MŰSZAKI ELŐKÉSZÍTŐ ISMERETEK ANYAGOK MODUL
Az ipari anyagok szerkezete és tulajdonságai 1. Az anyagok mikroszerkezete 1.1. Atom Mit tanultunk az atomokról a kémia tantárgyban? Mi az atom? a kémiai elemek azonos, kémiai módszerekkel tovább már nem bontható része sajátosságai közvetlenül szabják meg az elemek kémiai tulajdonságait az atom kémiai sajátosságai megegyeznek az elem makroszkopikus mennyiségének kémiai sajátosságaival
Hogyan épül fel az atom?
1. héj
H atom
atommag A hidrogén atomszerkezetének vázlata
az atom felépítése: atom atommag proton
elektronok neutron
Pl.: az elektronhéjak száma és elhelyezkedése
Atommodell elektronhéjakkal
Az atomi részecskék jellemző tulajdonságai Részecske
Relatív tömeg
Töltés
Elhelyezkedés az atomban
proton
1
+1
a magban
neutron
1
0
a magban
elektron
1/1837
-1
a magon kívül (héjban)
Egy elektromosan semleges atomban a héjon lévő elektronok száma megegyezik a magban lévő protonok számával
A magban lévő protonok száma az elem rendszáma (Z) A (tömegszám)=Z (protonok száma)+N (neutronok száma)
Példa:
elektronok: 29 protonok: 29
elektronok: 13 protonok: 13 az egy héjon lévő elektronok száma: 2n2, ahol n a héj sorszáma
Ion: egy vagy több elektron megy át az egyik atomból a másikba pozitív ion (kation): elektron hiány, proton többlet
negatív ion (anion): elektron többlet
1.2. Molekula Molekula: több elemből kémiai kötéssel létrejött új anyag (pl.:H2O) vagy azonos atomokból álló csoport legkisebb része (pl.:H2)
1.3. Kémiai kötések Ionos kötés: Egy vagy több elektron megy át az egyik atomból a másikba. A pozitív és negatív töltésű ionokat ellentétes töltésük vonzása tartja össze.
Semleges Cu atom
egyszeres kétszeres pozitív pozitív töltésű töltésű Cu Cu ion ion
pozitív ion (kation): elektron hiány negatív ion (anion): elektron többlet
Kovalens kötés: H∙
H∙
Különálló atomok
H:H
Kovalens kötéssel kapcsolódó atomok
a kapcsolódó atomokat olyan elektronok tartják össze, amelyek pályája mindkét atommagot körülveszi A pozitív és negatív töltésű ionokat ellentétes töltésük vonzása tartja össze.
Fémes kötés: fémekre jellemző kötésfajta Fémionok (kationok)
Összetömörülés
Szabad elektronok
A fémes kötés kialakulása
a kötőerő a fém pozitív ionjai és a többé-kevésbé szabadon mozgó elektronok (elektronfelhő) között jön létre
a könnyen mozgó elektronok miatt a fémek jól vezetik az elektromosságot és a hőt van der Waals-kötés: elektromosan semleges részecskék között is kialakulhat az elektrosztatikus erő, amikor az elektronok a mag egyik oldalán egy pillanatra túlsúlyba kerülnek az egy részecskéhez tartozó elektronok számával együtt növekszik a van der Waals kötés energiája
Hidrogénkötés:
a kapcsolat hidrogénatom és egy erősen elektronegatív atom (pl.: fluor) között jön létre a hőre lágyuló műanyagoknál igen jellemző kötésfajta
a van der Waals kötést és a hidrogénkötést másodlagos kötésnek is nevezik
Ismétlő kérdések Mit nevezünk atomnak? atom: a kémiai elemek azonos, kémiai módszerekkel tovább már nem bontható része Mit nevezünk molekulának? több elemből kémiai kötéssel létrejött új anyag (pl.:H2O) vagy azonos atomokból álló csoport legkisebb része (pl.:H2) Milyen kémiai kötésfajtákról tanultunk?
ionos kötés kovalens kötés fémes kötés
van der Waals-kötés, hidrogénkötés
2. A szerkezeti anyagok csoportosítása a kötés típusa alapján Fémes kötés
Ionos kötés
Fémek
Kovalens kötés
Kerámiák
Félvezetők
Másodlagos kötés
Polimerek
Mesterséges anyagok Természetes anyagok
pl. acél
pl. üveg
pl. kavics
Társított (kompozit) anyagok
pl. fa
pl. gumi
3. A szilárd halmazállapotú szerkezeti anyagok mikroszerkezete a műszaki gyakorlatban alkalmazott szerkezeti anyagok kristályos vagy amorf szerkezetűek lehetnek
amorf szerkezet: az anyagon belül nem fedezhetők fel rendezett tartományok
3.1. Kristályos szerkezet a kristályos szerkezetben az egyes részecskék periodikusan ismétlődnek, szabályos geometriai rendben helyezkednek el a rácsnak azt a legkisebb - több atomból álló - szabályos részét, melynek ismételgetésével a térrács leírható, rácselemnek vagy elemi cellának nevezzük.
3.1.1. Térrács: a térrács (kristályrács): az elemi cellák elhelyezkedését leíró rendszer
A térrács képe és az elemi cella képe
Az elemi cella különböző alakú lehet. Az elemi cella lehetséges alakjainak leírására hét fő kristályrendszer különböztethető meg I. Köbös
II. Tetragonális
III. Rombos
IV. Hexagonális
V. Romboéderes
VI. Monokilin
VI. Triklin
3.1.2. A legfontosabb rácsformák módosulatai: Egyszerű köbös rács I. Köbös
1 atomrész 8
a térközepes köbös rácsnak 8∙1/8=1 atomja van egyszerű köbös rácsa csak a polóniumnak (Po) van
Térközepes köbös rács
1 atom
1 atomrész 8
a térközepes köbös rácsnak (8∙1/8)+1=2 atomja van ilyen rendszerben kristályosodik a Cr, Li, K, Mo, Na, Ta, W, V, Rb, Cs, Ba, Ni, Fe3C
Térközepes köbös rács modellje
Lapközepes köbös rács
1 atomrész 8
1 atomrész 2
az a lapközepes ebben a rendszerben köbös rács kristályosodó minden lapközéppontjában fémek: Cu, Al, is Au, tartalmaz Ag, Pb, Ni,rácspontot Ir, Pt, Fe3C közös a lapközepes tulajdonságuk, köbös rácsnak hogy nagyon (8∙1/8)+(6∙1/2)=4 képlékenyekatomja van
Lapközepes köbös rács modellje
A hexagonális rács (egyszerű illeszkedésű)
csak a hatszög alapú hasáb csúcsain találunk atomokat (12∙1/6 atom)
az ebben a rendszerben kristályosodik a grafit
A hexagonális rács (szoros illeszkedésű) az atomok a cella 12 csúcsában, továbbá a két alap közepén helyezkednek el három atom pedig az elemi cella közepében van az egy cellához tartozó atomok száma:
1 1 12 2 3 6 6 2 ez a típus elsősorban fémekre jellemző Zn, Cd, Mg, Be, Ti, Ru
A hexagonális rács modellje
egyes anyagoknál (pl.: P, Fe3C) a hőmérséklettől függően megváltozik a rácsforma és ezzel az anyag tulajdonságai a rácsok ilyen átalakulását allotróp átalakulásnak, vagy polimorfizmusnak nevezzük
Ismétlő kérdések Mit nevezünk térrácsnak? a térrács (kristályrács): az elemi cellák elhelyezkedését leíró rendszer Milyen fontos térrácsformákat ismerünk? térközepes köbös
lapközepes köbös
hexagonális (egyszerű illeszkedésű) hexagonális (szoros illeszkedésű)
Miben különbözik a kristályos szerkezettől az amorf szerkezet? az amorf anyagon belül nem fedezhetők fel rendezett tartományok
4. A mikroszerkezet és az anyag tulajdonságainak kapcsolata anyagtulajdonságok: az anyag reagálása a külső környezeti hatásokra
4.1. Anyagtulajdonságok csoportosítása: 4.1.1. Fizikai tulajdonságok A fizikai tulajdonságok az anyag fizikai állapotát tükrözik, változásuk nem okoz szerkezetváltozást, új anyag nem keletkezik Sűrűség: 3 könnyűfém: ρ<5 kg/dm tömeg(m) g ( ) térfogat( V ) cm3 nehézfémfém: ρ>5 kg/dm3
Hővezető képesség:
hideg oldal
rossz jó hővezetők hővezetők a fémek pl.: levegő, pl.: réz,üveg, alumínium műanyag
Elektromos vezetőképesség: Elektromosan vezető Anyag
1 m hosszú, 1 mm2 keresztmetszetű huzal ellenállása 20 oC hőmérsékleten, Ω
Ezüst Réz elektromosan vezető: fémek, Arany arany, alumínium, vas) grafit Alumínium Vas
Elektromosan szigetelő
0,016 0,0178 (pl.:0,023 ezüst, 0,028 0,12
réz,
elektromosan szigetelő: műanyagok, kerámiák (porcelán, üveg), fa, texíliák
Olvadási hőmérséklet: Olvadási hőmérsékletek Olvadáspont Anyag oC
Ólom Alumíniu m Öntöttva s Halmazállapot: Acél
327 660 1200 1536
szilárd (fémek, fa, kavics, gumi, stb.) folyékony (kőolaj, higany, stb.) légnemű (nemesgázok, O, Cl, CO2 stb.)
4.1.2. Kémiai tulajdonságok A kémiai tulajdonságok az anyag kémiai jellemzőit írják le. A kémiai átalakulás során új anyag keletkezik, melynek tulajdonságai eltérnek a kiindulási anyagok tulajdonságaitól Leírják az anyagok: Összetételét
72% Cu, 28% Zn
Átalakulásait:
pl. az elégetéskor lejátszódó folyamatokat Vegyületeit: pl. az oxigénnel alkotott vegyületeket korrózióállóságot ötvözhetőséget
4.1.3. Metallográfiai tulajdonságok: Szövetszerkezet: Ferrit – perlites
4.1.4. Mechanikai tulajdonságok: Olyan fizikai tulajdonságok, amelyek valamilyen igénybevétel (erőhatások okozta megterhelés) hatására nyilvánulnak meg Egyszerű igénybevételek:
Húzó Nyomó Hajlító Csavaró Nyíró
Csavarás
Hajlítás
Húzás
Keménység: az az ellenállás, melyet az anyag egy test, pl.: acélgolyó behatolása ellen fejt ki
kemény anyag pl.: az edzett acél, a keményfém, a gyémánt
Szilárdság: az anyagnak külső erőkkel szembeni ellenállása, alakváltozó képessége (törésig, szakadásig) megkülönböztetünk az erőhatás irányától függően szakítószilárdságot, illetve nyomószilárdságot
Szakítószilárdság vizsgálata
nyomószilárdság vizsgálat
Rugalmasság: az anyagnak akkor rugalmas, ha a terhelés megszűnése után ismét eredeti alakját veszi fel
rugalmas anyag pl.: a rugóacél, egyes műanyagok
Egy személygépkocsi váznyúlványának deformációja
Szívósság: az anyagnak az a tulajdonsága, hogy külső erőkkel képlékenyen deformálható anélkül, hogy eltörne, tehát jól alakítható (pl.: réz, alumínium, ólom)
Ridegség: az anyagnak az a tulajdonsága, hogy különösen ütésszerű, lökésszerű erők hatására nem deformálódik, hanem darabokra törik
rideg anyag pl.: az üveg, a porcelán,a túl keményre edzett acél
4.1.5. Technológiai tulajdonságok: Alakíthatóság: alakítható az az anyag, amely erők hatására képlékenyen deformálódik
jól alakítható anyag pl.: a kis C tartalmú acél, ólom, réz, alumínium
Forgácsolhatóság: a forgácsolhatóhatóság az a tulajdonság, hogy az anyag könnyen alakítható forgácsoló megmunkálással, pl.: esztergálással, marással, fúrással, köszörüléssel
jól forgácsolható anyag pl.: a gyengén ötvözött acél, öntöttvas, alumínium
Hegeszthetőség:
Önthetőhetőség:
4.2. Az anyagtulajdonságok és a mikroszerkezet kapcsolata: A kötési energia a kovalens kötésű kristályokban a legnagyobb → kemény anyag a kovalens kötésű anyagok maradó alakváltozásra képtelenek, ridegen viselkednek
a kovalens kötésű elemi cellák elektromosan semlegesek (szigetelők)
Ismétlő kérdések Milyen kemény anyagokat ismerünk? az edzett acél, a keményfém, a gyémánt Milyen jól alakítható anyagokat ismerünk?
réz, alumínium, ólom Milyen elektromosan vezető anyagokat ismerünk? fémek, (pl.: ezüst, réz, arany, alumínium, vas) grafit Milyen elektromosan szigetelő anyagokat ismerünk? műanyagok, kerámiák (porcelán, üveg), fa, texíliák
5. A műszaki gyakorlatban használt anyagok Az anyagot az ember nyeri ki a természetből és alakítja át olyanná, ami az igényeinek leginkább megfelel
5.1. Az anyagok csoportosítása: Halmazállapot szerint: szilárd (fémek, fa, kavics, gumi, stb.) folyékony (kőolaj, higany, stb.) légnemű (nemesgázok, O, Cl, CO2 stb.)
Eredet szerint: szerves anyagok természetes eredetűek pl. gumi, fa, bőr stb. mesterségesen előállított műanyagok szervetlen anyagok fémek, kerámiák, kompozitok
Felhasználás szerint: Létfenntartáshoz szükséges (élelmiszerek) 23 % Energia hordozók 31 % Ipari anyagok 46 %
energia hordozók ipari anyagok élelmiszerek
5.2. A fémes anyagok csoportosítása Fémes anyagok
Vasalapú ötvözetek
könnyűfém: ρ<5 kg/dm3
Nemvas fémek
nehézfémfém: ρ>5 kg/dm3
Öntöttvas- és acélanyagok
Könnyűfémek ?
Színesfémek
Al és ötvözetei
Cu és ötvözetei
Egyéb fémek
Nikkel Volfrám
Mg és ötvözetei Ti és ötvözetei
Horgany és ötvözetei
Króm Vanádium
Ólom és ötvözetei Ón és ötvözetei
Kobalt Molibdén Nemesfémek
5.3. A nemfémes anyagok csoportosítása Nemfémes anyagok
Szilikátok
Műanyagok
Fa
Papír
Üvegek
Kerámiák
Öblös (palack, laborüveg)
Durva kerámia (tégla, cserép)
Sík (ablak, biztonsági üveg)
Műszaki (optikai üveg)
Finomkerámia (porcelán, kőagyag)
Oxidkerámiák (híradástechnikai kerámiák, csiszolókorong)
Bőr
Textílanyagok
Építőipari kötőanyagok
Kenő- és tüzelőanyagok
Egyébanyagok (grafit)
• Természetes (gumi) • Mesterséges (pl.: PVC)
Ismétlő kérdések Milyen módon csoportosíthatók az anyagok? Halmazállapot szerint: szilárd, folyékony, légnemű Eredet szerint: szerves anyagok, szervetlen anyagok
Felhasználás szerint Milyen módon csoportosíthatók a fémes anyagok? Fémes anyagok
Vasalapú ötvözetek
Nemvas fémek
Könnyűfémek
Színesfémek
Egyéb fémek
Milyen módon csoportosíthatók a nemfémes anyagok? Nemfémes anyagok
Szilikátok
Műanyagok
Fa
Papír
Üvegek
Kerámiák
Öblös (palack, laborüveg)
Durva kerámia (tégla, cserép)
Sík (ablak, biztonsági üveg)
Műszaki (optikai üveg)
Finomkerámia (porcelán, kőagyag)
Oxidkerámiák (híradástechnikai kerámiák, csiszolókorong)
Bőr
Textílanyagok
Építőipari kötőanyagok
Kenő- és tüzelőanyagok
Egyébanyagok (grafit)
• Természetes (gumi) • Mesterséges (pl.: PVC)
6. Az ipari anyagok rendszerezése Ipari anyagoknak vagy szerkezeti anyagoknak a technikailag hasznos tulajdonságú anyagokat nevezzük (alapanyagok, segédanyagok).
6.1. Alapanyag Alapanyag (vagy előgyártmány): a termelési folyamatban az átalakítandó anyag
előgyártmány ? alapanyag ?
6.2. Segédanyag Segédanyag: az alapanyag feldolgozásához, vagy a termékek élettartamának növelésére, a működés elősegítésére használt anyag hűtőfolyadék
kenőanyag, gyártást elősegítő anyagok stb.
6.3. Hulladék, hulladékkezelés (recycling) Hulladék: a gyártás során (vagy a termék elhasználódásával) keletkező, egyéb célra nem, vagy csak további átalakítás után hasznosítható anyag
A anyagokat válogatás utánfajta újraöntik A fém hulladék anyagokat lehetőleg szerint szét kell elkülönítvemegdarálják, tárolni, hogymajd minél kisebb Aválogatni műanyagés alkatrészeket költséggel lehessen újrahasznosítani, környezetkímélő végső újrahasznosítják tárolásra, vagy elégetésre átadni A fáradt olajat megtisztítják, újraadalékolják
6.3.1. (példa) Légszűrő doboz
Vízzáró fedél
100%-ban újrafeldolgozott anyagból
Külső visszapillantó tükör burkolata
Kesztyűtartó
Újra feldolgozható ugyanolyan anyaggá
Műanyag A-, B-, és ajtóC - oszlop burkolatok burkolata
Újra feldolgozható
Könyöktámasz, üléspárna és fejtámasz Tüzelőanyagtartály
Hűtőrács
Hátsó lökhárító
Mellső lökhárító
Oldalsó vészhárító
Ékszíj burkolat
Küszöbléc és kábelburkolat
Mellső légterelő
Középső konzol Padlóalagút
Műszerfal Irányjelző lámpák és ködfényszóró burkolata
Kerékdoblemez
Akkumlátor
Légterelő Mellső és lap a fékek hátsó lökhárító hűtéséhez vezetése
Hűtőfolyadék kiegyenlítő tartálya
Kiegyenlítő – tartály, fékrásegítő
6.4. Melléktermék Melléktermék: a gyártás során keletkező, egyéb célra nagyobb átalakítás nélkül hasznosítható anyag A kőolaj finomítás mellékterméke a petróleum A cukorgyártás mellékterméke a melasz
6.5. Alapanyag, előgyártmány, segédanyag a gyártás során (példa)
6.5.1. Üveggyártás (példa) Alapanyagok: üvegképzők: kvarchomok (SiO2) hulladék üveg Segédanyagok: folyósítók: nátrium oxid, kalcium oxid
stabilizátorok: alkáliföldfém karbonátok
Olvasztás kemencében 780…800 oC-on Alakítás: síküveg, öblösüveg, egyéb alak
6.5.2. Cementgyártás (példa) Alapanyag (nyersanyag): mészkő és agyag
Előkészítés: őrlés, keverés Kiégetés: 1300…1500 oC-on, forgó kemencében ez a klinkerképződés Aprítás: őrlés porrá ez a cement
Felhasználás: a cement vízzel keverve megköt
6.5.3. Égetett kerámiák (példa) Alapanyag (nyersanyag): agyag tégla, cserép, edények kaolin porcelán Alkalmazás:
tégla- és cserépipar háztartási eszközök dekoráció, dísztárgyak
6.5.4. Hidegen – melegen alakított alkatrészek (példa) Előgyártmány
Ismétlő kérdések Milyen anyagokat nevezünk ipari anyagoknak? Ipari anyagoknak vagy szerkezeti anyagoknak a technikailag hasznos tulajdonságú anyagokat nevezzük Milyen anyagokat nevezünk alapanyagnak?
Alapanyag (vagy előgyártmány): a termelési folyamatban az átalakítandó anyag Milyen anyagokat nevezünk segédanyagnak? Segédanyag: az alapanyag feldolgozásához, vagy a termékek élettartamának növelésére, a működés elősegítésére használt anyag Mi a különbség a hulladék és a melléktermék között? a hulladék egyéb célra nem, vagy csak további átalakítás után hasznosítható anyag, a melléktermék viszont nagyobb átalakítás nélkül hasznosítható
