GRADIENS ANYAGOK Lendvai János ELTE Általános Fizika Tanszék H-1117 Budapest, Pázmány P. sétány 1A.
Igen gyakori, hogy pl. szerkezeti elemekben az igénybevétel, és ennek megfelelően az anyaggal szemben támasztott követelmények helyről helyre változnak. Például említhetjük a konyhakést, amelynek a vágóélnél keménynek, máshol inkább szilárdnak és szívósnak kell lennie; vagy gépkocsik sebességváltóinak fogaskerekeit, amelyek belsejében az anyagnak szívósnak, felületükön keménynek és kopásállónak kell lennie; és végül az ultra-szuperszonikus vagy űr-repülőgépek hőálló burkoló, illetve hajtómű elemeit, melyek egyik felületükön magas hőmérsékleti másik oldalukon nagy mechanikai igénybevételnek vannak kitéve. Ismeretes, hogy éles térbeli változások az anyag összetételében és tulajdonságaiban nagy mechanikai feszültségkoncentrációra vezethetnek. Pl. kerámia-fém csatlakozásoknál, vagy fém-kerámia kompozit anyagokban a fém-kerámia határfelületen a kerámia és fém fázisok erősen eltérő hőtágulása miatt a gyártás, vagy az alkalmazás során igen nagy termikus feszültségek alakulhatnak ki, amelyek akár a darab törésére vezethetnek. Az is nyilvánvaló, hogy az ilyen feszültségek nagy mértékben csökkenthetők, ha a két fázis közötti átmenetet fokozatossá tesszük. Ez a két megfontolás vezetett a funkcionálisan változó anyagok (angolul Functionally Graded Materials, FGM), vagy másképp gradiens anyagok koncepciójának kialakulásához. Az egyik elfogadott definíció szerint [1] a gradiens anyagokat mikroszerkezetükben és/vagy összetételükben megtervezett, fokozatos változásokat tartalmazó elemek gyártásánál alkalmazzák a darab használata során helyileg változó követelményeknek megfelelően. A fentiek értelmében a gradiens anyagokat az őket alkotó fázisok eloszlásának, és következésképpen az anyagparamétereknek általában nemlineáris, háromdimenziós változása jellemzi. A hagyományos izotróp anyagoktól tehát a gradiens anyagok abban különböznek, hogy összetételük, fázisaik eloszlása, porozitásuk, textúrájuk, valamint az ezek által meghatározott tulajdonságaik, mint pl. keménységük, sűrűségük, rugalmas állandóik hely függvényében folytonosan változnak. Mint a korábban említett példákból is nyilvánvaló, a gradiens anyagok nem újak, a természetben is megtalálhatók (pl. a Föld maga is gradiens szerkezetű), és az emberiség a természetes és mesterséges gradiens anyagokat az eszközkészítés és a mérnöki tervezés legrégebbi időszakától kezdve széleskörűen alkalmazta. Ugyancsak ismeretes számos régen kifejlesztett gradiens anyag, mint pl. a kéregedzett acélok, amelyeket ma is sok helyen alkalmaznak. Korszerűbb alkalmazása a gradiens szerkezetű anyagoknak a gázturbina lapátok hőálló bevonata. Ami valóban új a funkcionális gradiens anyagokban, az az a felismerés, hogy az felhasználási igényekhez készített anyagokba, leggyakrabban kompozitokba, a gradiensek mikroszerkezeti szinten megtervezhetők, a kívánt alkalmazásnak megfelelően. Ezen új tervezési és előállítási eljárás kialakulásával előrevetíthető az igényesebb elemek gyártásának egy újfajta megközelítése, amelyet Japánban “inverz tervezési eljárásnak” neveztek el [2,3]. Ennek lényege az, hogy az elem tervezése és gyártása nem a rendelkezésre álló anyagok listájából való válogatással történik, hanem az alkotó alapanyagok és anyag-előállítási technikák kiválasztásával és a gradiens szerkezet hely függvényében változó követelményeknek megfelelő háromdimenziós megtervezésével. Ez azt jelenti, hogy két mérnöki ágazat működik együtt magának az elemnek és az előállításnak az egyidejű megtervezésében. Ez az alapvetően új konstrukciós eljárás tekinthető az FGM-koncepció másik meghatározásának. A gradiens anyagok kutatásának és fejlesztésének intenzitását a témában kétévenként megrendezett nemzetközi konferenciák anyagaiból is megítélhetjük, az 5. ilyen szimpózium anyaga nemrég jelent meg [4]. Gradiens anyagok előállításának számos technikája ismert, ezeket alapvetően két nagy csoportra oszthatjuk [1], az építő (pl. megfelelően kevert porok szinterelése, bevonatolás, rétegszerkesztés) és a transzport folyamatokon alapuló (pl. diffúzió, ülepítéses vagy centrifugális szétválasztás, beáramoltatás, makroszegregáció) eljárásokra. Az első csoporthoz tartozó eljárásoknál a gradienseket két, vagy több kiinduló anyag megfelelő egymásra rétegezésével alakítják ki, ami lehetővé teszi az összetételbeli gradiensek teljes, esetleg automatizálható beállítását. Az eljárások másik csoportjánál az összetételi és mikroszerkezeti gradienseket a természetes transzport jelenségek alakítják ki. A gradiens anyagoknak nemcsak az előállítása, hanem a jellemzése is számos esetben új koncepciókat és eljárásokat igényel, példaként említhetjük a benyomódási technikák alapján meghatározható anyagjellemzők, mint a keménység, vagy a rugalmas állandók meghatározását. Az előadás röviden áttekinti a gradiens anyagok előállításával és minősítésével kapcsolatos alapvető fizikai problémákat. Irodalom
Copyright © 2000 |