KURZUS: Anyagismeret

MODUL: A szerkezeti anyagok tulajdonságai és vizsgálatuk

1. lecke: Bevezetés

|  | Az anyag fogalma, a csoportosítás lehetőségei Ipari vagy szerkezeti anyagok fajtái Az anyag körforgása Az anyagok szerkezete, a részecskék elhelyezkedése Kötésfajták A kötésmód és a szerkezeti anyagok tulajdonságainak összefüggése
| A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti:
| értelmezni az anyag fogalmát felsorolni az anyagok csoportosítási lehetőségeit felsorolni a különböző halmazállapotokat definiálni az ipari vagy szerkezeti anyag fogalmát felsorolni és csoportosítani az ipari vagy szerkezeti anyagokat felsorolni és értelmezni az anyagok körforgásának főbb elemeit felsorolni és definiálni az anyagszerkezet típusait felsorolni és értelmezni a kötésfajtákat értelmezni a kötésmódok és az anyag tulajdonságok közötti összefüggést felsorolni a fémek és a kerámiák főbb tulajdonságait.

|  | Az anyag
|  | Az anyagot az ember nyeri ki a természetből és alakítja olyanná, ami az igényeknek leginkább megfelel.
|  | Az anyagok mindennapi életünk részei. A közlekedés, a háztartás az ipar, az öltözködés, az élelmezés mind-mind az anyagok valamilyen formáját használják. Az emberiség története szorosan összefügg az anyagok használatával, ismeretével. Ez tény a korai civilizációk elnevezésében is megjelenik (pl. kőkorszak, bronzkor stb.)
|  | A régi korok embere csak néhány anyagot ismert, használt. Ilyen volt a kő, a fa, az agyag a bőr és néhány fém. A folytonos fejlődés új anyagok, új fémek használatát eredményezte. A tulajdonságok megváltoztatására alkalmas módszerek megismerésével, alkalmazásával az anyagok igen széles skálája alakult ki. Különösen jelentős fejlődés volt megfigyelhető az elmúlt 100 évben.
|  | Az anyagok csoportosítása
|  | Az anyagok csoportosíthatók halmazállapot szerint:
|  | szilárd, folyékony, légnemű és plazma
1. ábra. Az anyagok halmazállapotai és állapotváltozása
|  | Az ábrán a négyféle halmazállapot figyelhető meg. Látható, hogy az egyes halmazállapotok között átmenet van pl. a folyadékból párolgással illetve forrással jut el az anyag a légnemű állapotba, illetve fagyással a szilárd állapotba stb.
|  | A szilárd anyagok térfogata és alakja meghatározott, az olvasztással előállított folyadék térfogata adott, de az alakja az edény alakjához igazodik. A gázoknak sem az alakja sem a térfogata nem meghatározott, kitöltik a rendelkezésre álló teret.
|  | A plazma állapot több szempontból is a gázokhoz hasonlít, de lényeges különbség az, hogy a plazma jól vezeti az elektromos áramot, míg a semleges aktiválatlan gázok nem.
|  | A plazmának két tartománya van:
|  | A technikai plazma kevéssé ionozált (az ionizáció mértéke kicsi), hőmérséklete 103-104 K nagyságrendű. Ez a gáz és a plazma közötti átmeneti állapot, azaz molekulák, atomok, ionok valamint elektronok keveréke. Ezt alkalmazzák pl. plazmahegesztés-, vágás - szórás esetén. A fizikai plazma (szinte) teljesen ionizált, hőmérséklete 107-108 K nagyságrendű. Valójában ez a negyedik halmazállapot, ami lehetővé tudja tenni a maghasadáson alapuló energia termelés radioaktív hulladéktól mentes alternatíváját, a magfúziós vagy termonukleáris reakciót. (jelenleg kísérleti stádiumban!)

|  | Az anyagok csoportosítása eredet szerint:
| szerves anyagok, polimerek természetes eredetűek pl. gumi, fa, bőr stb. mesterségesen előállított műanyagok szervetlen anyagok fémek, kerámiák, kompozitok
| Az anyagok csoportosítása felhasználás szerint:
| Létfenntartáshoz szükséges (élelmiszerek 23% stb.) Energia hordozók (31%) Ipari anyagok (46%)
2. ábra. Az anyagok csoportosítása felhasználás szerint

|  | Ipari anyagok, szerkezeti anyagok
|  | Ipari anyagoknak vagy szerkezeti anyagoknak a technikailag hasznos tulajdonságú anyagokat nevezzük. Az ipari anyagok lehetnek:
példák: fémek pl. edények, gépjármű karosszériák stb. kerámiák pl. tégla, finom porcelánok, üveg, hőálló burkolatok, kerámia szelepek, forgácsoló szerszámok stb. polimerek pl. PET palackok, zsugorfólia, bakelit villanykapcsolók, stb. kompozitok pl. üvegszállal erősített csónaktestek, vasbeton, többréteges üdítős dobozok, zománcozott lemezek stb. |  | Fémek Kerámiák Polimerek Kompozitok
|  | Az "ipari" anyagok relatív fontossága
3. ábra. Az ipari anyagok relatív fontossága az idő függvényében
|  | Figyelje meg az ábrán, hogy kezdetben a természetben megtalálható anyagokat használta fel az ember. A fém előállítási módszerek felfedezése (vasgyártás, öntöttvas, acélgyártás stb.) jelentősen növelte a fémfelhasználást, amely kb. az 1970-es években volt a legnagyobb.
|  | A polimerek felhasználásában az 1950-es évektől, a kerámiák esetében az 1960-as évektől, a műszaki kerámiák alkalmazásától figyelhető meg növekedés. Fokozatosan növekszik a kompozitok használata is.
|  | A szerkezeti anyagok kiválasztása
|  | A termékek előállításához az anyagokat a megfelelő műszaki funkcióhoz célzottan kell kiválasztani, azaz optimális módon figyelembe véve:
|  | Az anyag és energia felhasználást Minőséget Megbízhatóságot Gazdaságosságot Élettartamot Környezetvédelmi követelményeket
|  | Az anyagkiválasztás feltétele
4. ábra. Az anyag tulajdonságok és a tervezés kapcsolata

|  | Példa az ár, az elérhetőség és a megmunkálhatóság hatására
|  | Egy szerkezet, termék a legtöbb esetben többféle anyagból is elkészíthető. Az anyagkiválasztásnál figyelembe kell venni az anyag alkalmasságát (pl. terhelhetőség stb.), azt, hogy milyen anyagok állnak rendelkezésre (elérhetőség) hogyan lehet ezeket megmunkálni és nem utolsó sorban fontos az ár is. Erre láthatunk példákat az Ashby : Engineering Materials I. alapján. A képeken különböző korokból származó hidakat látunk Cambridge-ben.
Cambridge Queen's Bridge ("matematika híd") | 1/5
|  | Figyelje meg, hogy a XVIII századig főleg fából illetve kőből épültek a hidak. A XIX. Század elején öntöttvasat a végén már az acélgyártási eljárások kidolgozása lehetővé tette a lényegesen kedvezőbb acél alkalmazását. A XX. században pedig a legtöbb híd vasbeton.
|  | Az anyag körforgása
10. ábra. Az anyag körforgása
|  | A természetből, a Földből nyersanyagokat nyerhetünk. Azok átalakításával szerkezeti anyagokat, félkész termékeket, termékeket kapunk. A műszaki termékek előállításához szükséges szerkezeti anyagokat az előírt funkcióhoz célzottan kell kiválasztani, optimális módon figyelembe véve az anyag-és az energia felhasználást, a minőséget, a megbízhatóságot, a gazdaságosságot, az élettartamot, a környezeti körülményeket stb. Az anyagokból tervezést követő gyártással terméket állítunk elő, amelyeket használunk. A termékek előállítása során illetve az életciklus végén hulladékok keletkeznek. A hulladékok jelentős környezeti terhelést jelentenek, ezért illetve, hogy a fogyóban lévő természeti erőforrásokat kíméljük egyre nagyobb szerepet kapnak a hulladék technológiák.
Példák: Újrafelhasználás, újrahasznosítás pl. a szelektív hulladékgyűjtéssel begyűjtött PET palackok, fém italos dobozok Megsemmisítés pl. a legtöbb kompozit a kétféle anyag miatt nem dolgozható fel újra pl. szemétégetés Ártalmatlanítás a veszélyes anyagokat ártalmatlanítani kell pl. gyógyszergyártási melléktermékek, vegyszermaradékok, galvániszap stb. Végleges elhelyezés pl. a rádioaktív hulladékok |  | A termékek feladatuk teljesítése után hulladékká válnak. A hulladékot kezelni kell. Ez lehet: Újrafeldolgozás, újrahasznosítás Megsemmisítés Ártalmatlanítás Végleges elhelyezés

|  | Az anyagok szerkezete
|  | Az anyag kémiai módszerekkel tovább nem bontható elemi részekből, az atomokból áll.
|  | Az atom szerkezetének legegyszerűbb leírását a Bohr-féle atommodell adja.
|  | A szilárd testekben az atomok helyzete háromféle lehet:
a) ábra: SiO2, a Si és O atomok nem szabályosan helyezkednek el a térben pl. üveg, a legtöbb kerámia, a hőre nem lágyuló polimerek stb. b) ábra: az anyagot felépítő részecskék, atomok a térben meghatározott geometriai rendben helyezkednek el ilyenek pl. a fémek, a gyémánt stb. c) ábra: az amorf anyagban szabályozott elhelyezkedésű részek alakíthatók ki pl. PET palackok anyaga |  |
11. ábra. Az anyagok szerkezete
a) Amorf | 1/3
|  | A szilárd testek atomjai közötti kapcsolat a kötés két-két részecske közötti kölcsönhatás eredménye.
|  | A kölcsönhatás:
|  | mindkét atom magja vonzza a másik elektronjait a két atom elektronjai taszítják egymást az atom magok taszítják egymást

|  | Kötésfajták
ionos pl. konyhasó NaCl kovalens pl. a gyémánt fémes pl. a fémek molekulaközi pl. hőre lágyuló polimerek PE, PVC stb. hidrogénkötés pl. víz |  | Elsődleges vagy primer kötés ionos kovalens fémes Másodlagos, gyenge molekulaközi Van der Waals hidrogénkötés
|  | Elsődleges vagy primer kötés → Ionos kötés
|  | Pl. a NaCl (konyhasó)
12. ábra. Ionos kötés
13. ábra. Az atomok elhelyezkedése az ionos kötésű NaCl-ban (konyhasó)
|  | Az ionos kötés akkor jön létre, ha az egyik elemnek elektron feleslege, a másik elemnek pedig elektron hiánya van zárt nemesgáz konfigurációhoz képest.
|  | Ilyenkor az első elem elektront ad le és ezáltal pozitív ionná alakul, a másik elem pedig a felvett elektronnal negatív ionná válik. A kötőerő a pozitív és a negatív töltésű ion közötti elektrosztatikus vonzóerő.
|  | Vegye észre az ábrán, hogy a nátrium (Na) átadja elektronját (vegyértékelektron) a klórnak (Cl).
|  | Ha villamos feszültséget kapcsolunk az ionos kötéssel kapcsolódó anyagra, ionoknak kellene elmozdulni. Az ionok mozgása lassú az erős kötés és a nagy méretek miatt, ezért az ilyen anyagok villamos vezetőképessége kicsi. Az ionos kötéssel rendelkező anyagok ridegek, nem alakíthatók, mert a deformáció során pozitív ion alá pozitív, negatív alá negatív kerülne és ezek taszítják egymást, így az elmozdulás nem jön létre.
|  | Elsődleges vagy primer kötés → Kovalens kötés
14. ábra. Kovalens kötés
|  | A kovalens kötés azonos fajtájú elemek között keletkezik. A nemes gáz konfiguráció elérése érdekében a legközelebbi szomszédok között közös (vegyérték) elektron párok jönnek létre, azaz az elektronok mind a két elemhez tartoznak. Jellegzetes példája a metán CH4. A C atomnak 4 elektronja van a külső pályán, a hidrogénnek 1. Ha a C és 4 db H összekapcsolódik 4x2 elektron pár jön létre, ezzel a H zárt pályát biztosító 2 illetve a C 8 elektronja teljesül. Hasonlóképpen kovalens kötéssel kapcsolódnak a C atomok a gyémántban is
|  | A kovalens kötés erősen irányított. A kristályok erő hatására nem alakíthatók, hanem ridegen törnek. Mivel az elektronok mozgási tartománya igen kicsi tiszta állapotban az elektromos áramot nem vezetik, szigetelők.
|  | Elsődleges vagy primer kötés → Fémes kötés
Fémek pl. vas, réz, alumínium arany stb. |  | pl. fémek
15. ábra. Fémes kötés
|  | A fémeket alkotó atomokat a fémes kötés tartja össze. A fémek esetében a külső elektronpályán kevés számú un. vegyérték elektron van. A fématomok leadják a zárt héjon felüli elektronjaikat. De mivel a kapcsolódásban azonos típusú atomok vesznek részt az elektronok nem találnak olyan atomokat melyek le tudnák kötni őket. A rácsból nem távozhatnak el, hiszen ez megbontaná a pozitív - negatív egyensúlyt. Ezért a leadott elektronok ún. szabad elektron felhőt alkotva, egyaránt tartoznak a kristály valamennyi atomjához, pontosabban ionjához. A szabad elektron felhő elektronjai szabadon mozoghatnak, mozgásuk csak kismértékben függ az iránytól. Ez eredményezi a fémek jó hő és villamos vezető képességét. A kristályban rendszertelenül mozgó elektronok elektromos tér hatására a tér irányába mozoghatnak és így töltéseket továbbítanak. A fémek képesek maradó alakváltozásra, a részecskék el tudnak mozdulni (az atomsíkok egymáson elcsúszni), hiszen az atomoknak közömbös, hogy melyik a szomszédjuk.
|  | Gyenge, mellékvegyérték kötések → Molekulaközi kötés (Van der Waals kötés)
Pl. szerves anyagok, műanyagok PVC, PE stb. |  |
16. ábra. Van der Waals kötés
|  | A leggyengébb kötés. Belső töltés polarizáció (a molekula egyik részén a pozitív másik részén a negatív jelleg érvényesül). A szomszédos atomok, vagy molekulák úgy helyezkednek, hogy a pozitív és negatív részek a vonzerő miatt egymáshoz kapcsolódnak.
|  | A kötés csak igen kis hőmérsékleten stabil, a gyenge erőket már nagyon kis hő mozgás is le tudja győzni.

|  | A kötésmód és a szerkezeti anyag közötti összefüggés
17. ábra. A kötésmód és a szerkezeti anyag közötti összefüggés
|  | Az ábrán megfigyelhető, hogy a fémes kötés elsősorban a fémekre, az ionos a kerámiákra, míg a szerves anyagoknál a kovalens és az adszorpciós (Van der Waals) kötés a jellemző. Az összetett anyagok (kompozitok) minden anyagcsoportból keletkezhetnek, így mindenfajta kötésmód megtalálható.
|  | Szerkezeti anyagok
|  | szerves anyagok, polimerek természetes eredetűek pl. gumi, fa, bőr stb. mesterségesen előállított műanyagok szervetlen fémek, kerámiák, kompozitok
|  | Szerves anyagok, polimerek
|  | A tulajdonságuk elsősorban a szerkezetüktől függ. Lehetnek:
|  | hőre lágyuló termoplasztok, hőre nem lágyuló duroplasztok műkaucsukok vagy elasztomerek
|  | De általában:
|  | könnyűek, kis sűrűségük van rossz hő- és elektromos vezetők korrózió állóak
|  | Fémek
|  | kristályos szerkezetűek, kiváló hő- és elektromos vezetők fémes fényűek képlékenyen alakíthatók terhelhetőséggel, szilárdsággal rendelkeznek pl. hidak stb. készítésére alkalmasak. (Pl. az alumínium fólia vagy a hajszálnál is vékonyabb rézhuzalok stb.)
|  | Kerámiák
- legtöbb kerámia amorf szerkezetű - a forró üveg hideg víz hatására elreped (kis hősokk állóság) - az ionos és a kovalens kötés nagyon erős, irányított, nincs mód alakváltozásra |  | Szerkezetük rövid távon rendezett, Rossz hő- és elektromos vezetők nagy a villamos ellenállásuk, az ellenállás a hőmérséklet növelésével általában csökken nagy hőállósággal rendelkeznek Kis hősokk állóság Kemények ridegek
|  | Kompozitok
|  | Az előző csoportok felhasználásával
- szemcsés pl. a beton a vízzel kevert cementbe (ez az alap az un. Mátrix) kavics a második részecske - laminált pl. a több rétegű rostos üdítős vagy tejes dobozok, vagy a rétegelt bútorlap - szálerősített pl. üvegszállal erősített csónak testek, kordszállal és acélszállal erősített autógumi stb. |  | szemcsés, laminált, szálerősített,
|  | tervezett felépítésű anyagok.
|  | Tulajdonságaik jelentősen függnek az alkotók tulajdonságaitól, és a kompozit szerkezetétől.

|  | Ellenőrző kérdések
| Válassza ki az egy helyes megoldást!
| 1. Mi jellemzi az ionos kötést, milyen anyagoknál gyakori?
| erősen pozitív és erősen negatív elemek között jön létre, mert a pozitív elemnek elektron hiánya, a negatív elemnek elektron feleslege van a nemesgáz konfigurációhoz képest. Az egyik elem a másiknak átadja elektronját. A kerámiáknál
| erősen pozitív és erősen negatív elemek között jön létre, mert a pozitív elemnek elektron feleslege, a negatív elemnek elektron hiánya van a nemesgáz konfigurációhoz képest. Az elemek megosztják az elektronokat. A fémeknél.
| erősen pozitív és erősen negatív elemek között jön létre, mert a pozitív elemnek elektron feleslege, a negatív elemnek elektron hiánya van a nemesgáz konfigurációhoz képest. Az egyik elem a másiknak átadja elektronját. A kerámiáknál.
| erősen pozitív és erősen negatív elemek között jön létre, mert a pozitív elemnek elektron hiánya, a negatív elemnek elektron feleslege van a nemesgáz konfigurációhoz képest. Az egyik elem a másiknak átadja elektronját. A polimereknél.
| 2. Mi jellemzi a kovalens kötést?
| azonos fajtájú elemek között jön létre, a szomszédos atomok megosztják az elektronokat, nem irányított, gyenge kötés
| azonos fajtájú elemek között jön létre, a szomszédos atomok megosztják az elektronokat, irányított, erős kötés
| pozitív fém atomok és a negatív elektronok között jön létre úgy, hogy a szomszédos atomok megosztják az elektronokat, irányított, gyenge kötés
| pozitív fém atomok és a negatív elektronok között jön létre úgy, hogy a szomszédos atomok megosztják az elektronokat, irányított, erős kötés.
| 3. Mi jellemzi a fémes kötést?
| A rácspontokon pozitív ionok vannak a vegyérték elektronok szabadon mozoghatnak, gyenge kötés.
| A fématomok elektronokkal kapcsolódnak egymáshoz, erős kötés
| A rácspontokon pozitív ionok vannak a vegyérték elektronok szabadon mozoghatnak, irányított erős kötés.
| A rácspontokon pozitív ionok vannak a vegyérték elektronok szabadon mozoghatnak, erős kötés.
| 4. Mi jellemzi a molekulaközi Van der Waals kötést?
| azonos fajtájú elemek között jön létre, a szomszédos atomok megosztják az elektronokat, nem irányított, gyenge kötés
| azonos fajtájú elemek között jön létre, a szomszédos atomok megosztják az elektronokat, irányított, erős kötés
| a belső töltéspolarizáció következményeként kialakuló vonzásból eredő erős kötés
| a belső töltéspolarizáció következményeként kialakuló vonzásból eredő gyenge kötés
| 5. Mi jellemzi a fémeket?
| kristályos szerkezet, rossz hő-és villamos vezetőképesség
| kristályos szerkezet, jó hő-és villamos vezetőképesség
| részben kristályos szerkezet, jó hő-és villamos vezetőképesség
| amorf szerkezet, jó alakíthatóság
| 6. Mi jellemzi a legtöbb kerámiát?
| Szerkezet rövidtávon rendezett, jól alakítható, hőálló
| Kristályos szerkezet, jó alakíthatóság, jó hősokk állóság
| Szerkezet rövidtávon rendezett, rideg, jó hősokk állóság
| Szerkezet rövidtávon rendezett, rideg, kis hősokk állóság