Szerkezeti anyagok

1. Szerkezeti anyagok Nem fémes szerkezeti anyagok

2. Nem fémes anyagok A nem fémes szerkezeti anyagok csoportosítása

3. A nem fémes szerkezeti anyagokat két csoportba oszthatjuk. Ezek: • szerves nem fémes szerkezeti anyagok vagy polimerek • a szervetlen nem fémes szerkezeti anyagok vagy kerámiák

4. Szerves nem fémes szerkezeti anyagok vagy polimerek A polimerek óriásmolekulákból felépülő szerves eredetű anyagok. Lehetnek: • természetes és • mesterséges polimerek azaz műanyagok

5. Természetes eredetű polimerek A természetes eredetű polimerek olyan kémiai vegyületekből állnak, melyeket organizmusok állítanak elő. Legfontosabbak: • a fa és a faszerkezeti anyagok, • a bőr • a rostok.

6. Fa és fa szerkezeti anyagok • A fa természetes összetett anyag, amely cellulózrostokból és kötőanyagból ( lignin) áll. Mikroszkópos szerkezetét a hosszan elnyújtott, cső alakú, egymással kapcsolatban lévő szállító sejtek jellemzik.

7. Fa és fa szerkezeti anyagok A fatörzs három jellegzetes metszete: • a sugármetszet • a húrmetszet • bűtűmetszet

8. Fa és fa félgyártmányok A fa félgyártmányok makroszerkezetét rendszerint forgácsolással kialakított alak, méretek és felületminőség eredményezi

9. Faanyagok tulajdonságai A fa erősen anizotróp és inhomogén. A szálirányú és arra merőleges igénybevehetőség 8-30 szoros különbséget mutathat. A fának kicsi a sűrűsége. Szilárdsága jelentősen függ az igénybevétel irányától. Vízfelvételre hajlamos, mechanikai tulajdonságai függnek a víztartalomtól.

10. A fa tulajdonságai Szakítószilárdsága mintegy kétszerese nyomószilárdságának. A hossz és a keresztirányú értékek jelentős eltérést mutatnak.

11. „Nemesített fatermékek” • a fa természetes anizotrópiáját rostirányban keresztezett rétegek összeragasztásával lehet megszüntetni. Lehet rétegelt fa vagy furnér, több egymáshoz enyvezett faréteg

12. „Nemesített fatermékek” • Bútorlap • farostlemez, amely a többfokozatban őröl fából nedves vagy száraz eljárással készült lemez, vagy forgácslemez, amely faforgácsból műgyanta kötőanyag felhasználásával állítanak elő

13. Rostok A rostok hosszirányban elnyújtott kis keresztmetszetű anyagok, amelyeknek molekulái, vagy alkotó részei párhuzamos elrendezésűek, és ezért jó a hajlító és a szakítószilárdságuk. • Lehetnek • természetes növényi rostok, • állati , • és selymek • mesterséges rostok pl. cellulóz , fehérje

14. Bőr • A bőr a gerinces állatok kültakarója, amely három fő rétegből áll, a hámból, az irhából és a hájashártyából. A bőrfeldolgozás szempontjából a bőr vastag kb. 85-88%-át kitevő irharétegnek van jelentősége. • Az iparilag feldolgozott bőr cserzéssel és kikészítéssel (pl. hengerléssel, zsírozással, impregnálással) készítik.

15. Papír • A papír növényi rostokból filcesítéssel, ragasztással és préseléssel előállított lapos szerkezeti anyag. • Alapanyaga a fa csiszolása utján nyert faköszörület és a fa kémiai feltárásával nyert cellulóz. Felhasználnak újrahasznosított papír és rongyhulladékot is.

16. Papír • Töltőanyagokkal (pl. titánoxid vagy kaolin) és enyvező anyagokkal a fehérségi fok, a felületi minőség befolyásolható. • Az alap és a töltőanyagokból vizes szuszpenziót készítenek, aminek a kiszáradása folyamán a benne lévő rostok filcesednek és ezután a cellulóz OH csoportjainak közvetítésével szilárdan összekötődnek. • A papír folyadékkal szembeni ellenállás műgyanta, enyv, keményítő hozzáadásával javítható

17. Mesterséges polimerek, műanyagok • A műanyagok mesterséges úton előállított szerves vegyületek. • Az óriásmolekulákat (polimereket) kismolekulákból az un. monomerekből állítják elő • polimerizációval, • polikondenzációval vagy • poliaddícióval,

18. Mesterséges polimerek, műanyagok előállítása • A polimerizáció során a monomerek kettőskötéseinek aktiválásával létrehozott reakcióképes vegyértékek hozzák létre a polimert. pl. CH2 = CH2 az etilén a polietilén PE alapanyaga. • A polimerizációval láncmolekulás szerkezet alakul ki. Így állítják elő pl. a polipropilént PP, a polivinilcloridot PVC, a polisztirolt PS. a politetrafluoretilent a PTFE stb.

19. Mesterséges polimerek, műanyagok előállítása • A polikondenzáció estében a monomerek melléktermék legtöbbször víz képződés mellett kapcsolódnak össze. pl. a poliamid. PA, a polikarbonát PC stb. • A poliaddicióban a kapcsolódást funkciós csoportok hozzák létre. pl. poliuretán, PUR, epoxigyanták stb.

20. A műanyagok szerkezete és termikus viselkedéseHőre lágyuló, termoplasztok • Ha csak egy irányban a szál irányában van elsődleges, vegyérték kapcsolat a szálak egymáshoz laza molekulák közötti erőkkel (Van der Waals) kapcsolódnak. Ezek a másodlagos kötések a hőmérséklet hatására felszakadnak, a műanyag meglágyul. Lehetnek • amorf • részben kristályos szerkezetűek

21. Hőre lágyuló termoplaszt amorf Részben kristályos

22. Elasztomerek • A térben ritkán hálósodott polimereket rugalmas műanyagoknak, elasztomereknek nevezik. A főlánc néhány száz atomjára egy keresztkötés jut, így lehetővé válik az egész polimerháló mozgása. Ennek eredményeként a műanyag rugalmas. Pl. PUR, szilikon, sztirolbutadien gumi

23. Duroplasztok • Ha az óriásmolekulák minden irányban valódi vegyérték kötéssel kapcsolódnak egymáshoz, a térben három dimenziós háló alakul ki. Ezt térhálós szerkezetnek nevezzük. Az ilyen anyagok hővel szembeni viselkedése irreverzibilis.

24. Viszkoelesztikus viselkedés A feszültség-deformáció kapcsolat eltér a fémekétől Jellemzi: a feszültség-nyúlás kapcsolata nem lineáris • függ a hőmérséklettől • a terhelési szinttől • az igénybevétel időtartamától

25. Eltérések a fémek és a műanyagok között A meghatározott értékeket befolyásolja: • az alakváltozás sebessége • a nedveségtartalom • a hőmérséklet

26. Viszkoelesztikus viselkedés Adott igénybevétel hatására kialakuló alakváltozás: ö= r+ k+ m r pillanatnyi rugalmas k késleltetett rugalmas m maradó alakváltozás

27. Összes alakváltozás az idő függvényében

28. Az egyes deformációkomponensek egymáshoz viszonyított részaránya A deformáció-komponensek részaránya függ a terhelési szinttől!

29. A viszkoelesztikus viselkedés következménye • Kúszás • relaxáció A tervezőknek tehát figyelembe kell venni a terhelés időtartamát is!

30. Kúszás Az alakváltozás sebessége a terhelés a hőmérséklet függvénye!

31. Relaxáció Ugrásszerű megnyúlást létrehozva, majd állandó értéken tartva a próbatestben ébredő feszültség monoton csökken

32. Kerámia • Kerámiának nevezünk, minden ember által készített szervetlen anyagot, amely nem fém és nem szerves. • A fémektől a kerámiák elsősorban abban különböznek, hogy a részecskék között kovalens vagy ionos kötés van.

33. A kerámiák általános tulajdonságai 1 • kis sűrűség • nagy olvadáspont • nagy keménység és kopásállóság • nagy nyomószilárdság • ridegség, törékenység • nagy melegszilárdság és korrózióállóság

34. A kerámiák általános tulajdonságai 2 • nagy kémiai stabilitás • nagy villamos ellenállás ( szigetelők) • a villamos vezetőképesség nő vagy speciálisan változik a hőmérséklettel • kis hősokk állóság, de pl. a SiN kivétel • magas ár

35. Kerámia anyagok csoportosítása (1) • Alkotók szerint: • Oxidkerámiák (pl. Al2O3) • Vegyületkerámiák (pl. karbid, borid, nitrid) • Egyatomos kerámiák (pl. szén – gyémánt) • Gyártás szerint • Olvasztás (üveggyártás) • Hidrát kötés (cement) • Nedves formázás (agyag árúk) • Porkohászat (műszaki kerámiák)

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

37. Kerámia anyagok csoportosítása(3) • Tisztaság szerint: • Hagyományos kerámia tömegáru (téglától a fajanszig) • Jellemző: mérsékleten érzékeny a szennyezésre • Finomkerámiák (porcelánok, szigetelők, speciális üvegek) • Jellemző: fokozott tisztasági igények

38. Kerámiák

39. Kerámia anyagok csoportosítása(3) • Tisztaság szerint: • Műszaki kerámiák • pl.szerszámok, chip gyártás, Előírás:igen nagy tisztaság • nagy tisztaságban előállított elemekből, alkotókból gyártják • mivel ridegek nagyon érzékenyek a belső hibákra

40. Egyatomos kerámiák • a színállapotban használható karbont • grafitpl. elektródák, tégelyanyagok stb. • gyémántpl. ékszerek, szerszámok, a karát 0,2 g tömegegység • de ide tartoznak a félvezető gyártás alanyagai az egykristályos alakban előállított szilícium és germánium

41. Oxidmentes vegyületkerámiák Tulajdonságok: • nagy keménység • nagyon magas az olvadáspontjuk. Keménységüket magas hőmérsékleten is megtartják. Lehetnek: nitridek, karbonitridek, boridok. Ide sorolhatjuk a porkohászati úton előállított keményfémeket is .

42. Oxidmentes vegyületkerámiák Felhasználás: • szerszámanyagokként pl. Vágóélek • Bevonatokat is készítenek belőlük

43. Nitrid és karbidkerámiák • titánnitrid (felületi bevonat), • köbös bórnitrid amely nagysebességű forgácsoló szerszámanyag mivel nem lép reakcióba a fémmel. • szilícium nitridek Si3N4 a legnagyobb szilárdságú, viszonylag ütésálló, kopásálló, hősokkálló kerámia. Ezen tulajdonságai miatt a járműiparban hengerbélés, dugattyúcsap, turbófeltöltő kerék, előégető-ill. örvénykamra anyaga lehet.

44. Nitrid és karbidkerámiák • SIALON (pl. Si3Al3O3N5) tulajdonságai a szilíciumnitridhez hasonlók, többek között izzólámpák szálainak húzására alkalmas szerszámok anyaga. • A szilíciumkarbid (SiC) különlegesen kemény, csiszolóanyag, de készítenek belőle szilitrudakat is.

45. Műszaki kerámiák

46. Műszaki kerámiák

47. Oxidkerámiák • Az oxidkerámiák alapanyaga alumíniumoxid, cirkóniumoxid, titánoxid, magnéziumoxid és berilliumoxid. • Alkalmazási területük a tűzálló anyagoktól a kémiai ill. mechanikai hatásnak kitett anyagok, szigetelő anyagok, vágószerszámok, csiszolóanyagok és orvosi implantátumok.

48. Műszaki oxidkerámiák A szinterezett műszaki oxidkerámiák négy csoportba oszthatók: • Alumíniumoxid vagy műkorund (Al2O3). Nagy keménységű forgácsolószerszámok anyaga, nagy hővezetőképességű és viszonylag olcsó

49. Műszaki oxidkerámiák 2 • Cirkóna vagy cirkóniumoxid (ZrO2). Erős koptatóhatásnak kitett szelepekhez, fúvókákhoz, csapágyakhoz, szerszámokhoz használják. Termikusan stabil, hősokk álló.

50. Műszaki oxidkerámiák 3 • magnézium oxid MgO (2800 C ) • Az Al2O3-hoz 2050 C és a ZrO2-hoz(2690C) képest még nagyobb olvadási hőmérsékletű), • a MgO a ZrO2-hoz adagolva részleges stabilitást eredményez, azaz akadályozza a ZrO2 termékek hőmérséklettől függő átalakulását és az ebből adódó térfogatváltozást.