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

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

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

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

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

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)

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

Tervezési szempontok kapcsolata Alak Funkció Megmun-kálás Anyag

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

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

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

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

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

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

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

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

Teljes anyagtérfogatra ható igénybevételek Húzó Nyomó Hajlító Nyíró Csavaró Hajlítás Húzás Csavarás

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

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

A legfontosabb igénybevételek (térfogatra és felületre hatók) Statikus terhelés Dinamikus terhelés Fárasztó igénybevétel Hőmérsékleti hatások Kopás Korróziós hatás Egyéb igénybevételek

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 / So F F

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)

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)

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

Az igénybevételek és az anyag-jellemzők kapcsolata a méretezéssel Méretezési összefüggések A szerkezet méreteinek meghatározása

1. Anyagjellemzők statikus terhelésre Folyáshatár (Rp0,2; REH) Szakítószilárdság (Rm) Rugalmassági modulus (E)

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

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

4. Hőmérsékleti hatások Hőállóság Reológiai tulajdonságok Kúszáshatár (T) Időszilárdság (t) Hővezető képesség () Hősokk, hőfáradás állóság (NT1mm; ΔTmax)

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

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

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

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

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

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

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

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

A tervezési módszerek részletes elemzése Tervezési szempontok Optimalizálási módszerek

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

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

Az alak (méretek) és az anyag-tulajdonságok figyelembe vétele Műszaki szempontok Minimális tömeg Optimális alak Több szempont egyidejű mérlegelése Gazdaságossági szempontok Minimális költség Esztétikai megjelenés, tetszetősség

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

Méretezés minimális tömegre és maximális merevségre Hajlítás koncentrált erővel: m minimális, ha (E1/2/ρ) maximális Hajlítás megoszló terheléssel: m minimális, ha (E1/2/ρ) maximális

Méretezés minimális tömegre és maximális szilárdságra Megengedett szilárdság: m=Rp0,2/n (n: biztonsági tényező) Húzás: m minimális, ha (m/ρ) maximális Hajlítás koncentrált erővel: m minimális, ha (m2/3/ρ) maximális Hajlítás megoszló terheléssel: m minimális, ha (m1/3/ρ) maximális

Példa: anyagjellemzők a minimális tömeg választásához Anyag fajta E/ρ Rp0,2/ρ Fa 20…30 120…170 Alumínium 25 180 Lágyacél 26 30 Beton 15 3 Az E/ρ érték (merevségi optimum) közel azonos Az Rp0,2/ρ (szilárdsági optimum) jelentősen különbözik, legkedvezőbb az alumínium és a fa

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; Rp0,2 – ρ; E - Rp0,2; KIC – E; …stb

Példa: anyag kiválasztási diagramok (2) E, GPa 1000 Műszaki kerámiák 100 E/ρ=C Fémötvözetek Fa 10 Kompozitok 1 Polimerek 0,1 0,1 1 10 ρ, Mg/m3

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

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

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

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

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

Méretezés optimális alakra Példa: hajlított tartó (2) Közepes átmérő Falvastagság Teherbírás Külső Ø=10 mm Tömör rúd 100% 8,33 mm 3 mm 130% 12,5 mm 2 mm 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)

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

Példa: szerszámacélok kiválasztása több kritérium alapján (1) Szerszámacélok választéka: A1…A4 jelű acélok Megfelelőségi mutatók: M1: Kopásállóság M2: Forgácsolhatóság M3: Korrózióállóság M4: Polírozhatóság M5: Méretstabilitás

Példa: szerszámacélok kiválasztása több kritérium alapján (2) M1 kopás 6 7 9 10 M2 forg. 5 M3 korr. 3 8 M4 polír. M5 méretst 33 40 35 34 Sorrend: A2, A3, A4, A1 jelű acélok

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 2x-es, korrózióállóság 3x-os szorzóval vehető figyelembe az adott helyzetben

Példa: szerszámacélok kiválasztása több kritérium alapján (4) M1 kopás 12 14 18 20 M2 forg. 7 5 M3 korr. 9 24 M4 polír. 10 8 M5 méretst 54 63 52 50 Sorrend: (korábbi) A2, A3, A4, A1 (jelenlegi) A2, A1, A3, A4

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

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

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

Anyagtulajdonságok Általános jellemzés

A szerkezeti anyagok típusai és tulajdonságaik - fémek Anyagjellemzők: E, KIC nagy, Rp0,2 közepes Előnyök: közepesnél nagyobb merevség, szívósság, jó alakíthatóság, hősokkal szembeni ellenállás Hátrányok: gyenge hő- és korrózióállóság, kerámiáknál kisebb keménység

A szerkezeti anyagok típusai és tulajdonságaik - kerámiák Anyagjellemzők: E, Rp0,2 nagy, KIC kicsi Előnyök: nagy merevség, keménység, hő- és korrózióállóság, Hátrányok: kis szívósság, gyenge hősokk tűrés, kedvezőtlen alakíthatóság

A szerkezeti anyagok típusai és tulajdonságaik - polimerek Anyagjellemzők: KIC közepes, Rp0,2 gyenge, E kicsi Előnyök: jó korrózióállóság, jó alakíthatóság, kis sűrűség, kedvező Rp0,2/ρ arány Hátrányok: kis merevség , gyenge hőállóság és alacsony kúszáshatár

A szerkezeti anyagok típusai és tulajdonságaik - kompozitok Anyagjellemzők: kedvező KIC, Rp0,2, E állítható be Előnyök: rugalmasan változtatható szilárdság, jó korrózióállóság, elfogadható alakíthatóság, kedvező Rp0,2/ρ arány Hátrányok: költséges gyártás, kúszási hajlam egyes típusoknál

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

Anyagok tulajdonságai sűrűség 10 Mg/m3 fölött: nehézfémek, keményfémek 2-10 Mg/m3 között: könnyű és színes fémek, acél 2 Mg/m3 alatt: polimerek

Statikus terhelési jellemzők szakítószilárdság 2000 MPa fölött: üveg, bór szálak 200-2000 MPa: fémek többsége, kerámiák, üveg-szálas kompozitok 200 MPa alatt: könnyűfémek, poli-merek, porcelán

Statikus terhelési jellemzők rugalmassági modulus 300 GPa fölött: néhány fém, Al2O3, karbidok, gyémánt, fémkerámiák 10-300 GPa között: fémek, üveg, porce-lán, kompozitok 10 GPa alatt: fa, polimerek

Dinamikus terhelési jellemzők törési szívósság 100 MN/m3/2 fölött: acélok 10-100 MN/m3/2 között: Al, Ti, kompozitok 10 MN/m3/2 alatt: polimerek, fa, üveg

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Polimerek Kerámiák Kompozit anyagok Anyagtulajdonságok Polimerek Kerámiák Kompozit anyagok

A polimerek áttekintése (1) Anyagjellemzők: KIC közepes, Rp0,2 gyenge, E kicsi Előnyök: jó korrózióállóság, jó alakíthatóság, kis sűrűség, kedvező Rp0,2/ρ arány Hátrányok: kis merevség , gyenge hőállóság és alacsony kúszáshatár

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

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

Polietilének (2) HDPE LDPE ρ (kg/m3) 960-970 915-930 Rm (MPa) 22-38 1-16 E (GPa) 0,4-1,4 0,12-0,3 Alkalmazás: Palackok, játékok, csövek és idomok vízvezetékekhez, csomagoló fólia Tömítések, villamos szigetelő anyagok, konyhai eszközök 100 Co alatti használatra

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/m3, szakítószilárdsága 24-62 MPa, rugalmassági modulusa 2,4-4,1 GPa

Politetrafluoretilén (teflon) Kiváló tulajdonságai vannak, szerkezete stabil, tökéletesen korrózióálló, kicsi a súrlódási együtthatója Tömítések, csapágyak, bevonatok készítésére használják Sűrűsége 2,1-2,25 Mg/m3, szakítószilárdsága 17-28 MPa, rugalmassági modulusa 350-620 MPa

Poliamidok Részben kristályos szerkezetű, jól forgácsolható, kellően kopásálló, ellenáll az olajoknak Fogaskerekek, szíjtárcsák, szivattyú járókerekek, siklócsapágyak anyaga Sűrűsége 1,08-1,12 Mg/m3, szakítószilárdsága 80-100 MPa

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/m2

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/m3, nyomószilárdsága 160-170 MPa, rugalmassági modulusa 5,2-7,0 GPa,

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

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

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

Polimerek összehasonlítása a hőmérséklet függvényében T, Co -100 100 200 PEtilén üüüeeee eeeeeeee H PAmid üüüüüü üüüeeH PVC üüüeeeH Epoxi eH Szilikon vvH Ü: üvegszerű; E: elasztikus; V: viszkózus; H: használhatósági határ

Kerámiák Anyagjellemzők: E, Rp0,2 nagy, KIC kicsi Előnyök: nagy merevség, keménység, hő- és korrózióállóság, Hátrányok: kis szívósság, gyenge hősokk tűrés, kedvezőtlen alakíthatóság

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)

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

Oxidkerámiák: Üvegek Alapanyagok: Olvasztás kemencében 780…800 Co-on üvegképzők: kvarchomok (SiO2) folyósítók: nátrium oxid, kalcium oxid stabilizátorok: alkáliföldfém karbonátok hulladék üveg Olvasztás kemencében 780…800 Co-on Alakítás: síküveg, öblösüveg, egyéb alak

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

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

Oxidmentes vegyületkerámiák Keményfémek: magas olvadáspontú, nagy keménységű karbidok (WC, TiC, NbC) és nagy szívósságú, szilárdságú fémek (Co, Ni, Cr) porából készült termékek Műszaki kerámiák: különféle vegyületekből porkohászati úton előállított termékek

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

Keményfémek (2) Néhány keményfém összetétele és tulajdonságai: WC% TiC% TaC% Co% HV Hajl.sz DA20 57,5 15,0 7,0 9,0 1550 1400MPa DA40 77,0 4,0 8,0 11,0 1400 2000MPa DR10 91,0 1,2 1,5 6,3 1700 1400MPa DG50 75,0 25,0 800 2200MPa

Műszaki kerámiák gyártása Alapanyagok: Műkorund (Al2O3); Szilícium-karbid (SiC); Szilicium-nitrid (Si3N4); Bór-karbid (B4C); A gyártás folyamata: Por előkészítés (őrlés, keverés) Formázás, sajtolás Zsugorító izzítás (szinterelés) Végső megmunkálás

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

Egyatomos kerámiák Gyémánt: Köbös bór-nitrid (CBN) 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

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

Kerámiák összehasonlítása Kopásállóság Gyémánt Köbös bórnitrid Al2O3 oxidkerámia Si3N4 nitridkerámia Bevonatolt kerámiák Bevonatolt keményfémek Szívósság

Kompozit (társított) anyagok Anyagjellemzők: kedvező KIC, Rp0,2, E állítható be Előnyök: rugalmasan változtatható szilárdság, jó korrózióállóság, elfogadható alakíthatóság, kedvező Rp0,2/ρ arány Hátrányok: költséges gyártás, kúszási hajlam egyes típusoknál

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

Szálerősítésű kompozitok

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

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

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)

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

Üvegszál erősítésű kompozitok tulajdonságai Sűrűség Mg/m3 Rm MPa E GPa Nyúlás % Epoxi 1,2 60 2,3 100 20 1,35 110 6,0 5 40 1,52 160 11,6 4 80 2,08 560 28,0 1,6 Poli-észter 50 2,00 15,9 1,7

Alumínium alapú kompozitok tulajdonságai Szál anyaga Szál térfogat % Rm, MPa Ø145 μm bórszál 45 1400 Ø145 μm bórszál SiC bevonattal 35 800 60 Ø100 μm bórszál 20 500 Ø100 μm bórszál nitridált bevonattal 55 1250

Szálerősítésű kompozitok: az Rm és E változása az orientáció függvényében

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

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

Fa alapú kompozitok (2) Pozdorja lap Faforgács 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

Fa alapú kompozitok (3) OSB lap Parafa 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