A szerkezeti anyagok a technol´ogiailag hasznos tulajdons´ag´u anyagok. Megfelel˝o el˝o´ all´ı-t´asi elj´ar´as ´es alak kialak´ıt´as ut´an
”konstrukci´os ´es funkci´os” anyagoknak nevezik ˝oket, ´es
az eg´esz emberi technikai civiliz´aci´o anyagb´azis´at alkotj´ak. A m˝uszaki term´ekek el˝o´all´ıt´ a-s´ahoz a szerkezeti anyagokat a megk´ıv´ant m˝uszaki funkci´okhoz c´elzottan kell kiv´alasztani optim´alis m´odon figyelembe v´eve:
• a sz¨uks´eges anyag ´es energia felhaszn´al´ast,
• az eszk¨ozt˝ol megk´ıv´ant min˝os´eget,
• az eszk¨ozt˝ol megk´ıv´ant megb´ızhat´os´agot,
• a k¨ornyezetv´edelem szempontjait,
• gazdas´agoss´agi szempontokat,
• az eszk¨ozt˝ol megk´ıv´ant ´elettartamot.
Az anyagok szempontj´ab´ol, az emberis´eg t´argyiasult evol´uci´oja miatt a szerkezeti anyagok a legfontosabbak. Ennek oka az, hogy a szerkezeti anyagokb´ol el˝o´all´ıtott g´ epek-kel a l´etfenntart´ashoz sz¨uks´eges anyagok ´es az energiahordoz´ok el˝o´all´ıt´as´anak eszk¨ozig´ e-nye (mint sz¨uks´eges de nem el´egs´eges felt´etel) biztos´ıthat´o.
Az ipari anyagok csoportos´ıt´asa a makroszkopikus szerkezeti szinten mutatott tulaj-dons´agok alapj´an is elv´egezhet˝o. ´Igy besz´elhet¨unk:
• f´emekr˝ol (legjelent˝osebb az Fe, Al, Cu, Ti stb.),
• f´em¨uvegekr˝ol (A f´em¨uveg az olvad´ekb´ol olyan gyorsan leh˝ut¨ott f´em, amelynek nem alakul ki a krist´alyszerkezete, hanem a gyors h˝ut´es miatt a folyad´ekban uralkod´o atomi rendezetlens´eg fagy bele az anyagba. Amorf f´emnek, f´em¨uvegnek vagy ¨uveges f´emnek is nevezik.),
• ker´ami´akr´ol (pl. porcel´an (villamos szigetel˝o)),
• polimerekr˝ol (k¨ul¨onf´ele m˝uanyagok, pl. polietil´en),
• kompozitokr´ol – vagy m´ask´eppen t´ars´ıtott anyagokr´ol (pl. farost + enyv = b´ utor-lap, vagy sz´ensz´aler˝os´ıt˝u m˝uanyag).
Az anyagok makroszkopikus tulajdons´agait d¨ont˝oen meghat´arozza a mikroszkopikus szerkezet¨uk. Ez´ert fontos ismerni az anyagok szerkezet´et ´es szerkezet¨uk szerinti csopor-tos´ıt´as´at, ami a k¨ovetkez˝o.
Az anyagok szerkezete lehet:
• szab´alytalan, amorf,
• krist´alyos,
• r´eszben krist´alyos.
1.6.1. A szerkezeti anyagok tulajdons´ agai
Ahogy az el˝oz˝o alfejezet v´eg´en olvashat´o, az anyagok makroszkopikus tulajdons´agait a mikroszkopikus tulajdons´agok (alkot´o atomok k´emiai min˝os´ege – elemi ¨osszet´etel, ato-mok k¨oz¨otti kapcsolat stb.) hat´arozz´ak meg. Ez´ert fontos ismern¨unk az anyagok mik-roszkopikus tulajdons´agait ´es azok vizsg´alati m´odszereit. Az ipari gyakorlatban elterjedt anyagvizsg´alati elj´ar´asok vizsg´alhatj´ak az anyag [Csizmazia1]:
• makroszkopikus tulajdons´agait (foly´ashat´ar, ellen´all´as, ¨osszt¨omeg stb.),
• vagy mikroszkopikus tulajdons´agait (k´emiai ¨osszet´etel, sz¨ovetszerkezet stb.).
A szil´ard testek atomjai k¨oz¨otti kapcsolat, a k¨ot´es, r´eszecsk´ek k¨oz¨otti k¨olcs¨onhat´as eredm´enye.
A k¨olcs¨onhat´asok:
• mindk´et atom magja vonzza a m´asik elektronjait,
• a k´et atom elektronjai tasz´ıtj´ak egym´ast,
• az atommagok tasz´ıtj´ak egym´ast.
1.6.2. K´ emiai k¨ ot´ esek
K´emiai k¨ot´esnek nevezz¨uk a k´emia ter¨ulet´en azt az ´allapotot, amikor k¨ul¨onb¨oz˝o anyagok atomjai reakci´oba l´epnek egym´assal, hogy stabilis (tel´ıtett) k¨uls˝o elektronh´ej alakuljon ki. Vegyi reakci´ok sor´an, a vegy´ert´ek-elektronok r´ev´en els˝orend˝u k´emiai k¨ot´es alakul ki.
A tapasztalat szerint azonos elektronegativit´as´u k´emiai elemek k¨oz¨ott kovalens, er˝osen k¨ul¨onb¨oz˝o elektronegativit´as´u elemek k¨oz¨ott ionos k¨ot´es j¨on l´etre. A molekul´ak k¨oz¨otti
´
ugynevezett intermolekul´aris er˝ok m´asodrend˝u k¨ot´eseket hozhatnak l´etre (pl. a H2O eset´eben).
A k´emiai k¨ot´esek fajt´ai a k¨ovetkez˝oek:
1., Els˝odleges vagy primer k¨ot´esek:
• az ionos k¨ot´es, mely ellent´etes t¨olt´es˝u ionokat tartalmaz´o anyagokban fordul el˝o. Az ionok k¨oz¨otti elektrosztatikus vonz´as ´es tasz´ıt´as szab´alyos szerkezetbe, ionr´acsba rendezi az anyagot alkot´o ionokat, melynek a r´acspontjain szab´alyosan v´altakozva kationok ´es anionok tal´alhat´ok. A nagy k¨ot´esi energia miatt az ionr´acsos anyagok
´
altal´aban magas olvad´aspont´uak (p´eld´aul a n´atrium-klorid olvad´aspontja 801oC, a magn´ezium-oxid´e 2800oC.),
• a kovalens k¨ot´es, amelyben az atomok k¨oz¨os vegy´ert´ekkel rendelkeznek (ko: k¨oz¨os, valens: vegy´ert´ek˝u). K´emiai jelleg¨ukben azonos vagy k¨ul¨onb¨oz˝o elemek atomjai k¨oz¨ott j¨on l´etre, vegy´ert´ek elektronjaik k¨oz¨oss´e t´etel´evel. P´eld´aul k´et hidrog´en ha tal´alkozik
”egyes¨ulnek” mindkett˝onek k´et elektronja lesz, azaz osztoznak azon a kett˝on. Teh´at: H+H = (H2),
• a f´emes k¨ot´es az eg´esz krist´alyra kiterjed˝o k¨oz¨os elektronfelh˝o ´altal l´etrehozott k´ e-miai kapcsolat, mely f´emek szerkezet´eben jelentkezik. A f´emekben az elektronok delokaliz´altan helyezkednek el, ´ıgy az egyes pozit´ıvan t¨olt¨ott f´emionok (atomt¨ or-zsek) k¨oz¨ott oszlanak meg.
2., M´asodlagos, gyenge k¨ot´esek:
• a molekulak¨ozi Van der Waals k¨ot´es: azokat a
”molekul´ak k¨oz¨otti” k¨ot´eseket sorol-juk ide, amelyek a molekul´an bel¨uli t¨olt´esaszimmetri´ab´ol k¨ovetkeznek. A van der Waals-f´ele k¨ot´es lez´art elektronh´ej´u atomok vagy molekul´ak k¨oz¨ott alakul ki, ener-gi´aja az els˝orend˝u k¨ot´esek energi´aj´anak kb. huszadr´esze. Ez´ert a molekular´acsos szerkezet˝u anyagok (elemek ´es vegy¨uletek) alacsony olvad´as- ´es forr´aspont´uak: k¨ o-z¨ons´eges k¨or¨ulm´enyek k¨oz¨ott g´az halmaz´allapot´uak vagy foly´ekonyak (pl. aH2O), de ha molekulat¨omeg¨uk el´eg nagy, szil´ardak is lehetnek. Krist´alyaik meglehet˝osen puh´ak,
• ´es a hidrog´enk¨ot´es: a hidrog´enk¨ot´es kialakul´as´ahoz egy nagy elektronegativit´as´u, kis m´eret˝u ´es nemk¨ot˝o elektronp´arral rendelkez˝o elem atomja sz¨uks´eges, amely-hez k¨ozvetlen¨ul kapcsol´odik egy hidrog´enatom. Els˝osorban h´arom elem k´epes ilyen k¨ot´es kialak´ıt´as´ara, a fluor, az oxig´en ´es a nitrog´en. Egy hidrog´enatom ´es egy m´ a-sik (a kor´abban eml´ıtett tulajdons´agokkal rendelkez˝o) molekul´aban l´ev˝o nemk¨ot˝o elektronp´ar alak´ıtja ki a k¨ot´est.
A m´asodlagos k¨ot´esek energi´aja nagys´agrenddel kisebb, mint az els˝odlegesek´e. Ilyen k¨ot´esek lehetnek p´eld´aul a kovalens k¨ot´esekkel ¨osszetartott molekul´ak k¨oz¨ott. Energia-k¨ozl´es hat´as´ara a m´asodlagos k¨ot´esek bomlanak fel el˝osz¨or, a molekul´ak eg´eszben marad-nak. Az egynem˝u molekul´ak k¨ozti k¨ot´esek hat´arozz´ak meg p´eld´aul a halmaz´allapotot, kem´enys´eget stb.
A k¨ot´esm´od ´es a szerkezeti anyag fajt´aja k¨oz¨otti ¨osszef¨ugg´est a 1.5 ´abra szeml´elteti.