Szerkezeti anyagok tulajdonságai és tulajdonságvizsgálata. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

Szerkezeti anyagok tulajdonságai és tulajdonságvizsgálata

Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

1

Szerkezeti anyagok fizikai tulajdonságai A tervezési (anyagkiválasztási) követelményeket elégítik ki, továbbá lehetőséget adnak összehasonlításra ill. a szabványosítást is szolgálják. Színállapotban ill. nagy tisztasággal kevés anyag áll rendelkezésre, sőt legtöbb esetben többalkotós anyagok előállítására törekszünk, így fontos a szerkezet- és tulajdonság-befolyásoló összetétel ismerete is. Szintén nagy jelentőségű az anyagszerkezetből következő sűrűség is, mely meghatározza a készítendő termék tömegét és lehetőséget ad az anyagkiválasztáshoz, összehasonlításokhoz fajlagos mutatók (pl. szilárdság és sűrűség hányadosaként értelmezett fajlagos szilárdság) számítására. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

2

ÖSSZETÉTEL minőségi információ: alkotók fajtája (elem, vegyület); mennyiségi információ: alkotók koncentrációja, részaránya - tömeg- (vagy súly-) százalékban (1 % = 10-2 • 100 %) - ill. ezrelékben (1 ‰ = 10-3 • 1000 ‰), - esetenként atomszázalékban; Nagyon kis mennyiségek, koncentrációk kifejezésére a „part” = rész és a „per” szavak, valamint a szám nevéből (million, hundred million, billion) származó kifejezések is használatosak: - ppm (parts per million) = 100 % / 106 = 0,0001 %, - pphm (parts per hundred million) = 100 % / 108 = 0,000001 %, - ppb (parts per billion) = 100 % / 109 = 0,0000001 % % és ppm „keverve” Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

3

ÖSSZETÉTEL MEGHATÁROZÁS, ANYAGAZONOSÍTÁS

Szerves szerkezeti anyagok esetében molekulafajta, molekulatömeg, molekulaszerkezet meghatározására: - infravörös fény abszorpcióján alapuló spektrometria, - tömegspektrometria, - szétválasztó kromatográfia, - mágneses magrezonancia vizsgálatok. Szervetlen szerkezeti anyagok esetében: - nedves-kémiai elemzés: vegyszerekkel (pl. erős savakkal) reagáltatják az anyagmintát, minek során színreakció, csapadékképződés vagy gázfejlődés következik be. A mérni kívánt ötvözőkhöz ill. szennyezőkhöz igazodva kiválasztott marató anyag az összetevő elemeket sóoldattá alakítja, melyhez más oldott sókat vagy nátronlúgot kevernek. Az egy- vagy kétlépéses átalakulás oldhatatlan csapadékot képez, mely egyértelműen utal a kiindulási anyagokra. A tömeganalízishez a csapadékot leszűrik, megszárítják és mérik; - fizikai színképelemző (spektroszkópiai) módszerek. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

4

EGYSZERŰ ÉS GYORS ANYAGAZONOSÍTÁS • szín (fény, csillogás) alapján; • metszet- vagy töretfelületi kép alapján (makroszerkezeti zárványosság, pórusosság) alapján; • karcolhatóság, reszelőpróba (keménység) alapján; • hajlíthatóság (képlékenység) alapján; • mágnesezhetőség (ferromágnesesség) alapján; • vegyi anyagokkal szembeni viselkedés (oldhatóság) alapján. kis eszközigényű tájékozódó vizsgálatokkal: • műanyagok azonosítása lángban végzett égetési ill. kémcsőben végzett hevítési próbával; • fémek - elsősorban az acélok - azonosítása megfelelő kerületi sebességű köszörűkorongon végzett szikrapróbával. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

5

SŰRŰSÉG ÉS ROKONJELLEMZŐI

• sűrűség, mint térfogategységre vonatkoztatott tömeg: ρ=m/V [kg/m3] = f(hőmérséklet, nyomás; alkotók atomtömege, ill. rendszáma, atomsugara; kristályos vagy amorf felépítés, pórusosság, stb.); • területegységre vonatkoztatott tömeg [kg/m2] (pl. 1 m2 1 mm vastag acéllemez tömege 7,85 kg); • hosszegységre vonatkoztatott tömeg [kg/m] (pl. 1 méter ∅35 mm-es rúdacél tömege 7,55 kg); • fajtérfogat a sűrűség reciproka: v=1/ρ=V/m [m3/kg]; • fajsúly a ρ sűrűség és a g gravitációs gyorsulás szorzata, vagy a G súly és a V térfogat hányadosa: γ=ρ·g=G/V [N/m3]; • relatív sűrűség tömör anyagok esetében: az adott anyag és a víz (ρ=1000 kg/m3) sűrűségének hányadosa; • relatív sűrűség habosított anyagok esetében: a szilárd hab sűrűségének és azon tömör szilárd anyag sűrűségének hányadosa, amelyből a hab készült; • százalékosan kifejezett vízfelvevő képesség (vízabszorpció) a tömör és a habosított polimerek jellemzője. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

6

Sűrűség meghatározása

Analitikai mérleggel pontosan megmért tömegű szilárd anyagot hidrosztatikai mérlegen ismert sűrűségű (ρf) folyadékba merítve, a térfogata felhajtóerőből (Ff = V⋅g⋅ρf) kiszámítható: V=

Ff m ⋅ g−m x ⋅ g m⋅g⋅ρ f m m = → ρ= = = ρf g⋅ρ f g⋅ρ f V m ⋅ g−m x ⋅ g m−m x

A Jolly-féle rugós mérlegen a vizsgálandó anyagdarabot a felső serpenyőre helyezve, leolvasható a test m⋅g súlyával arányos h megnyúlás. Ezután a testet áttéve a mindig ugyanaddig a jelig ismert ρf sűrűségű folyadékba merülő alsó serpenyőbe, mérhető az mx⋅g látszólagos súllyal arányos hx megnyúlás, amivel: ρ =

h ⋅ρ f h− h x


7

MECHANIKAI TULAJDONSÁGOK

Az anyagok rugalmas viselkedésének leírásához ill. a merevségre (megengedett rugalmas alakváltozásra) történő méretezéshez felhasználható: • a húzó, nyomó ill. hajlító igénybevételkor ébredő σ normál feszültséghez és ε fajlagos méretváltozáshoz kötődő E rugalmassági (Young-) modulus (σ = E⋅ε), a feszültség alakváltozás görbe lineárisan rugalmas szakaszának meredeksége; • a nyíró és csavaró igénybevételkor ébredő τ csúsztató feszültséggel ill. γ fajlagos szögtorzulással kapcsolatos G csúsztató rugalmassági modulus (τ = G⋅γ); • a minden oldalról egyenletesen ható p hidrosztatikus nyomással és k fajlagos térfogatváltozással kifejezett K kompressziós modulus (p = K⋅k); • az ε2 keresztirányú (laterális) és az ε1 hosszirányú (axiális) alakváltozások negatív arányaként, egytengelyű axiális terhelésre felírható ν Poisson-tényező: ν = ε2/ε1. Izotróp anyagokra az E = 2G(ν+1) ill. az E = 3K(1-2ν) összefüggés írja le a fenti adatok kapcsolatát. Fémek, kerámiák, üvegek és üvegszerű polimerek többségére: ν ≈ 1/3, G ≈ 3/8 ⋅ E, K ≈ E, míg gumiszerű polimerekre ν ≤ 1/2, G ≈ 1/3 ⋅ E, K ≈ 10 ⋅ E. Anyagszerkezeti szempontból a rugalmassági modulus a szilárd anyag egymástól "a" távolságra (pl. rácsparaméternyire) lévő atomos alkotórészei között fennálló kötéserősséget ill. kötéssűrűséget jellemző D "rugóállandóval" hozható kapcsolatba: E ~ D/a (pl. gyémántra D=200 N/m, kovalens kötésű anyagokra D=20…200 N/m, ionos és fémes kötésű anyagokra D=15…100 N/m, hidrogén és Van der Waals kötésű anyagokra: D=0,5…2 N/m). Elméleti felső határként a C-C kovalens gyémánt-kötés esetére E=106 N/mm2 érték adódik. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

8

Szilárdság az anyagok mechanikai igénybevételekkel szembeni ellenállásának célszerűen definiált mértéke, ami a szilárdságra (képlékeny alakváltozás határához tartozó megengedett feszültségre) történő méretezéskor vehető számításba: • Fémek esetében az egytengelyű axiális húzóterheléssel felvett feszültség-alakváltozás görbéből, többnyire a lineárisan rugalmas vonaltól 0,2% maradó alakváltozásnyira kijelölhető feszültség, ami húzásra és nyomásra közel megegyezik. Ennél a feszültségnél viszonylag nagy távolságra mozdulnak el a diszlokációk a fémkrisztallitokon belül. • Polimerek esetében az a mechanikai feszültség, amelynél a feszültség-alakváltozás görbe határozottan nemlineárissá válik. Ez tipikusan az 1% alakváltozáshoz rendelhető. Itt „nyírófolyás”, azaz molekulaláncok irreverzibilis csúszása vagy „hajszálrepedezés”, azaz repedésvonalak kiterjedése és szétszóródása (fehéredéssel kísérve) következik be. Polimerek nyomásra kb. 20 %-kal erősebbek, mint húzásra. Az elasztomerekre „tépőszilárdság” értelmezhető. • Finomkerámiák és üvegek esetében a szilárdság erősen függ a terhelés módjától. Ridegségük miatt húzásra egyfajta „törőszilárdság”, nyomásra pedig „zúzószilárdság” határozható meg. Ez utóbbi kb. 12…15-ször nagyobb az előzőnél. • Kompozitok esetében a (szakító)szilárdság legjobban a lineárisan rugalmas viselkedéstől való eltérés révén definiálható, kb. 0,5%-os alakváltozási mértéknél. Azok a kompozitok, melyek szálakat tartalmaznak, mintegy 30 %-kal gyengébbek nyomásra, mint húzásra, mert a szálak kihajlanak ill. megtörnek. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

9

Duktilitás; Keménység

•A duktilitás (képlékenység) az anyagvizsgálati próbatestek eredeti állapotra vonatkoztatott maradó hosszváltozásával és/vagy keresztmetszet-változásával jellemezhető. •A keménység szilárd anyagok jellemzője és egyfajta "eredő" tulajdonság, vagyis az anyag adott állapotát eredményező technológiai műveletek eredményessége is minősíthető vele, ill. arányos a rugalmassággal, a szilárdsággal, a kopásállósággal, fordítottan arányos a képlékenységgel, a szívóssággal, a csillapító-képességgel. A keménység azzal az ellenállással jellemezhető, amit a szilárd anyagok kifejtenek a beléjük hatoló, ill. velük kölcsönhatásba kerülő keményebb vizsgálószerszámmal szemben. Ez a megfogalmazás utal a keménységmérés lehetőségeire, de a keménység konkrét definícióját nem adja meg, ugyanis annyiféle keménység definiálható, ahányféle vizsgálati módszer létezik. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

10

A szakítóvizsgálatot adott anyagból kimunkált, annak külső makrogeometriájához vagy megmunkáló technológiájához igazodó alakú, szakítógépbe történő befoghatóságot biztosító fejkiképzésű próbatesteken végzik


11

Szakítópróbatestek kialakítása

hengeres próbatestek

szorítóékes befogás

lapos peremes ill. próbatestek menetes befogófej Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

műanyag próbatest alakváltozása

12

Szakítóvizsgálat


13

próbatest vizsgálat előtt

vizsgálati beállítások

szakítógép és tartozékai

nyúlásmérő egység számítógépi adatrögzítéshez

próbatest vizsgálat után mechanikus diagramíró


próbatest alakváltozása

14

Számítógépi mérésvezérlés és adatgyűjtés

Beállítási paraméterek Adatok és számítások Diagram-regisztrálás Üzemmód-választás


15

Szakítóvizsgálat kiértékelése egy példán keresztül

d0=10 mm; L0=10·d0=100 mm; S0=d02·π/4=78,54 mm2

du=5,35 mm; Lu=128,5 mm; Su=du2·π/4=22,48 mm2

(kifejezett) folyáshatár:

ReH = szakítószilárdság:

FeH N = 331 = 331 MPa 2 mm S0

Fm N = 433 = 433 MPa 2 S0 mm fajlagos (szakadási) nyúlás: Rm =

A 10 =

Erőlépték: 1 mm ≡ 500 N FeH = 26000N Fm = 34000N Fu = 22000 N

L u −L 0 ∆L u ⋅100% = ⋅ 100% = 28,5% L0 L0

fajlagos keresztmetszet-csökkenés vagy kontrakció: 2 2

Z=

d −d S 0 − Su ⋅ 100% = 0 2 u ⋅ 100% = 71,4% S0 d0


16

egyezményes folyáshatár: folyási jelenséggel (kifejezett folyáshatárral) nem rendelkező anyagok esetében a 0,2 % maradó (plasztikus) alakváltozáshoz tartozó erőből számítható feszültség:

Fp0,2  N  Rp0,2 = S  mm 2  0


17

Keménységmérő módszerek • szúró (statikus) keménységmérés: a vizsgálandó anyagnál jóval keményebb, ún. szúrószerszámot nyomnak alkalmasan megválasztott terhelőerővel az anyagba, és a létrejövő lenyomat területéből, vagy a benyomódás mélységéből származtatják a keménységi értéket; • ejtő (dinamikus) keménységmérés: a vizsgálandó anyagra ejtett mérőtest visszapattanási magasságából határozható meg a rugalmas ütközés elnyelt energiájával összefüggő keménységi mérőszám; • rezgő keménységmérés: a vizsgálandó anyagra szorított rezgőfej rezgésben tartásához szükséges energia méréséből fejezhető ki az anyag rezgéscsillapító-képességével (rugalmatlanságának mértékével) összefüggő keménységadat. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

18

Brinell-keménységmérés egy edzett, polírozott acélgolyót nyomnak meghatározott ideig a vizsgálandó anyagfelületbe, és a keménységet (Hardness) a terhelés és a létrejött gömbsüveg lenyomat felületének hányadosa adja: HB =

F = D⋅ π ⋅h

F 2 2  D  d  D D⋅ π ⋅ −   −    2  2   2  

=

2 ⋅F D ⋅ π ⋅ (D − D 2 − d 2 )

ahol F a terhelőerő, D a golyóátmérő, h a benyomódás mélysége, d a lenyomat átmérője a keménységmérőgép mikroszkópjával mérve. A keménységet nem kell számítani, mert az a géphez mellékelt táblázatokból kiolvasható F, D és d függvényében. Hagyományos és köztudatba "berögzült" kp/mm2 mértékegységű keménység-értékeket az SI bevezetésével nem szorozták meg "g"-vel, hanem azokat mértékegység nélküli számként kell kezelni (pl. HB 350) Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

19

Vickers-keménységmérés Vickers-módszernél a szúrószerszám 136°-os csúcsszögű négyzet alapú gyémántgúla, mellyel a létrehozott lenyomat felülete már arányosnak tekinthető a terhelés nagyságával, tehát az szabadon megválasztható. Lehetőség van mikroszkópon egyes fázisok ún. mikrokeménységének mérésére grammos terhelésekkel, vékony rétegek, ill. munkadarabok helyi keménységének meghatározására 1 kg-nál kisebb terhelésekkel, az általában szokásos 10 és 30 kg értékű (ill. ezeknél nagyobb) terheléssel végzett normál keménységmérés mellett. Mivel a gyémánt a legkeményebb ismert anyag, így univerzálisan minden anyag keménysége mérhető vele. A keménység definíciója:

HV =

F = S

F d2

, = 1854 ⋅

F d2

2 ⋅ sin 68 o ahol F a terhelőerő, S a lenyomat felülete, d = (d1 + d2)/2 a lenyomat-átlók számtani közepe. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

20

Rockwell-keménységmérés HRB keménység 1/16" átmérőjű, 850 HVnál nagyobb keménységű acélgolyóval mérhető, 10 kg elő- és 90 kg főterhelés mellett. A 0,002 mm-es egységekben mért főterhelés hatására létrejött – maradó benyomódás (e) alapján a keménység:

HRB=130−

e ; 0,002

HRC keménység 120°-os csúcsszögű gyémántkúppal mérhető, 10 kg elő- és 140 kg főterhelés mellett. A 0,002 mm-es egységekben mért - főterhelés hatására létrejött – maradó benyomódás (e) alapján a keménység:

HRC = 100 −

e 0,002

Sem a HRB, sem a HRC keménységmérésnél nincs szükség számolásra, a készülékbe épített mérőóraszerű műszer a műveletet "automatikusan" elvégzi. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

21

Termikus tulajdonságok Olvadási hőmérséklet (olvadáspont) ill. ötvözetek és nem homogén anyagok olvadási hőmérséklet-tartománya vagy nemkristályos anyagok üvegesedési-lágyulási hőmérséklete (Tolv) befolyásolja előállításuk módját (olvasztás vagy szinterelés), meghatározza megengedhető alkalmazási határhőmérsékletüket: • Tmax ≤ Tolv/1,5 polimerekre /terheléstől erősen függően/, • Tmax ≤ Tolv/2 kerámiákra, • Tmax ≤ Tolv/3 fémekre). Ez utóbbit a rekrisztallizációs (kilágyulást okozó) ill. a kúszási (hődeformációt okozó) folyamatokat aktiváló hőmérséklet, valamint az oxidációs (égési) hőmérséklet (kémiai elváltozások veszélye) korlátozza. Hőkezelt anyagoknál ez a határérték az utolsó hőkezelési művelet hőntartási hőmérsékletéből: • Tmax ≤ Thők-(10…40 K). Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

22

Hőtágulási együttható

Hőtágulás: L0 jellemző hosszúságú (vagy d0 átmérőjű), ill. V0 térfogatú anyagok ∆T hőmérséklet-változás okozta ∆L (∆d) lineáris (egyirányú), vagy ∆V térfogati tágulása, méretnövekedése (csökkenő hőmérséklet esetén zsugorodása, méretcsökkenése): ∆L = α ⋅ L0 ⋅ ∆T ( ∆d = α ⋅ d0 ⋅ ∆T) ill. ∆V = β ⋅ V0 ⋅ ∆T ≈ 3 ⋅ α ⋅ V0 ⋅ ∆T ahol α és a β a lineáris, ill. a térfogati hőtágulási együtthatók, amelyek anyagjellemzők és nagy jelentőséggel bírnak a szerkezeti anyagokból készült, hőmérsékletingadozásnak kitett termékek méreteinek, illesztési mérettűréseinek, termikus belső feszültségei nagyságának tervezésében, ill. megítélésében, továbbá a kompozitok komponenseinek problémamentes együttdolgozásában (pl. az acél és a beton adata közel azonos, így a belőlük készült vasbeton kompozitban nem lép fel a komponensek jelentősen eltérő hőtágulása miatti károsodás). Mivel a hőtágulási együtthatók számértéke kicsi, ezért szokás a 106szorosukat is megadni. Kristályos anyagok esetében a teljes termikus térfogat-növekedés az abszolút nulla foktól az olvadási hőmérsékletig kb. 6-7%, a lineáris hőtágulás (megnyúlás) mintegy 2%. A hőtágulás oka az anyagok atomos alkotórészeinek emelkedő hőmérséklettel növekvő rezgésamplitúdója. Nagyobb kötési energiájú (ill. olvadáspontú) anyagok kisebb rezgési amplitúdója kisebb hőtágulási együtthatókat eredményez. Dr. Bagyinszki Gyula: 23 ANYAGISMERET

Hőtágulás mérés Szilárd anyagok lineáris hőtágulási együtthatójának meghatározásakor a hosszához (L0) képest kis átmérőjű anyagrudat különböző hőmérsékletű folyadékfürdőkbe helyezünk és nagy pontossággal mérjük a hosszváltozást (∆L), ill. a folyadék és környezete hőmérséklet-különbségét (∆T). Ezekkel ∆L 1 ∆L  1 1 α= = ⋅ = L 0 ⋅ ∆T L 0 ∆T  o C K  Hőtágulás mérésen alapulnak a dilatométeres vizsgálatok is, melyekkel meghatározhatók pl. az acélok fázisátalakulásaival járó méretváltozások ill. az ausztenit-átalakulási diagramok is. A vizsgálati anyagmintát speciális kemencében felhevítve (majd azt követően lehűtve), termoelem, elmozdulásérzékelő (nyúlásmérő) és időmérő segítségével regisztrálható a hőmérséklet-hőtágulás, valamint a hőmérséklet-idő diagram. A hőmérséklet-hőtágulás diagram nemlineáris szakaszainak végpontjai jelentik az egyes átalakulások kezdetét, ill. befejeződését. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

24

Hővezetési tényező

Hőterjedés szilárd anyagokban hővezetéssel történik, azaz ∆t idő alatt, „A” felületen, (T2-T1)/s hőmérséklet-gradiens esetén terjedő ∆Q hőmennyiségre – állandósult (stacionárius) állapotban, mikor a hőmérsékletprofil nem változik az idővel – felírható: T − T1 ∆Q = − λ ⋅ A ⋅ 2 ⋅ ∆t s ahol λ [W/mK] az anyag szerkezetétől függő hővezetési tényező, T1 és T2 az "s" vastagságú és „A” felületű anyagréteg két oldalán mérhető hőmérséklet. A negatív előjel kifejezi, hogy a hő a nagyobb hőmérsékletű hely felől a kisebb hőmérsékletű hely felé áramlik. A rácsszerkezetek zavarai, a rácshibák (beleértve az ötvöző és szennyező atomokat is) csökkentik az elektronok mozgékonyságát, így λ értékét is, ezért a színfémek jobb hővezetők, mint az ötvözetek. Fémek hővezetőképessége a szabad elektronok mozgásából és az atomok rácsrezgéséből tevődik össze: λ=λe+λa, ami hőmérsékletfüggő. A hővezetési tényező (hővezetőképesség) reciprokát vagy ezen reciprok anyagréteg-vastagsággal való szorzatát termikus ellenállásnak nevezik. A nemfémes szerkezeti anyagok és különösen a pórusos anyagok hővezetési tényezője viszonylag kicsi, ugyanis – szemben a fémekkel – ezekben nem az elektronvezetés, hanem a rácsrezgésekből adódó fononvezetés érvényesül, így ezeket hőszigetelőkként használják. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

25

Hővezetési tényező meghatározása Ha egy állandó "A" keresztmetszetű, "s" hosszúságú (pl. hőszigetelő műgyantával körülöntött, majd 0 °C-ra lehűtött) egyenes anyagrúd egyik szabad véglapját elektromos úton melegítjük, akkor a másik véglapon regisztrálható a hőmérsékletváltozás az idő függvényében, azaz mérhető a T1 és T2 hőmérsékletek közötti felmelegedés időszükséglete (∆t). A ∆t idő alatt bevitt elektromos energia (Q [kWh]) és a hőátadási hatásfok (η) ismeretében a hővezetési tényező: λ = η⋅

Q⋅s A ⋅ ( T 2 − T1) ⋅ ∆t


 W   W   m⋅° C  =  m ⋅ K     

26

Fajhő, hőmérséklet-vezetési tényező Ha valamely szilárd anyagdarabbal ∆Q hőmennyiséget közlünk, akkor hőmérséklete ∆T értékkel megnő. E két érték aránya a hőkapacitás: C = ∆Q/∆T [J/K]. Ha a hőkapacitást az anyagi test tömegegységére vonatkoztatjuk, a fajhőt kapjuk: c [J/kg⋅K]. A hőmérséklet-vezetési (hődiffúziós) tényező a hővezetési tényező és a hőtartalom (sűrűség ⋅ fajhő) hányadosa: a = λ/(ρ⋅c) [m2/s]. Ez utóbbi hőfizikai jellemző pl. technológiai (hőkezelési, hegesztési) hőfolyamatok számításánál, tervezésénél játszik fontos szerepet, ahol a hőterjedés tranziens (időben nem állandósult) állapotban történik: Hővezetés Fourier-féle differenciálegyenlete:

∂ 2 T ∂ 2 T ∂ 2 T 1 ∂T + 2 + 2 = ⋅ 2 ∂x ∂y ∂z a ∂t Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

27

Fajhő meghatározása a lemért m tömegű anyagdarabot a kaloriméter vizének T1 hőmérsékleténél nagyobb T2 hőmérsékletre melegítjük, majd a kaloriméter vizébe dobjuk és a beálló Tk közös hőmérsékletet megmérjük. A vizsgált anyag leadott c⋅m⋅(T2-Tk) ill. a kaloriméter felvett cvíz⋅(mvíz+µ)⋅(Tk-T1) hőmennyisége egyenlőségéből c kifejezhető. cvíz=4186 J/kg⋅K, µ [kg] a kaloriméter ún. víz(egyen)értéke Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

28

Elektromos tulajdonságok Gyakorlati szempontból legnagyobb jelentősége a fajlagos elektromos vezetőképességnek (σ [(Ωm)-1]), ill. a reciprokának, a fajlagos ellenállásnak (ρ [Ωm]) van. A Wiedmann-Franz törvény értelmében az elektromos vezetőképesség (σ) és a hővezető képesség (λ) kapcsolatba hozható egymással, hiszen a jó vezetőnek minősülő fémekben mindkettőt a szabad elektronok eredményezik: λ 1 N ⋅ e2 ⋅ t ü σ= = = ρ L⋅T me ahol L ≈ 2,44⋅10-8 W⋅Ω/K2, T az abszolút hőmérséklet. A fajlagos elektromos vezetőképesség ill. ellenállás értéke az anyag térfogategységében lévő "mozgóképes" „e” töltésű elektronok N számával (pl. rézben 8,5⋅1022/cm3, gyengén szennyezett szilíciumban 1016/cm3, gyémántban néhány/km3), me effektív tömegével és tü átlagos (atomokkal, rácshibákkal történő) ütközési idejével van összefüggésben. Az elektromos vezetőképességet - a hővezető képességhez hasonlóan az ötvözés és a szennyezés ill. az egyéb kristályhibák (beleértve az azokat generáló hatásokat, pl. képlékeny hidegalakítás) rontják Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

29

Elektromos ellenállás

Ha egy A keresztmetszetű szilárd anyag L távolságú két pontja között U elektromos feszültséget létesítünk, I elektromos áram (töltésáramlás) indul meg, amit Ohm-törvénye értelmében az anyag hőmérséklettől függő R ellenállása határoz meg: U U L I= ⇒ = R = ρ ⋅ = R0 (1 + αR ⋅ T ) = R0 (1 + [α ρ − α] ⋅ T ) R I A ahol αR az ellenállás, míg αρ a fajlagos ellenállás 10-3 nagyságrendű hőmérsékleti együtthatója (temperaturakoefficiens), ill. α a 10-6 nagyságrendű lineáris hőtágulási együttható. Az elektromos árammal együtt ∆t idő alatt hőáram is mindig kialakul, ami Joule-hőként (Q = I2⋅R⋅∆t) melegedést okoz. Váltakozó árammal átjárt vezetőkben a szkin-jelenség („bőrhatás”) érvényesül: a vezető felületén az áramsűrűség megnő. Ez a hatás frekvenciafüggő és nagyobb frekvenciákon egyre jobban érvényesül, ezért a MHz, GHz tartományban való alkalmazásokhoz a felületet igen jó vezetőképességű anyaggal (pl. Ag, Au) vonják be. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

30

Vezetők, félvezetők, szigetelők A fajlagos ellenállás nagyságrendjei szerint az anyagokat három nagy csoportba sorolhatjuk: • szabad töltéshordozókat tartalmazó vezetők: ρ ≈ 10-7...100 Ωm (pl. fémek: Ag, Au, Cu, Al, …, grafit), mely függ az anyag kémiai összetételétől (szennyezéssel, ötvözéssel nő) és a hőmérséklettől, azzal szintén növekszik; • elmozdulni képes elektron-lyuk párokat tartalmazó félvezetők: ρ ≈ 100...107 Ωm (pl. Si, Ge, As, Se, Te, P, S). A tiszta szerkezeti (intrinsic) félvezetők ellenállása csökken a hőmérséklet növekedésével, míg a szennyezett, adalékolt (extrinsic) félvezetőké a hőmérséklettől gyakorlatilag független; • szabad töltéshordozókat nem, de elektromosan polarizált dipólusokat tartalmazó szigetelők: ρ ≈ 107...1016 Ωm (pl. kerámiák, gyémánt), ami jelzi, hogy tökéletes szigetelő nincs, elegendően nagy feszültség esetén mindig mérhető csekély áramerősség. A kerámiák fajlagos ellenállása a hőmérséklet növekedésével csökken. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

31

Fémek fajlagos ellenállásának hőmérséklettől és összetételtől való függése


32

Szupravezetők fajlagos ellenállásuk egy

Tl(CaBa)Cu3O7-ból 125 K alatt szupravezető állapotú huzalokat lehet gyártani. Ilyen HTS- (High Temperature Superconductor) huzalokból készített kábelben a huzalok egy rugalmas cső köré vannak "szőve", melyben folyékony nitrogén áramlik a szükséges hőmérséklet biztosítása céljából. Kívülről elektromos és termikus szigeteléssel, valamint elektromos árnyékolással ellátott kábelekben az áramsűrűség százszoros lehet a hagyományos rézkábelekhez képest (sikerült már 16000 A áramerősség átvitele is), sőt villanymotorok is készíthetők HTS-tekercseléssel. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

jellegzetes kritikus hőmérsékleten (Tc) gyakorlatilag nem mérhető kis értékre csökken. KammerlingOnnes holland fizikus 1908-ban fedezte fel a szupravezetés jelenségét: 4,15 K-nél a higany ellenállása hirtelen zérusra csökkent. Azóta sokféle anyagnál határozták meg a szupravezetőátmenetre jellemző kritikus hőmérsékletet. Szupravezető lehet pl. a tiszta anyagok közül a Nb, Pb, V, Sn, In, a vegyületek közül a Nb3(Al0,8Ge0,2), Nb3Sn, Nb3Al, V3Si, V3Ga. A szupravezetők nagy része normál körülmények között rossz vezetőnek (ellenállás-anyagnak) minősül. A szupravezetés Nobel-díjjal elismert magyarázatát (BCSelmélet) 1957-ben John Bardeen, Leon Cooper és Robert Schrieffer adták meg. 33

Szigetelőanyagok jellemzői

Elektromosan szigetelő szerves vagy szervetlen anyagoknál (dielektrikumoknál) fontos jellemző az ún. átütési (elektromos) szilárdság, vagyis az a kritikus elektromos térerősség, aminél az anyag szigetelőképessége lokálisan nagymértékben leromlik és az átvezetett áram hatására rendszerint maradó károsodással tönkre is megy (szigetelési funkcióját nem képes ellátni). A szigetelőképesség lokális leromlása az anyag belsejében – átütési csatorna kialakulása révén – jön létre, de bekövetkezhet a felületen is átívelés formájában. Ha egy szigetelőanyag a kondenzátor fegyverzetei közötti teret teljesen kitölti, akkor a kondenzátor kapacitása (C) ε-szor nagyobb, mint "üresen" (C0). A szigetelőanyagra jellemző ε [As/Vm] érték az ún. dielektromos állandó vagy permittivitás: ε = ε0⋅εr = ε0⋅(1+κ), ahol ε0 = 1/(4π⋅9⋅109) [As/Vm = F/m] a vákuum dielektromos állandója, εr ≈ 2…8 a szigetelő relatív dielektromos állandója, κ a szigetelő elektromos szuszceptibilitása. Vezetékek szigetelésére, ill. kondenzátorok dielektrikumainak készítésére nagy átütési szilárdságú anyag szükséges. A váltakozó elektromos térben lévő szigetelő a tér energiájának egy részét elnyeli és hővé alakítja. Ez az energiaveszteség a szigetelő anyagi minősége által meghatározott permittivitásnak és veszteségi tényezőnek (tgδ) a függvénye. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

34

Elektromos tulajdonságok meghatározása A fajlagos ellenállást a vizsgálati anyagból készített (rendszerint körkeresztmetszetű), d átmérőjű, L hosszúságú mintán létrejövő feszültségesésből (∆U), ill. átfolyó áramerősségből (I) számíthatjuk ki: d2 ⋅ π ∆U ⋅ 4 ρ= I⋅L

[Ωm]

Az átütési szilárdság vagy kritikus elektromos térerősség (Ekr) meghatározott alakú és távolságú (d) elektródák közé helyezett anyagban az az egységnyi elektróda távolságra vonatkoztatott – szinuszosan váltakozó effektív értékű – kritikus feszültség (Ukr), amelynél az átütés bekövetkezett: Ekr = Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

Ukr  kV  d  m 

35

Elektromos tulajdonságok vizsgálata

• A relatív dielektromos állandó meghatározása kapacitásmérésre vezethető vissza, azaz vizsgálják, hogy a kérdéses anyaggal kitöltött kondenzátor kapacitása hányszor nagyobb, mint az „üres” kondenzátoré:

C εr = C0 • A veszteségi tényező a vizsgálandó anyaggal teljesen kitöltött elektródok között, váltakozó (1 kHz, 1 MHz) feszültség (<1 kV) hatására fellépő teljesítményveszteségnek és a felvett meddő teljesítménynek a hányadosa. Mind a permittivitás, mind a veszteségi tényező értéke függ a frekvenciától és a hőmérséklettől. • A szupravezetés kísérleti bizonyításához az áramjárta anyagminta két vége között fellépő feszültséget vizsgálják az anyag hűtése közben. A kritikus hőmérsékletet elérve a potenciálkülönbség hirtelen zérussá válik. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

36

Aktív dielektrikumok további jellemzői: • piezoelektromosság: rugalmas deformáció hatására polarizációs töltések (elektromos feszültség) megjelenése; • elektrostrikció: piezoelektromosság inverze, vagyis elektromos tér (feszültség) hatására rugalmas deformáció; • piroelektromosság: hőmérséklet-különbség hatására ellentétes előjelű polarizációs töltések megjelenése; • elektrokalorikus effektus: piroelektromosság inverze, vagyis elektromos tér hatására hőmérséklet-változás; • ferroelektromosság: külső elektromos tér hatására dipólusok rendeződése és elektromos hiszterézis. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

37

Mágneses tulajdonságok Külső eredetű H mágneses térerősség hatására az anyagokban, pontosabban felépítő részecskéikben (molekulákban, atomokban, ionokban) egyfajta mágneses polarizáció megy végbe, mágneses (dipulós)momentumuk, mágneses nyomatékuk lesz. Makroszkopikusan a térfogategység dipólusmomentuma az M mágnesezettség, amellyel az anyag belsejében megnövekszik a B [Vs/m2 = T = Tesla] mágneses indukció (mágneses erővonalsűrűség) a vákuumhoz képest. Az M mágnesezettség az anyag járuléka a mágneses térhez, azaz anyagmentes állapot esetén M értéke mindig zérus. Felírható, hogy a mágneses indukció az azt létrehozó mágneses térerősségtől és anyagi jellemzőktől függ: B = µ0 H + M = µ0 H + µ0⋅χ H =µ0(1+χ) H = µ0⋅µr H = µ H ahol µ0 = 4π⋅10-7 [Vs/(Am) = H/m] a vákuum mágneses permeabilitása; χ az anyag mágneses szuszceptibilitása (mágnesezhetőségre való érzékenysége), az anyagszerkezettel leginkább összefüggő mágneses jellemző; µr az anyag relatív mágneses permeabilitása, ami megadja, hogy az anyag mágneses vezetőképessége hányszor nagyobb a levegőénél; µ az anyag abszolút mágneses permeabilitása (mágnesezhetősége, mágneses erővonalakkal való átjárhatósága, azaz hányszor nagyobb B-t tud létrehozni H az anyagban a vákuumhoz képest), illetve a mágnesezési görbe meredeksége (kezdeti iránytangense). Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

38

Mágneses permeabilitás (µ)


39

Inhomogén mágneses térben tapasztalt viselkedésük alapján az anyagok három fő csoportja • diamágneses anyagok (pl. Au, Si, P, S, Cu, Zn, Ge, Hg, gyémánt, szerves vegyületek), melyekre χ = -10-7…-10-5 < 0 ill. χ < 1 és µr < 1, azaz a mágnesezettség a külső térrel ellenkező irányú, vagyis a mágnesező tér hatását gyengítik; • paramágneses anyagok (pl. Al, Bi, Pb, Pt, Mg, Ti, Cr, Mn, Mo, W), melyekre χ = 10-5…10-1 > 0 ill. χ< 1 és µr > 1 (µr < 2), azaz a mágnesezettség a külső térrel megegyező irányú, vagyis a belső terük erősíti a külső teret; • ferromágneses anyagok (pl. Fe, Ni, Co, Gd, Dy), melyekre χ = f(H) = 10…106 >> 0 és µr ≥ 103 nagyságrendű, a mágnesezettség a külső térrel megegyező értelmű és belső terük jelentősen erősíti a külső teret. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

40

Ferromágneses anyagok jellemzői

hiszterézishurok

mágneses hiszterézis; mágneses keménység


magnetostrikció; ultrahang gerjesztés

41

Mágneses tulajdonságok vizsgálata Az anyagokból készített kisméretű rudakat torziós szálon elektromágnes kúposan kiképzett pólusai közé lógatva, lehetőség van az anyag mágneses besorolására: • a diamágneses anyagok az erővonalakra (pólustengelyre) merőlegesen állnak be, • a paramágneses anyagok az erővonalakkal párhuzamosan állnak be, • a ferromágneses anyagok szintén az erővonalakkal párhuzamosan állnak be, de a paramágneses anyagokhoz képest sokkal intenzívebben. A mágneses szuszceptibilitás hőmérséklet-függésének méréséből megállapítható: • a diamágneses anyagok mágneses szuszceptibilitása nem függ a hőmérséklettől. • a paramágneses anyagok részecskéi a külső mágneses tér irányába rendeződnek, majd a hőmérséklet (T) emelkedésével ez a rendezettség csökken: χ = C / T, ahol C anyagi minőségtől függő ún. Curie-állandó; • a ferro- és ferrimágneses anyagoknál a mágneses szuszceptibilitás az ún. Curie-hőmérsékletig (TC) rendkívül nagy, majd ezen hőmérséklet felett a paramágneses anyagokhoz hasonlóan csökken. A paramágneses tartományban χ = C / (T-TC). TC értéke vasra 768°C, kobaltra 1130°C, nikkelre 360°C; • az antiferromágneses anyagok χ-T görbéje két szakaszra osztható: a Néel-hőmérsékletig (TN) tartó szakasz az antiferromágneses tartomány, felette pedig paramágneses hatás χ ≈ C / (T-TN) érvényesül.

Mintára ható erőméréssel lehetőség van a gyengén mágneses dia- és paramágneses anyagok szuszceptibilitásának Dr. Bagyinszki Gyula: meghatározására. ANYAGISMERET

42

Optikai tulajdonságok

A szerkezeti anyagok hullámtermészetű, elektromos (E) és mágneses (M) komponensekből álló elektromágneses rezgésekkel, ill. azokon belül optikai (látható) fénysugárzással való kölcsönhatása optikai jellemzőiktől függ: • Valamely anyag optikailag átlátszó (pl. amorf üveg), ha belsejében gyakorlatilag alig jön létre fotonelnyelődés, azaz képes átengedni a fényt viszonylag kis elnyelés és reflexió mellett. Elektromosan szigetelő anyagok átláthatóvá tehetők, néhány félvezető anyag lehet átlátszó, míg a többi anyag átlátszatlan. • Az optikailag áttetsző (transzlucens) anyagokon a fény diffúz módon hatol át vagy belsejükben erősen szóródik, így a tárgyak ezeken (pl. részben kristályos műanyag) keresztül nézve nem különböztethetők meg élesen egymástól. • Ha a fénysugárzás bizonyos hullámhosszai elnyelődnek (szelektív abszorpció), akkor az anyag színesen jelenik meg. A színes szervetlen üvegek látható színe az átmenő fénynyaláb hullámhosszainak kombinációjától függ. • Az optikailag átlátszatlan anyagokon a fénysugárzás csak abszorbeálódik vagy reflektálódik. Az elnyelt (abszorbeált) energia pl. hővé, elektromos vagy kémiai energiává alakul, vagyis az anyag a fényáram egy részét visszatartja. A fémekre eső fénysugárzás elektronokat hoz gerjesztett állapotba, melyek eredeti energiaszintjükre visszatérve kibocsátják (emittálják) az elnyelt energiát, azaz a fémek nagyrészt visszaverik a rájuk eső fénysugárzást. A fémek nem „átlátszóak” a rádióhullámok, az infravörös és az ultraibolya sugárzások számára sem, de az igen nagy frekvenciájú röntgen- és gammasugárzások számára igen. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

43

Elektromágneses sugárzás és spektruma


44

Anyagok optikai jellemzői 1.

A szerkezeti anyagokra eső λ hullámhosszúságú (vagy színképes sugárzáseloszlású) fénysugárzás intenzitása (I0) megegyezik az anyag által áteresztett- (transzmittált- It), elnyelt- (abszorbeált- Ia) és visszavert (reflektált- Ir) sugárintenzitás összegével:I = I + I + I . 0 t a r Átrendezve: 1 =

It Ia Ir + + , I0 I0 I0

melyből adódnak az anyagok fontos optikai mutatószámai: • a fényáteresztési (transzmissziós) tényező: τ(λ) = It/I0, • a fényelnyelési (abszorpciós) tényező: α(λ) = Ia/I0, • a fényvisszaverési (reflexiós) tényező: ρ(λ) = Ir/I0. Az optikai jellemzők mindegyike függ a fény hullámhosszától. A fémek hullámhosszfüggő visszaverődési tényezői közül a nagyobbakat tükrök készítésénél használjuk ki. Amennyiben valamely mutató (főként az elnyelési és visszaverődési tényező) nem kielégítő, úgy lehetőség van azok módosítására különböző bevonatok alkalmazásával. Pl. lézeres anyagtechnológiáknál (vágás, hegesztés, ...) abszorpció-növelő (reflexiócsökkentő) bevonatokat (grafit, fekete festék, foszfát, ...) alkalmaznak az anyag-felületen a jobb energiahasznosítás, ill. a technológia eredményes kivitelezhetősége érdekében. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

45

Optikai jellemzők hőmérsékletfüggése

Az abszorpciós tényező és az anyagvastagság jellemzi az anyag optikai sűrűségét (abszorbanciáját). Egy adott hullámhossz értéknél elnyelt fény részaránya erősen függ az anyag összetételétől. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

46

Anyagok optikai jellemzői 2.

Az ε elektromos permittivitású és µ mágneses permeabilitású nemfémes optikai üvegeket további két minősítő adat jellemzi: • a fény sebességcsökkenését ill. irányváltoztatását és egyben az átlátszó anyagok optikai sűrűségét kifejező törésmutató:

1

c0 n= = v

ε0 ⋅ µ0 = εr ⋅ µr , 1 ε⋅µ

azaz a c0 vákuumban (vagy levegőben) mért fénysebesség viszonya az anyagban mért c fénysebességhez (fázissebességhez) azon egyszínű sugárzás hullámhosszára vonatkoztatva, amely mellett meghatározták (pl. nd [d: sárga Hevonal], nF [F: kék H-vonal], nc [c: vörös H-vonal]); Az ilyen gyengén mágneses anyagokra: µr ≈ 1, és n ≈ ε r • a színszóró képesség (diszperzió) jellemzésére szolgáló Abbe-féle szám:

ν=

nd − 1 nF − nc

Kicsi a diszperzió, ha ν>50, ill. nagy a diszperzió, ha ν<50. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

47

Akusztikai tulajdonságok

a (hallható) mechanikai rezgésekkel hangokkal való kölcsönhatással függenek össze. Az akusztika - más néven hangtan - a hang keletkezésével, terjedésével, elhalásával és élő szervezetre kifejtett hatásával foglalkozik. A hang valamely folytonos, rugalmas közegben kialakuló mechanikai zavarási állapot továbbterjedése. A zavarási állapot (hang) terjedése során kis mértékű energia, azaz munkavégző képesség is terjed. Attól függően, hogy a mechanikai zavarási állapot levegőben vagy más gázban, vízben vagy ettől eltérő folyadékban, ill. szilárd halmazállapotú, rugalmas közegben hat, elnevezése: léghang, folyadékhang ill. testhang. A hang kettős - áramlás és hullám - természettel rendelkezik. A levegőben a hangterjedés során sajátos közeg-mozgás, áramlási jelenség alakul ki, melyre érvényes az anyag-megmaradás, az impulzusmegmaradás, az energia-megmaradás törvénye, iIl. a hangterjedés vivőközegére (levegőre) az ideális gázok állapotegyenlete. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

48

Hangok felosztása és spektruma A hang színképe (frekvencia-spektruma) alapján lehet: • tisztahang, ami egyetlen harmonikus (szinuszos) összetevőből áll és frekvenciája a hangmagasság ill. amplitúdója a hangerősség vagy hangintenzitás; • zenei hang, ami tisztahangok kellemes együtthangzást, konszonanciát létesítő összege (periodikus rezgés: alaphang + felharmonikusok). Konszonancia van, ha az összetevő tiszta hangok frekvenciáinak arányai meghatározott értékűek; • zörejhang vagy zaj (zörgés, sistergés, zúgás, dörej, …), ami tisztahangok nem kellemes együtthangzást, disszonanciát létesítő összege (nem periodikus) és általában folytonos eloszlású spektrummal jellemezhető. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

49

Hanghullámok és terjedésük A mechanikai hullám a részecskesebesség és a hullámterjedés irányának viszonya szerint longitudinális hullám, melynél a részecske mozgás és a hullámterjedés iránya megegyezik vagy transzverzális hullám, melynél a részecske mozgás és a hullámterjedés iránya egymásra merőleges.

A longitudinális hullámok terjedési sebessége:

cL =

E 1− ν E ≈ ⋅ ρ (1 + ν ) ⋅ (1 − 2ν ) ρ

A transzverzális hullámok terjedési sebessége:

cT =

1 E ⋅ = ρ 2(1 + ν )

G ρ

Sok anyagra vonatkozó ν=1/3 esetén cL ≈ 2⋅cT. Általánosan ν ≤ 1/2 miatt fennáll, hogy ugyanabban a szilárd közegben cL > cT. Ezen alapul pl. az, hogy földrengéskor a kétféle hullám megérkezésének időkülönbségéből meg lehet becsülni az epicentrum távolságát ill. helyét. A hangok terjedési sebessége az anyagi minőségen (E, G, ν, ρ) kívül a hőmérséklettől és a nedvességtartalomtól is függ. Általában longitudinális hullámokkal találkoz(hat)unk, mert elsősorban olyan anyagi testekben keletkez(het)nek transzverzális hullámok, amelyeknek a hang terjedési irányára merőleges méretei kicsik (pl. hangszer húrok).


50

Hanghullámok viselkedése határfelületen Levegőből (1. közeg) az anyagfelületre (2. közeg) érkező

hanghullámok egy része visszaverődik, más része irányváltoztatással halad tovább, azaz a terjedési sebességek aránya a hullámhosszak arányával határozható meg. A továbbjutó hang részben elnyelődik, részben áteresztődik. A visszaverődés törvénye szerint a beesési szög és a visszaverődési szög egyenlő. Merőlegesen beeső hullám törés nélkül halad tovább. Általános esetben a beesési szög szinusza egyenesen arányos a törési szög szinuszával, melyek révén meghatározott arányossági tényező a két közegben mért (hang)terjedési sebesség (c1 és c2) hányadosa, vagyis a 2. közegnek az 1. közegre vonatkoztatott törésmutatója (amikor is az 1. közegből lép a hullám a 2. közegbe, azaz a 2. közeg a törő közeg):

sin α c 1 = = n 21 sin β c 2

Az olyan közeget (anyagot), amelyben a mechanikai hullámok terjedési sebessége A visszavert és a megtört hullám amplitúdójának és intenzitásának nagyobb, akusztikailag ritkább, amelyben aránya a beesés szögétől és a terjedési sebességek arányától kisebb, akusztikailag sűrűbb közegnek nevezik. függ. Ha a hullám akusztikailag sűrűbb közegből lép ritkábba, Ha a hullám kisebb akusztikai sűrűségű közegből akkor a beesés szögét növelve a visszavert hullám intenzitása nő, a megtörté csökken. Van egy α0 határszög, amelynél β=90°, ill. érkezik nagyobba, akkor az akusztikai sinα0=n21. Ezen határszöget elérő, ill. meghaladó beesési törésmutató egynél nagyobb, fordítva egynél szögeknél a megtört hullám eltűnik, csak visszavert hullám lesz, melynek intenzitása megegyezik a beeső nyalábéval. Ez a teljes kisebb. Az anyagok fajlagos akusztikai impedanciája, akusztikai keménysége sűrűségük visszaverődés jelensége, amikor a törő közegbe nem jut hullám. és a rájuk jellemző hangterjedési sebesség Dr. Bagyinszki Gyula: 51 szorzata: Z0 = ρ ⋅ c ANYAGISMERET

Anyagok akusztikai alkalmazásai A hangelnyelés erős csillapítást okoz a hangterjedésben, azaz hővé alakul a hangenergia. A hangelnyelő anyagok homogén vagy pórusos szerkezetűek (összefüggő pórusokkal) lehetnek. A homogén hangelnyelő anyagokban a belső súrlódás (az anyag deformációja), a pórusos hangelnyelő anyagokban pedig a külső (a hangterjedési közeg rezgő részecskéi és a pórusos anyag vázelemei közötti) súrlódás révén alakul át a hangenergia hővé. Ha visszaverődés-mentes hangelnyelésre van szükség, akkor a hangelnyelő anyag fajlagos akusztikai impedanciájának (Z02) nem szabad nagyon eltérnie a hangvezető közegétől (Z01). A hanggátlás hangvisszaverő akadályokon következik be és a hanghullámok terjedésének visszaverődés útján való akadályozását jelenti. Ha nagy hanggátlásra van szükség, akkor olyan közeget kell a hanghullámok útjába állítani, amelynek Z02 értéke a lehető legnagyobb mértékben tér el a hangvezető közeg Z01 értékétől. Léghang gátlására olyan válaszfalat célszerű felállítani, amelynek anyaga minél keményebb és minél nehezebb. Folyadék- és testhangok gátlására lágy és könnyű anyagok alkalmasak. Az úszópadló - azaz valamilyen (közvetlenül a födémen lévő) lágy szilárd habanyagon vagy rostos rétegen "úszó" nehéz esztrichlap - a lépészajból származó test- és léghangot egyaránt gátolja. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

52

Szerkezeti anyagok tulajdonságai és tulajdonságvizsgálata. Dr. Bagyinszki Gyula: ANYAGISMERET

Recommend Documents