Az eddig tanult anyagismeret anyagvizsglat anyag feldolgozsi technolgik

• Az eddig tanult anyagismeret, anyagvizsgálat, anyag feldolgozási technológiák , valamint a kapcsolódó tárgyak (pl. mechanika) összefoglalása és integrált alkalmazása • A mérnöki szemlélet, a tanultak gyakorlati alkalmazásában való jártasság fejlesztése • A minőség és megbízhatóság mint személyes tulajdonságok erősítése 1

A tervezés, anyag kiválasztás és gyártás összefüggései A gyártmány fejlesztés folyamata Az alkatrész tervezés folyamata Egyszerű esettanulmányok 2

Egy gyártmány fejlesztésének fázisai (1) • Piaci igények felmérése • A szerkezet funkciójának, főbb jellemzőinek meghatározása • A szerkezet koncepcionális tervezése (pl. gépkocsi) • A szerkezeten belüli fő egységek funkciói (pl. motor) • A fő egységen belüli alkatrészek tervezése (pl. hajtórúd) • Az elkészült szerkezet ellenőrzése, visszacsatolás az előző fázisokra 3

Egy gyártmány fejlesztésének fázisai (2) Igények felmérése, funkciók Koncepcionális tervezés Méretezési eljárás választása Részletes tervezés Kísérleti ellenőrzés 4

Egy gyártmány fejlesztésének fázisai (példa) • Gépkocsi: kategória, főbb paraméterek, komfort fokozat, esztétikai megjelenés, fogyasztói kör, ár, …stb. • Motor: teljesítmény, nyomaték, fogyasztás, környezetvédelmi paraméterek, …stb. • Hajtórúd: funkció (igénybevétel), alak, anyag, gyártási mód 5

Új igények megjelenítése a gyártmány fejlesztésben (1) • 1980: hagyományos asztali PC-k katódsugár csöves monitorral • 1980 -as évek vége: igény a hordozható gépekre • Megoldás: integrált egység hagyományos elemekből (12 -13 kg) – nem terjedt el • Új koncepció: lapos képernyő (LCD, plazma, stb. ), miniatürizált egységek • Eredmény: a mai notebook kategória (1, 5 -3 kg) 6

Új igények megjelenítése a gyártmány fejlesztésben (2) Hagyományos termék Új fogyasztói igény Új műszaki megoldás A piac elemzése 7

Tervezési szempontok kapcsolata Alak Funkció Anyag Megmunkálás 8

A tervezés folyamata (1) • Az alkatrész funkcionális vázlata, igénybevételek • Közelítő alak és méretek (forrás: anyagtulajdonságok adatbázisa, méretezési összefüggések) • Előzetes technológia (forrás: technológiai adatbázis) • Részletes elemzés • Kísérleti ellenőrzés, visszacsatolás az előző fázisokra 9

A tervezés folyamata (2) Funkció, igénybevételek Anyag tulajdonságok Méretezési összefüggések Technológiai adatbázis Közelítő méret, anyag Előzetes technológia Részletes elemzés, kísérletek 10

Példa a funkciók meghatározására: csavarhúzó (1) Nyél Szár Fej Általános funkció: csavar be- és kihajtás kényelmes használat, „felhasználó barát” tartósság, méltányos ár 11

Példa a funkciók meghatározására: csavarhúzó (2) Nyél: • Funkció: csavaró nyomaték átadása a kézről a szárra • Igénybevétel: a felületen nyomás, a szár bekötésen csavarás • Anyag: fa, polimer, fém (szilárdság, kedvező felület, esztétikus külső) • Alak: kézbe illeszkedő, a felületen csúszás gátló rovátkák • Megmunkálás: az anyag fajtától függő 12

Példa a funkciók meghatározására: csavarhúzó (3) Szár: • Funkció: csavaró nyomaték átadása a nyélről a fejre, esetleg hajlítás (nem rendeltetés szerű használat) • Igénybevétel: nyomás, csavarás, (hajlítás) • Anyag: acél (szilárdság, szívósság) • Alak: az igénybevételből számítható méret • Megmunkálás: húzott rúdból leszabás, a végeken alakítás 13

Példa a funkciók meghatározására: csavarhúzó (4) Fej: • Funkció: csavaró nyomaték átadása a fejről a csavarra, esetleg ütés, hajlítás (nem rendeltetés szerű használat) • Igénybevétel: nyomás, csavarás, koptató hatás, (hajlítás) • Anyag: acél (keménység, szilárdság, szívósság) • Alak: az igénybevételből számítható méret • Megmunkálás: a szárból kialakítva, hőkezelve 14

A tervezés, anyag kiválasztás és megmunkálás kölcsönhatásai Az igénybevételek főbb típusai Az igénybevételekkel összehasonlítható anyagjellemzők Megmunkálhatóság 15

Az igénybevételek jellemzése (1) • Az igénybevétel hatása szerinti felosztás: – Teljes anyagtérfogatra ható igénybevételek – A felületre ható igénybevételek • Az igénybevétel időbeli lefolyása szerinti felosztás: – – Statikus Dinamikus, lökésszerű Ismétlődő, fárasztó Az előbbi három kombinációja 16

Teljes anyagtérfogatra ható igénybevételek • • • Húzó Nyomó Hajlító Nyíró Csavarás Hajlítás Húzás 17

A felületre ható igénybevételek • • Hő Vegyi Elektrokémiai Áramló közeg Koptató Sugárzás Biológiai Forgatás Szorító erő Kopás 18

Az igénybevétel időbeli lefolyása • Statikus • Dinamikus • Ismétlődő, fárasztó • Az előbbi három kombinációja 19

A legfontosabb igénybevételek (térfogatra és felületre hatók) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Statikus terhelés Dinamikus terhelés Fárasztó igénybevétel Hőmérsékleti hatások Kopás Korróziós hatás Egyéb igénybevételek 20

Az igénybevételek nagyságának számítása (1) Térfogatra ható, úgynevezett egyszerű igénybevételek esetében (pl. húzás): • A külső terhelés becslése • A terhelés hatására ébredő feszültségek számítása So F F = F / So 21

Az igénybevételek nagyságának számítása (2) Szabályosan ismétlődő fárasztó igénybevétel esetében: • A külső terhelés és igénybevételi szám becslése • A térfogatra ható feszültségek számítása a statikus terhelésből és a váltakozó igénybevételből (pl. vasúti kocsi tengely) 22

Az igénybevételek nagyságának számítása (3) Dinamikus, szabálytalanul változó igénybevétel esetében: • A külső terhelés spektrumának becslése • Egyenértékű terhelés generálása • A térfogatra ható feszültségek számítása (pl. gépkocsi tengely igénybevétele göröngyös úton) 23

Az igénybevételek nagyságának számítása (4) A felületre ható igénybevételek esetében: • A külső hatás erősségének becslése (pl. vegyi anyag korróziós hatása, koptató hatás, sugárzás okozta hatás) • A legtöbb esetben nehéz konkrét mérőszámokat meghatározni, ezek mindig a külső hatástól és az anyagtól függően adhatók meg 24

Az igénybevételek és az anyagjellemzők kapcsolata a méretezéssel Anyagjellemző Igénybevétel Méretezési összefüggések A szerkezet méreteinek meghatározása 25

1. Anyagjellemzők statikus terhelésre • Folyáshatár (Rp 0, 2; REH) • Szakítószilárdság (Rm) • Rugalmassági modulus (E) 26

2. Anyagjellemzők dinamikus terhelésre • Ütőmunka (KV) • Törési szívósság (KIC) • Kritikus repedéskinyílás (COD) 27

3. Anyagjellemzők fárasztó igénybevételre • Kifáradási határ ( k) • Adott feszültség szinthez tartozó élettartam (Nt) t k Nt N 28

4. Hőmérsékleti hatások • • • Hőállóság Reológiai tulajdonságok Kúszáshatár ( T) Időszilárdság ( t) Hővezető képesség ( ) Hősokk, hőfáradás állóság (NT 1 mm; ΔTmax) 29

5. Kopás • Súrlódási tényező (μ) • Keménység (HB, HV, HRC) • Kopási jellemzők (ΔV; Δm) 30

6. Korróziós hatás • Oxidáció sebessége • Elektrokémiai korróziós hajlam • Ellenállás különféle vegyszerekkel szemben • Mindezek egyedileg meghatározható jellemzők 31

7. Egyéb igénybevételek (pl. neutron, nap sugárzás) • Ridegedési hajlam (HV, KV változása a neutron sugárzás hatására reaktor anyagokon) • Műanyagok károsodása a nap ultraibolya sugarainak hatására 32

A megmunkálhatósági jellemzők • Megmunkálhatóságon egy anyag adott megmunkálási technológiára való alkalmasságát értjük • A megmunkálhatóságot jellemezhetjük fizikai paraméterekkel (pl. olvadáspont), anyagvizsgálati mérőszámokkal (pl. keménység), vagy úgynevezett technológiai próbákkal 33

Megmunkálhatósági jellemzők (1) • Öntés – Olvadási hőmérséklet, dermedési hőköz – Önthetőségi próbák • Porkohászat – Pórusossági vizsgálat sajtolás után – Szinterelhetőségi próba 34

Megmunkálhatósági jellemzők (2) • Képlékeny térfogat alakítás – Folyási görbék, alakíthatósági mérőszámok – Zömíthetőségi próba, egyéb technológiai próbák – Melegalakíthatóság • Lemezalakítás – Képlékenységi anizotrópia vizsgálatok – Lemezalakíthatósági próbák 35

Megmunkálhatósági jellemzők (3) • Hegesztés – Karbon egyenérték – Mechanikai vizsgálatok, varrat keménység • Hőkezelés – Jominy-féle véglapedző vizsgálat – Átedzhető szelvényátmérő – Összetétel, átalakulási diagramok 36

Megmunkálhatósági jellemzők (4) • Forgácsolás – Megmunkálhatósági együttható – Éltartam vizsgálatok – Keménység, szívósság • Felületkezelés – Felület állapot – Tapadási szilárdság 37

A tervezési módszerek részletes elemzése Tervezési szempontok Optimalizálási módszerek 38

Tervezési sorrend • Tartalom szerint: – Méretek és anyag meghatározása – Megmunkálási mód választása • Közelítési mód szerint – Előzetes tervezés – Közelítő tervezés – Részletes elemzés 39

Közelítési stratégia • Előzetes tervezés • Közelítő tervezés • Részletes elemzés ITERÁCIÓ • • Összes anyag Globális szempontok Szűkebb anyagcsoport Valós terhelés Egy anyag Optimalizált alak Megmunkálási eljárás TERMÉK 40

Az alak (méretek) és az anyagtulajdonságok figyelembe vétele • Műszaki szempontok – Minimális tömeg – Optimális alak – Több szempont egyidejű mérlegelése • Gazdaságossági szempontok – Minimális költség – Esztétikai megjelenés, tetszetősség 41

Méretezés minimális tömegre és maximális merevségre Húzás: F L F ΔL So Merevség: Következtetés: Tömeg: m minimális, ha E/ρ maximális 42

Méretezés minimális tömegre és maximális merevségre • Hajlítás koncentrált erővel: m minimális, ha (E 1/2/ρ) maximális • Hajlítás megoszló terheléssel: m minimális, ha (E 1/2/ρ) maximális 43

Méretezés minimális tömegre és maximális szilárdságra • Megengedett szilárdság: m=Rp 0, 2/n (n: biztonsági tényező) • Húzás: m minimális, ha ( m/ρ) maximális • Hajlítás koncentrált erővel: m minimális, ha ( m 2/3/ρ) maximális • Hajlítás megoszló terheléssel: m minimális, ha ( m 1/3/ρ) maximális 44

Példa: anyagjellemzők a minimális tömeg választásához Anyag fajta Fa Alumínium Lágyacél Beton E/ρ 20… 30 25 26 15 Rp 0, 2/ρ 120… 170 180 30 3 Az E/ρ érték (merevségi optimum) közel azonos Az Rp 0, 2/ρ (szilárdsági optimum) jelentősen különbözik, legkedvezőbb az alumínium és a fa 45

Példa: anyag kiválasztási diagramok (1) • Az anyag kiválasztás folyamatát megkönnyítő diagramok tengelyein a különböző anyag tulajdonságok vannak, az egyes anyag fajták pedig területeket fednek le a diagramokban • Főbb diagram típusok: E – ρ; Rp 0, 2 – ρ; E - Rp 0, 2; KIC – E; …stb 46

E, GPa 1000 10 Példa: anyag kiválasztási diagramok (2) Műszaki kerámiák E/ρ=C Fémötvözetek Fa Kompozitok 1 0, 1 Polimerek 0, 1 1 ρ, Mg/m 3 10 47

Példa: anyag kiválasztási diagramok (3) Keresési stratégia (1): • Kiválasztjuk a terhelési módot, és a jellemző (E/ρ= Const. ) arányt, majd berajzoljuk a megfelelő egyenest a diagramba • Az egyenes által metszett területek mutatják a választható anyag típusokat • Utána részletesebb diagramokban keresünk tovább a konkrét anyagra 48

Példa: anyag kiválasztási diagramok (4) Keresési stratégia (2): • Kiválasztjuk a közelítő E és ρ értéket, és felvisszük a tengelyekre • Az egyenesek meghatározzák azt a területet, ahol részletesen lehet keresni • Utána a következő diagramban folytatjuk a keresést 49

Méretezés optimális alakra (1) • Optimálisnak tekintjük az alakot, ha az anyag minden elemi térfogata a megengedhető maximális feszültséggel van terhelve • Ebben az esetben az adott terhelést elviselni képes szerkezeti elem tömege általában minimális 50

Méretezés optimális alakra (2) • A korszerű CAD rendszerekben van végeselem számítási modul, amellyel a helyi feszültségek és alakváltozások számíthatók – ezzel a feszültség eloszlás optimalizálható • Az egyszerűbb alakzatokra számítással lehet megkeresni a legkedvezőbb alakot 51

Méretezés optimális alakra Példa: hajlított tartó (1) • Tömör hajlított tartó keresztmetszetében a feszültség eloszlás nem egyenletes, ezért az anyag kihasználás nem kedvező • Ugyanolyan tömegű cső esetében a teherbírás növekszik, ahogy a cső átmérője nő és a falvastagsága csökken 52

Méretezés optimális alakra Példa: hajlított tartó (2) Közepes átmérő Külső Ø=10 mm 8, 33 mm 12, 5 mm Falvastagság Tömör rúd 3 mm 2 mm Teherbírás 100% 130% 188% 25, 0 mm 1 mm 748% A tömör rúdhoz képest azonos tömeggel jelentős teherbírás növekedés érhető el cső használatával A falvastagság csökkentést egyéb tényezők korlátozzák (stabilitás, horpadási veszély) 53

Több szempont egyidejű mérlegelése a tervezés során • Az anyagokat a használat során több igénybevétel is éri, ekkor olyan anyagot kell választani, mely ezek összességének a legjobban megfelel • Az adott anyag csoportot megfelelőségi mutatók szerint lehet jellemezni • A több kritérium szerinti összehasonlítás lehet súlyozatlan vagy súlyozott megfelelőségi mutatók szerint 54

Példa: szerszámacélok kiválasztása több kritérium alapján (1) • Szerszámacélok választéka: A 1…A 4 jelű acélok • Megfelelőségi mutatók: – M 1: – M 2: – M 3: – M 4: – M 5: Kopásállóság Forgácsolhatóság Korrózióállóság Polírozhatóság Méretstabilitás 55

Példa: szerszámacélok kiválasztása több kritérium alapján (2) A 1 A 2 A 3 A 4 M 1 kopás M 2 forg. M 3 korr. 6 7 3 7 7 8 9 7 3 10 5 3 M 4 polír. M 5 méretst 9 8 33 10 8 40 7 9 35 8 8 34 Sorrend: A 2, A 3, A 4, A 1 jelű acélok 56

Példa: szerszámacélok kiválasztása több kritérium alapján (3) • Az előző példában súlyozatlanul hasonlítottuk össze a megfelelőségi kritériumokat • Ha egyes kritériumok fontosabbak a másiknál, súlyzó faktorokkal emelhetjük ki azokat • Pl: kopásállóság 2 x-es, korrózióállóság 3 x -os szorzóval vehető figyelembe az adott helyzetben 57

Példa: szerszámacélok kiválasztása több kritérium alapján (4) A 1 A 2 A 3 A 4 M 1 kopás M 2 forg. M 3 korr. 12 7 9 14 7 24 18 7 9 20 5 9 M 4 polír. M 5 méretst 9 8 54 10 8 63 7 9 52 8 8 50 Sorrend: (korábbi) (jelenlegi) A 2, A 3, A 4, A 1 A 2, A 1, A 3, A 4 58

Méretezés minimális anyagköltségre • Az anyagköltség akkor minimális, ha – Az anyag ára (Ft/kg) alacsony – Az anyagnak kicsi a sűrűsége – Emellett nagy a szilárdsága • Ezekből kombinált mutató: (költség x sűrűség / szilárdság) • Szokás ezt a mutatót a lágyacél mutatójának arányában is kifejezni 59

Néhány anyag világpiaci ára 1997 -ben (USD/kg) Arany Volfrám Alumínium tömb Gyorsacél rúd Szürkeöntvény tömb PVC Epoxy gyanta Fenyőfa palló 11000 28, 3 1, 65 3, 2 0, 33 1, 00 6, 00 0, 35 60

Méretezés minimális anyagköltségre: fajlagos mutató költség x sűrűség / szilárdság arány: – Lágyacél – Hőkezelt Al ötvözet – Polietilén – Réz 1 0, 75 2, 8 7, 7 Az Al kedvezőbb a lágyacélnál, a polietilén és a réz kedvezőtlenebb a költség és szilárdság szempontjából 61

Anyagtulajdonságok Általános jellemzés 62

A szerkezeti anyagok típusai és tulajdonságaik - fémek • Anyagjellemzők: E, KIC nagy, Rp 0, 2 közepes • Előnyök: közepesnél nagyobb merevség, szívósság, jó alakíthatóság, hősokkal szembeni ellenállás • Hátrányok: gyenge hő- és korrózióállóság, kerámiáknál kisebb keménység 63

A szerkezeti anyagok típusai és tulajdonságaik - kerámiák • Anyagjellemzők: E, Rp 0, 2 nagy, KIC kicsi • Előnyök: nagy merevség, keménység, hő- és korrózióállóság, • Hátrányok: kis szívósság, gyenge hősokk tűrés, kedvezőtlen alakíthatóság 64

A szerkezeti anyagok típusai és tulajdonságaik - polimerek • Anyagjellemzők: KIC közepes, Rp 0, 2 gyenge, E kicsi • Előnyök: jó korrózióállóság, jó alakíthatóság, kis sűrűség, kedvező Rp 0, 2/ρ arány • Hátrányok: kis merevség , gyenge hőállóság és alacsony kúszáshatár 65

A szerkezeti anyagok típusai és tulajdonságaik - kompozitok • Anyagjellemzők: kedvező KIC, Rp 0, 2, E állítható be • Előnyök: rugalmasan változtatható szilárdság, jó korrózióállóság, elfogadható alakíthatóság, kedvező Rp 0, 2/ρ arány • Hátrányok: költséges gyártás, kúszási hajlam egyes típusoknál 66

A szerkezeti anyagok tulajdonságainak áttekintése • Források: – Összehasonlító diagramok – Táblázatok – Adatbázisok • Rendszerezés: – Egy tulajdonság szerint – Két vagy több tulajdonság egyidejű összehasonlításával 67

Anyagok tulajdonságai sűrűség • 10 Mg/m 3 fölött: nehézfémek, keményfémek • 2 -10 Mg/m 3 között: könnyű és színes fémek, acél • 2 Mg/m 3 alatt: polimerek 68

Statikus terhelési jellemzők szakítószilárdság • 2000 MPa fölött: üveg, bór szálak • 200 -2000 MPa: fémek többsége, kerámiák, üvegszálas kompozitok • 200 MPa alatt: könnyűfémek, polimerek, porcelán 69

Statikus terhelési jellemzők rugalmassági modulus • 300 GPa fölött: néhány fém, Al 2 O 3, karbidok, gyémánt, fémkerámiák • 10 -300 GPa között: fémek, üveg, porcelán, kompozitok • 10 GPa alatt: fa, polimerek 70

Dinamikus terhelési jellemzők törési szívósság • 100 MN/m 3/2 fölött: acélok • 10 -100 MN/m 3/2 között: Al, Ti, kompozitok • 10 MN/m 3/2 alatt: polimerek, fa, üveg 71

Anyagok kifáradási tulajdonságai • A kifáradási határ és tartamszilárdság az anyagminőségtől és a szerkezettől, a felület állapotától, valamint a vizsgálat körülményeitől is függ • Az anyagok kifáradási tulajdonságai nem határozhatók meg egyértelműen, a kifáradási határ fémekre a folyáshatár 30… 70%-a körül van 72

Anyagok hőtechnikai tulajdonságai olvadási hőmérséklet • 2000 Co fölött: W, Mo, Nb, Ta karbidok, gyémánt • 1000 -2000 Co között: Öv, acélok, Cr, porcelán, fémkerámiák • 1000 Co alatt: polimerek, Al, Mg, rézötvözetek, kompozitok 73

Anyagok hőtechnikai tulajdonságai hőtágulási együttható • 40 (10 -6/Ko) fölött: polimerek • 4 -40 (10 -6/Ko) között: fémek, fémkerámiák, porcelán • 4 (10 -6/Ko) alatt: fa, gyémánt 74

Anyagok kopási tulajdonságai • A kopásállóság függ a koptató hatásnak kitett anyagpároktól és a kopás körülményeitől is (kenés, koptató részecskék a felületek között) • Az anyagok kopásállósága általában a keménységgel arányos, kiválóan kopásállóak a műszaki kerámiák 75

Anyagok korróziós tulajdonságai korróziós hatások • Oxidáció száraz levegőben; a fémek oxidációs hajlama: arany, réz, vas, titán. . . • Oxidáció nedves levegőben: a fémek az oxigén és víz hatására fémhidráttá alakulnak, pl. Fe(OH)2 • Elektrokémiai korrózió: függ az elektrokémiai potenciál különbségtől és a közegtől 76

Anyagok árarányai ötvözetlen acél = 1 arany volfrám alumínium ötvözetlen acél keményfa palló PVC epoxy gyanta ipari gyémánt 2820 98 4 1 1, 4 2, 6 15 1 000 77

Anyagok előállításához szükséges energia MWh/t Beton 0, 5 Acél 13 Alumínium 16 Réz 20 Műanyagok 25 Titán 40 78

Anyagok összehasonlítása két tulajdonság alapján (1) Szilárdság és sűrűség diagram: Legkedvezőbb szilárdság/sűrűség arány: fa Nagy szilárdság/közepes sűrűség: kerámiák, kompozitok Nagy szilárdság/nagy sűrűség: fémek 79

Anyagok összehasonlítása két tulajdonság alapján (2) Szilárdság és relatív költség diagram: Kedvező ár-nagy szilárdság kő, tégla, égetett kerámia Magas ár-nagy szilárdság műszaki kerámiák Közepes ár és szilárdság fémek, kompozit anyagok 80

Anyagok összehasonlítása két tulajdonság alapján (3) Szilárdság és energiatartalom diagram: Kis energia igényű/nagy szilárdság - fa, kő Nagy energia igény/nagy szilárdság – műszaki kerámiák 81

Anyagtulajdonságok Polimerek Kerámiák Kompozit anyagok 82

A polimerek áttekintése (1) • Anyagjellemzők: KIC közepes, Rp 0, 2 gyenge, E kicsi • Előnyök: jó korrózióállóság, jó alakíthatóság, kis sűrűség, kedvező Rp 0, 2/ρ arány • Hátrányok: kis merevség , gyenge hőállóság és alacsony kúszáshatár 83

A polimerek áttekintése (2) Hőre lágyuló polimerek • Lineáris vagy elágazásos szerkezet • Az üvegesedési hőmérséklet felett alakíthatók Hőre keményedő polimerek • A láncokat kereszt kapcsolatok kötik össze • Kikeményedés után nem alakíthatók 84

Hőre lágyuló polimerek Polietilének (1) • A nagy sűrűségű polietilén (HDPE) lineáris láncokat tartalmaz, szívóssága szobahőmérsékleten jó, korrózióállósága jó, UV sugárzásnak kevésbé ellenálló • Az alacsony sűrűségű polietilén (LDPE) elágazásos láncokat tartalmaz, szilárdsága, rugalmassági modulusa kisebb mint a HDPE 85

Polietilének (2) HDPE LDPE ρ (kg/m 3) 960 -970 915 -930 Rm (MPa) 22 -38 1 -16 E 0, 4 -1, 4 0, 12 -0, 3 (GPa) Alkalmazás: Palackok, játékok, csövek és idomok vízvezetékekhez, csomagoló fólia Tömítések, villamos szigetelő anyagok, konyhai eszközök 100 Co alatti használatra 86

Polivinilklorid • Szobahőmérsékleten megfelelő szilárdsága és merevsége van • Az épületekben használják csövek, ablak keretek anyagaként, a lágy PVC-t padlóburkoló anyagként, fóliának • Sűrűsége 1, 4 -1, 54 Mg/m 3, szakítószilárdsága 24 -62 MPa, rugalmassági modulusa 2, 4 -4, 1 GPa 87

Politetrafluoretilén (teflon) • Kiváló tulajdonságai vannak, szerkezete stabil, tökéletesen korrózióálló, kicsi a súrlódási együtthatója • Tömítések, csapágyak, bevonatok készítésére használják • Sűrűsége 2, 1 -2, 25 Mg/m 3, szakítószilárdsága 17 -28 MPa, rugalmassági modulusa 350 -620 MPa 88

Poliamidok • Részben kristályos szerkezetű, jól forgácsolható, kellően kopásálló, ellenáll az olajoknak • Fogaskerekek, szíjtárcsák, szivattyú járókerekek, siklócsapágyak anyaga • Sűrűsége 1, 08 -1, 12 Mg/m 3, szakítószilárdsága 80 -100 MPa 89

Polikarbonát • Átlátszó, alacsony hőmérsékleten is szívós, a poliamidok után a második legelterjedtebb polimer • Bukósisakok, lencsék, konyhai eszközök, sterilizálható gyógyászati eszközök, naptetők, lamináltan golyóálló „üvegek” • Szakítószilárdsága 60 -70 MPa, rugalmassági modulusa 2, 2 -2, 4 GPa, törési szívóssága 65 -85 J/m 2 90

Hőre keményedő polimerek Fenol alapú (fenol-formaldehid) • A legrégebbi hőre keményedő anyag, kemény, rideg, 150 Co-ig stabil, jó szigetelő, kémiailag ellenálló • Kapcsolók, villamos szerelvények, konyhai eszközök, burkolatok készülnek belőle • Sűrűsége 1, 25 -1, 3 Mg/m 3, nyomószilárdsága 160 -170 MPa, rugalmassági modulusa 5, 2 -7, 0 GPa, 91

Epoxi gyanták • A gyantát alkotó lánc keményítő adalék hatására kereszt kötésű lesz, zsugorodás nélkül alakul át • Kompozit anyagok alapanyagaként használatos, üvegszál vagy karbonszál erősítéssel • Szakítószilárdsága a szálerősítéstől függően 100 -1000 MPa lehet 92

Elasztomerek (műkaucsuk) • A lineáris láncok gombolyag formában vannak bennük, ezekből részben térhálós szerkezetet hoznak létre • A térhálósítást kén hozzáadásával létesítik, ez a vulkanizálás (gumiabroncs), a töltőanyag (pl. korom) a sűrűséget és szilárdságot növeli • Főbb változatai a poliuretán, szilikon és a gumi alapanyagok 93

Elasztomerek: poliuretán • Térhálós formában kopásálló, kedvező szilárdságú (30 -35 MPa), ezért tömítések gyártására használják • A habosított kemény poliuretán kedvező hőszigetelő, rezgéscsillapító – csövek szigetelésére, falak hangszigetelésére használják • A habosított lágy poliuretán bútor szivacsként, csomagolásra, könnyűipari anyagként használatos 94

Polimerek összehasonlítása a hőmérséklet függvényében T, Co PEtilén PAmid PVC Epoxi Szilikon -100 üüüeeee üüüüüü üüüeeee Ü: üvegszerű; V: viszkózus; 0 100 200 eeee H üüüeee. H üüüüüü e. H eeeeeeee vv. H E: elasztikus; H: használhatósági határ 95

Kerámiák • Anyagjellemzők: E, Rp 0, 2 nagy, KIC kicsi • Előnyök: nagy merevség, keménység, hő- és korrózióállóság, • Hátrányok: kis szívósság, gyenge hősokk tűrés, kedvezőtlen alakíthatóság 96

Kerámia anyagok csoportosítása (1) • Alkotók szerint: – Oxidkerámiák (pl. Al 2 O 3) – Vegyületkerámiák (pl. karbid, borid, nitrid) – Egyatomos kerámiák (pl. szén – gyémánt) • Gyártás szerint – Olvasztás (üveggyártás) – Hidrát kötés (cement) – Nedves formázás (agyag árúk) – Porkohászat (műszaki kerámiák) 97

Kerámia anyagok csoportosítása (2) • Szerkezet szerint: – Amorf (pl. üveg) – Kristályos (pl. bórnitrid) – Vegyes • Eredet szerint: – Természetes anyagok (pl. kő) – Mesterséges kerámiák (pl. sziliciumkarbid) 98

Oxidkerámiák: Üvegek • Alapanyagok: – üvegképzők: kvarchomok (Si. O 2) – folyósítók: nátrium oxid, kalcium oxid – stabilizátorok: alkáliföldfém karbonátok – hulladék üveg • Olvasztás kemencében 780… 800 Co-on • Alakítás: síküveg, öblösüveg, egyéb alak 99

Oxidkerámiák: Égetett kerámiák • Nyersanyag: agyag tégla, cserép, edények kaolin porcelán • Alkalmazás: – Tégla- és cserépipar – Háztartási eszközök – Dekoráció, dísztárgyak 100

Hidrátkerámiák: cementgyártás • Nyersanyag: mészkő és agyag • Előkészítés: őrlés, keverés • Kiégetés: 1300… 1500 Co-on, forgó kemencében ez a klinkerképződés • Aprítás: őrlés porrá ez a cement • Felhasználás: a cement vízzel keverve megköt, ez a legfontosabb építőipari alapanyag 101

Oxidmentes vegyületkerámiák • Keményfémek: magas olvadáspontú, nagy keménységű karbidok (WC, Ti. C, Nb. C) és nagy szívósságú, szilárdságú fémek (Co, Ni, Cr) porából készült termékek • Műszaki kerámiák: különféle vegyületekből porkohászati úton előállított termékek 102

Keményfémek (1) • Porkohászati úton készülnek, rendszerint lapka, vagy előírt alakú termék formájában • Fő alkotóik: WC: 57, 5… 91%; Ti. C: 18… 1% Ta. C: 1, 5… 7, 0%; Co: 9… 25%; • Főként forgácsoló lapkákhoz, húzógyűrűkhöz alkalmazzák nagy keménységük, kopásállóságuk miatt 103

Keményfémek (2) Néhány keményfém összetétele és tulajdonságai: WC% Ti. C% Ta. C% Co% HV Hajl. sz DA 20 57, 5 15, 0 7, 0 9, 0 1550 1400 MPa DA 40 77, 0 4, 0 8, 0 11, 0 1400 2000 MPa DR 10 91, 0 1, 2 1, 5 6, 3 1700 1400 MPa DG 50 75, 0 25, 0 800 2200 MPa 104

Műszaki kerámiák gyártása • Alapanyagok: – Műkorund (Al 2 O 3); Szilícium-karbid (Si. C); – Szilicium-nitrid (Si 3 N 4); Bór-karbid (B 4 C); • A gyártás folyamata: – Por előkészítés (őrlés, keverés) – Formázás, sajtolás – Zsugorító izzítás (szinterelés) – Végső megmunkálás 105

Műszaki kerámiák alkalmazása • Nagy hőigénybevételnek kitett szerkezeti elemek (belső égésű motor szelepek, sugárhajtómű fúvókák, …stb. ) • Erőteljes koptató hatásnak kitett szerkezetek (szerszámok, nagy hőmérsékleten működő súrlódó párok) • Kiemelten vegyszerálló alkalmazások 106

Egyatomos kerámiák • Gyémánt: – Természetes: bányásszák – Mesterséges: 3000 Co-on, 7500 MPa nyomáson szénből kristályosítják • Köbös bór-nitrid (CBN) – Csak mesterségesen állítható elő bór-nitrid ásványból – 1500 Co feletti hőmérsékleten, 8500 MPa nyomással képződik 107

Egyatomos kerámiák alkalmazása • Húzógyűrűk volfrám és egyéb nagy hőmérsékleten alakítható fémekhez (elsősorban mesterséges gyémántból) • Forgácsoló szerszámok: – A szerszám élére raknak fel vékony rétegben kis szemcséket – Nagy sebességű forgácsolás köbös bórnitriddel előnyösebb 108

Kerámiák összehasonlítása Kopásállóság Gyémánt Köbös bórnitrid Al 2 O 3 oxidkerámia Si 3 N 4 nitridkerámia Bevonatolt kerámiák Bevonatolt keményfémek Szívósság 109

Kompozit (társított) anyagok • Anyagjellemzők: kedvező KIC, Rp 0, 2, E állítható be • Előnyök: rugalmasan változtatható szilárdság, jó korrózióállóság, elfogadható alakíthatóság, kedvező Rp 0, 2/ρ arány • Hátrányok: költséges gyártás, kúszási hajlam egyes típusoknál 110

A kompozitok típusai Példák: • Szemcsés: pl. beton (cement + kavics) • Szálas: pl. üvegszálas poliészter (üvegszál + műgyanta) • Réteges: pl. Arall (alumínium és aramid lemezek) 111

Szálerősítésű kompozitok 112

Szálerősítésű kompozitok alapanyagai: szálak • Üvegszál: olvadt üvegből fokozatosan húznak 6… 12 μm átmérőjű szálakat, melyeket köteg, paplan vagy szövet formában hoznak forgalomba • Grafit (karbon) szál: különféle karbonláncú vegyületeket tartalmazó alapanyagok pirolízisével, nyújtásával hoznak létre a szálirányban összefüggő grafit kristályokat 113

Szálerősítésű kompozitok alapanyagai: hordozó (mátrix) • A hordozóanyagok különféle, rendszerint két komponensű, hőre keményedő műgyanták (pl. epoxi gyanta) • A műgyanta egyik komponense a folyékony polimer, amelyhez a térhálósító adalékokat hozzákeverve, majd a szálakat, töltőanyagokat bedolgozva kikeményítik 114

Szálerősítésű kompozitok jellegzetes példái • Leggyakrabban üveg- vagy karbon szál és műgyanta alapanyagból készülnek • Üvegszál erősítésű polimerek: GFRP: Glass Fiber Reinforced Polymer • Karbonszál erősítésű polimerek: CFRP: Carbon Fiber Reinforced Polymer • Legősibb szálerősítésű kompozit a vályog tégla volt (Mezopotámia, 5 -6000 éve) 115

Szálerősítésű kompozitok: a szálak körüli feszültség mező A szál és a hordozóanyag kötése egymáshoz (elérhető nyírófeszültség) A terhelés átadása a szál és a hordozóanyag között (adhéziós kötéssel) 116

Üvegszál erősítésű kompozitok tulajdonságai Üvegszál % Sűrűség Mg/m 3 Rm MPa E GPa Nyúlás % Epoxi 0 1, 2 60 2, 3 100 Epoxi 20 1, 35 110 6, 0 5 Epoxi 40 1, 52 160 11, 6 4 Epoxi 80 2, 08 560 28, 0 1, 6 Poliészter 50 2, 00 160 15, 9 1, 7 117

Alumínium alapú kompozitok tulajdonságai Szál anyaga Szál térfogat % Rm, MPa Ø 145 μm bórszál 45 1400 Ø 145 μm bórszál Si. C bevonattal 35 800 Ø 145 μm bórszál Si. C bevonattal Ø 100 μm bórszál 60 1400 20 500 Ø 100 μm bórszál nitridált bevonattal 55 1250 118

Szálerősítésű kompozitok: az Rm és E változása az orientáció függvényében 119

Fa alapú kompozitok: áttekintés 1. rétegelt lemez 2. farost lemez 3. pozdorjalap 4. Faforgácslap 5. OSB lap 6. parafa 120

Fa alapú kompozitok (1) • Rétegelt lemez (furnér lemez) – Vékony falemezeket kötőanyaggal egyesítenek – A szálirány 90 o-ban változó, emiatt az anizotrópia csökken, a szilárdság javul • Farost lemez – Rostjaira bontott faanyag és formaldehid gyanta keveréke – Préshengerléssel formázzák végső méretre 121

Fa alapú kompozitok (2) • Pozdorja lap – Kender és len szártöredék és hőre keményedő műgyanta alkotja – A masszát táblákká sajtolják • Faforgács lap – Szárított faforgácsot karbamid gyantával kötnek össze – Magas hőmérsékleten táblákká préselik és a felületeket csiszolják 122

Fa alapú kompozitok (3) • OSB lap – Irányított forgácsirányú falemez – rönkfából aprítanak rövid szalagokat, ezeket orientáltan helyezik el és gyantával összekötik – A lapokat nagy nyomáson, 215 Co hőmérsékleten sajtolják össze táblává • Parafa – Parafa granulátumból sajtolnak különböző termékeket 123