Atomerőművi anyagvizsgálatok 1. előadás: Anyagismereti alapok, a gyakorlatban használt szerkezeti anyagok és tulajdonságaik

Budapesti Műszaki- és Gazdaságtudományi Egyetem (BME) Nukleáris Technikai Intézet (NTI)

Atomerőművi anyagvizsgálatok 1. előadás: Anyagismereti alapok, a gyakorlatban használt szerkezeti anyagok és tulajdonságaik

Tárgyfelelős: Dr. Aszódi Attila Mai előadó: Kiss Attila 2014-2015. 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

2/72

Néhány fontos tudnivaló a tárgyról

Néhány fontos tudnivaló a tárgyról 1/4 / BMETE80MF15

Évközi számonkérés/vizsga

2014. 09. 10.


4/72

Néhány fontos tudnivaló a tárgyról 2/4

2014. 09. 10.


5/72

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.


6/72

Néhány fontos tudnivaló a tárgyról 4/4 Előadások ideje: 12:15-14:00 BME-s előadások helye: R438

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. 2014. 09. 10.


7/72

Az előadás tartalma 1. Anyagismereti alapfogalmak (mérnöki szempontból) 2. A szerkezeti anyagok 3. A szerkezeti anyagok tulajdonságai 4. A szerkezeti anyagok fajtáinak általános tulajdonságai

2014. 09. 10.


8/72

Anyagismereti alapok 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.


10/72

Példa az anyagvizsgálat elvére

2014. 09. 10.


11/72

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:

12/72

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.


13/72

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.


14/72

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.


15/72

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

2014. 09. 10.


16/72

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.


17/72

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


18/72

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.


19/72

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

2014. 09. 10.


20/72

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.


21/72

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

Kb. 23%

energia hordozók ipari anyagok élelmiszerek Kb. 47%

2014. 09. 10.


22/72

Az „ipari” anyagok relatív fontossága

2014. 09. 10.


23/72

Az anyagok csoportosítása 1/3 a., Halmazállapotuk szerint: - Szilárd (~szerk. anyag); - Cseppfolyós; - Légnemű; (Szuperkritikus fluidum) (plazma állapot). Kérdés: mi dönti el, hogy egy adott anyag éppen milyen halmazállapotú?

Az állapotjelzők? 2014. 09. 10.


24/72

A rendszer fogalma • Az anyagnak megfigyelés céljából a külvilágtól elkülönített része; – Egynemű (homogén) vagy egyfázisú a rendszer, ha egy adott halmazállapotú fázis található meg benne; – Különnemű (heterogén) a rendszer, ha két vagy több önálló határoló felülettel elválasztható részekből, úgynevezett fázisokból áll.

2014. 09. 10.


25/72

A fázis fogalma • A rendszer homogén, kémiailag azonos tulajdonságokat mutató, önálló határoló felülettel elkülöníthető részét fázisnak nevezzük. – Jele: „F”

2014. 09. 10.


26/72

A komponens fogalma • Komponensnek nevezzük a rendszert felépítő azonos atom fajtájú (kémiai azonosságú) anyagokat. – Jele: „K”

2014. 09. 10.


27/72

A rendszer állapotát befolyásoló tényezők • • • • •

Hőmérséklet – T [K]; Nyomás – p [MPa]; Kémiai potenciál – mB [J/mol]; Az egyes komponensek koncentrációja; A komponensek és fázisok száma.

• A szabad állapothatározók, a komponensek és fázisok száma között szigorú összefüggés van: a Gibbs féle fázisszabály! 2014. 09. 10.


28/72

A Gibbs féle fázisszabály 1/6 • Olyan anyagokra, ahol a nyomás és hőmérséklet is nagy hatással van az egyensúlyi viszonyokra, a fázisok (F) és állapotjelző szabadsági fokok száma (Sz) kettővel több, mint a komponensek (K) száma: F + Sz = K + 2 → Gibbs féle fázisszabály! • Pl.: víz-gőz rendszer 2014. 09. 10.


29/72

A Gibbs féle fázisszabály 2/6 • Olyan anyagokra, ahol a nyomás nem, de a hőmérséklet nagy hatással van az egyensúlyi viszonyokra, a fázisok és állapotjelző szabadsági fokok száma egyel több, mint a komponensek száma: F + Sz = K + 1 • Például fémekre ez jellemző, amelyek sokkal kevésbé összenyomhatóak, mint a víz-gőz rendszer. 2014. 09. 10.


30/72

A Gibbs féle fázisszabály 3/6 Fázisdiagram részei – a tiszta fázis: F + Sz = K + 2 K=1 és F=1 → 1 + Sz = 1 + 2 Szabadsági fokok száma: 2. → T és p egymástól függetlenül változtatható. Fázishatárok által határolt területeket értjük ezalatt, mivel egyetlen tiszta fázis van jelen a rendszerben. 2014. 09. 10.


31/72

A Gibbs féle fázisszabály 4/6 Fázisdiagram – a fázisátalakulás: F + Sz = K + 2 K=1 és F=2 → 2 + Sz = 1 + 2 Szabadsági fokok száma: 1. T és p közül csak az egyik változtatható függetlenül, míg a másik felveszi a fázisegyensúly által megkövetelt értéket! Ide tartoznak a fázishatárok pontjai: két fázis termodinamikai egyensúlyban van. Az egyensúly feltételei:

T  T 2014. 09. 10.

p  p  Atomerőművi anyagvizsgálatok

 KA   KA 32/72

A Gibbs féle fázisszabály 5/6 Fázisdiagram – a hármas pont: F + Sz = K + 2 K=1 és F=3 → 3 + Sz = 1 + 2 Szabadsági fokok száma: 0. T és p közül egyik sem változtatható függetlenül, csak egy adott T, p párnál létezik ez a rendszer. Ide tartozik a fázishatárok metszéspontja, ahol három fázis egyensúlyban van. A három kémiai potenciálfelület egyetlen közös pontja! Neve: hármaspont. Az egyensúly feltételei: T  T és T  T 2014. 09. 10.

p  p  és p   p Atomerőművi anyagvizsgálatok

 KA   KA és  KA   KA 33/72

A Gibbs féle fázisszabály 6/6 Fázisdiagram – a kritikus pont: F + Sz = K + 2 K=1 és F=3 → 3 + Sz = 1 + 2 Szabadsági fokok száma: 0. Nulla szabadsági fokkal bír a kritikus pont is. Az egyensúly feltételei ilyen esetben (a 3. fázis az SC fluid):

T  T

p  p 

 KA   KA

Két fázis esetén ez még mindig egy szabadsági fokot jelent. De van még egy kényszeregyenlet:  A   A 2014. 09. 10.


34/72

A 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

36/72

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.


37/72

Az anyagok szerkezete • Szabálytalan, amorf:

• Kristályos:

• Részben kristályos:

2014. 09. 10.


38/72

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.


39/72

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.


41/72

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.


43/72

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.


44/72

Az egyszerű igénybevételek Nyírás Nyomás

2014. 09. 10.


45/72

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.


46/72

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

2014. 09. 10.


47/72

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.


48/72

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.


49/72

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.


51/72

Hővezető képesség • A hő terjedése a szilárd szerkezeti anyagokban 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.


52/72

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.


54/72

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

2014. 09. 10.


55/72

A szerkezeti anyagok villamos ellenállása

2014. 09. 10.


56/72

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.


58/72

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.


60/72

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.


61/72

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.


62/72

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.


64/72

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.


65/72

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

2014. 09. 10.


66/72

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; – Jól alakíthatóak. 2014. 09. 10.


68/72

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.


69/72

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.


70/72

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.


71/72

Vége az első előadásnak! Kérdések?

Atomerőművi anyagvizsgálatok 1. előadás: Anyagismereti alapok, a gyakorlatban használt szerkezeti anyagok és tulajdonságaik

Recommend Documents