, épületeink, gépeink, vagyis a techno szféra minket mindenhol körbevevő eszközei készülnek.

2014. 09. 10.


31/96

Az „ipari” anyagok relatív fontossága

2014. 09. 10.


32/96

Élelmiszerek „Az vagy, amit megeszel.” Az elfogyasztott élelmiszer mennyisége és minőssége alapvetően meghatározza egészségi állapotunkat és életminőségünket.

2014. 09. 10.


33/96

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

Külvilág

1. Interakciós csatorna: A külvilágból érkező jeleket egyrészt az érzékszerveinken keresztül az agy kapja, ami feldolgozza azokat.

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.

Információs csatornák az emberi szervezet és a külvilág között 2014. 09. 10.


34/96

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 30-60 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!

2014. 09. 10.

GDP nominal per capita world map IMF 2009.png


35/96

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? 2014. 09. 10.


36/96

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!)

2014. 09. 10.


37/96

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);

2014. 09. 10.


38/96

Az ipari vagy szerkezeti anyagok

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: • • • • • • 2014. 09. 10.

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

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. 2. 3. 4.

Fémek (legjelentősebb az Fe, Al, Cu, Ti, stb.); Kerámiák (porcelán (villamos szigetelő), stb.); Polimerek (különféle műanyagok, stb.); Kompozit – társított anyagok (farost + enyv = bútorlap, szénszálerősítű műanyag, stb.).

2014. 09. 10.


41/96

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.). 2014. 09. 10.


42/96

A szerkezeti anyagok tulajdonságai

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! 2014. 09. 10.


44/96

Szerkezeti anyagok mechanikai tulajdonságai

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.

2014. 09. 10.


46/96

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.

2014. 09. 10.


47/96

Az egyszerű igénybevételek Nyírás Nyomás

2014. 09. 10.


48/96

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/mm2 vagy MPa, azaz MN/m2

2014. 09. 10.


49/96

Az anyag viselkedése terhelés hatására Az anyagok lehetnek: •Szívósak (képlékenyek) vagy •ridegek.

2014. 09. 10.


50/96

Szívós vagy képlékeny anyag • •

A tönkremenetelt (törést) jelentős nagyságú maradó alakváltozás előzi meg, ami sok energiát emészt fel. A töretfelület szakadozott, tompa fényű.

2014. 09. 10.


51/96

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.

2014. 09. 10.


52/96

Szerkezeti anyagok termikus tulajdonságai

Hőtágulás

[ ]

• Lineáris ( L vagy d egyirányú); • Térfogati ( V háromirányú) hőtágulás. • A hőtágulás mértéke: L = Lo T V = V0 T 2014. 09. 10.


54/96

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!

2014. 09. 10.


55/96

Szerkezeti anyagok elektromos tulajdonságai

Elektromos tulajdonságok A fajlagos ellenállás ( ,[ *mm2/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: me az elektron tömege, e a töltése; n a térfogatban található elektronok száma; v az elektronok átlagos sebessége; a λ az elektronok átlagos úthossza. 2014. 09. 10.


57/96

Elektromos tulajdonságok Az anyagok a fajlagos ellenállás alapján csoportosíthatók, mint: Vezetők, Félvezetők, Szigetelők.

2014. 09. 10.


58/96

A szerkezeti anyagok villamos ellenállása

2014. 09. 10.


59/96

Szerkezeti anyagok mágneses tulajdonságai

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. 2014. 09. 10.


61/96

Szerkezeti anyagok optikai tulajdonságai

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. 2014. 09. 10.


63/96

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 2014. 09. 10.


64/96

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

2014. 09. 10.


65/96

Szerkezeti anyagok akusztikus tulajdonságai

dB

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.

2014. 09. 10.


67/96

A hang terjedési sebessége

v

 Longitudionális

 vTranszverzális

1   1  1  2 

E

E

1  21  

„E” - Young-modulusz [MPa] „ρ” – Sűrűség [kg/m3] „ν” - Poisson tényező [-] 2014. 09. 10.


68/96

Akusztikai tulajdonságok • Az olyan közeget, amelyben: – a hanghullámok terjedése gyorsabb akusztikailag ritkább, – amelyben lassabb akusztikailag sűrűbb anyagnak nevezzük.

2014. 09. 10.


69/96

A szerkezeti anyagok fajtáinak általános tulajdonságai

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. 2014. 09. 10.


71/96

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.

2014. 09. 10.


72/96

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. 2014. 09. 10.


73/96

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. 2014. 09. 10.


74/96

Fémtan (ismétlés)

2014. 09. 24.


75/96

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! 2014. 09. 24.


76/96

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! 2014. 09. 24.


77/96

A metallográfia és

jelentősége (ismétlés)

2014. 09. 24.


78/96

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! 2014. 09. 24.


79/96

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)

2014. 09. 24.


80/96

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) 2014. 09. 24.


81/96

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! 2014. 09. 24.


82/96

Fémtani alapfogalmak Ismétlés

2014. 09. 24.


83/96

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

Ag 2014. 09. 24.


84/96

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.

2014. 09. 24.


85/96

Fémtani alapfogalmak 3/7 Ötvözet: • 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.

2014. 09. 24.


86/96

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. 2014. 09. 24.


87/96

Fémtani alapfogalmak 5/7 Ötvöző: • 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. 2014. 09. 24.


88/96

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.

2014. 09. 24.


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.

89/96

Fémtani alapfogalmak 7/7 Az ötvözetek csoportosíthatóak szerkezetük szerint: 1.

2.

Az egyféle krisztallitokból álló ötvözeteket egynemű (homogén) ötvözeteknek nevezzük. A szilárd oldatok egynemű felépítésű, homogén szerkezetű ötvözetek! Lásd a lenti a., ábrát 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! 2014. 09. 24.


90/96

Vas- karbon ötvözetrendszer

2014. 09. 24.


91/96

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).

2014. 09. 24.


92/156

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. 2014. 09. 24.


93/156

Vas- Karbon diagram szövetelemei (Heyn-Charpy féle iker diagram)

ausztenit

Olv.+cementit

A vas-vaskarbid (folyamatos vonal) és a vas-grafit (szaggatott vonal)

Ausztenit + olv. ausztenit GSE – A3 & Acm – felső átalakulási vonal, felette nincs allotróp átalakulás!

PSK – A1 – alsó átalakulási vonal, alatta nincs allotróp átalakulás!

Ferrit+Fe3C = Perlit Atomerőművi anyagvizsgálatok

94/96

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% hipereutektikus öntöttvasaknak.

2014. 09. 24.


95/96

Vége az első előadásnak! Kérdések?

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

Recommend Documents