Číslo projektu Číslo a název šablony klíčové aktivity Tematická oblast Autor Ročník Obor Datum Anotace
CZ.1.07/1.5.00/34.0514 III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Strojírenská technologie, vy_32_inovace_MA_22_06 Ing. Martin Sadílek 2. Nástrojař, Obráběč kovů 13. 11. 2012 Pracovní list č.3 k prezentaci Křivky chladnutí a ohřevu kovů
Použité zdroje a odkazy:
DORAZIL, Eduard a kol. Nauka o materiálu I. Brno: SNTL, 1986, ISBN 411-33681. ULRICH, Fischer a kol. Základy strojnictví. Praha: Europa-Sobotáles cz, 2004, ISBN 80-86706-09-05. HLUCHÝ, Miroslav, Oldřich MODRÁČEK a Rudolf PAŇÁK. Strojírenská technologie 1-2. díl. 3., přeprac. vyd. Praha: Scientia s.r.o., 2002. ISBN 80-7183-265-0.
http://www.zlinskedumy.cz
Metalografie, tepelné a chemickotepelné zpracování oceli
PRACOVNÍ LIST – KŘIVKY CHLADNUTÍ A OHŘEVU KOVŮ Všechny látky mohou existovat ve třech skupenstvích – ............................................... Každé skupenství je typické uspořádáním a volností pohybu částic – ....................................................... Plynné skupenství: částice ........................ s ..................... volností pohybu, izotropie vlastností Kapalné skupenství: částice vázány ............................, určitá volnost pohybu zůstává, izotropie vlastností Tuhé skupenství: částice krystalických látek pevně uspořádány v .........................., kolem kterých ..........., anizotropie vlastností. Úkol: z předchozí kapitoly víme, co znamená izotropní látka. Vysvětlete vlastními slovy: .......................................................................................................................................................................... Chladnutí čistého kovu V technické praxi a metalurgii má velký význam studium přechodu mezi kapalným a tuhým skupenstvím. Pro popis přeměn se používá několik pojmů: Soustava – ................................................................................................................................................. Složka – ................................................................................................................................................. Fáze – ................................................................................................................................................. Sledujeme-li závislost teploty na čase při ochlazování nebo ohřevu soustavy, můžeme zkonstruovat příslušnou ............................................. Jak vidíme na obr.1 ochlazovaný čistý kov v části křivky I existuje v jedné složce a jedné fázi – tavenině. Ke skupenské přeměně dochází v ideálním případě při teplotě tuhnutí (théta). Na úsečce II existují spolu tavenina a rostoucí krystaly – soustava o jedné složce je .................................. Díky uvolňování skupenského tepla při přeměně zůstává teplota v úseku II přibližně konstantní i při pokračujícím ochlazování taveniny (platí pro velmi pomalé ochlazování). Říkáme, že na křivce vzniká ............................... Zárodky krystalů začínají růst v tavenině v tzv. centrech. Rostou ve všech směrech, dokud nenarazí na hranici dalšího rostoucího krystalu – ....... Počet vznikajících zárodků závisí na ................................. a dalších podmínkách. Výsledkem může být ...............................................................
Obr. 1 - Ideální křivka chladnutí čistého kovu
V části křivky III už je opět jen jedna fáze – ................................................................. Při velmi pomalém ohřevu můžeme pozorovat na křivce ohřevu také prodlevu – rovnováhu mezi dodávaným teplem a teplem spotřebovávaným na skupenskou přeměnu. Teplota tání je vyšší než teplota tuhnutí – jev se nazývá ................................ Skutečné průběhy tání a tuhnutí mají v oblasti prodlevy zvlnění v důsledku přehřátí nebo přechlazení krystalického kovu. Obr. 2 – Ideální křivka ohřevu čistého kovu
Metalografie, tepelné a chemickotepelné zpracování oceli V kapitole o krystalické struktuře bylo pojednáno o zvláštní skupině kovů, které mohou mít v tuhém skupenství více typů krystalové mřížky – ......................... s ...................... přeměnou. Z technicky významných můžeme uvést .................................................................................................................................................. Opakování: - při alotropické přeměně dochází k .................................................mezi krystalografickými soustavami - fáze s různou mřížkou nazýváme ...................... a označují se pomocí písmen ...................................... Pro základní orientaci v metalografii je důležitá polymorfie železa, protože se s ní znovu setkáme např. při tepelném zpracování oceli. V grafu křivek ochlazování a ohřevu čistého železa lze najít několik teplot, kdy se mění skupenství, krystalická struktura nebo vlastnosti kovu.
Obr. 3 – Křivky chladnutí a ohřevu čistého Fe Fáze v kovových soustavách Zatím jsme studovali křivky v jednosložkových soustavách čistých kovů. Většina technických kovů jsou ale slitiny, které jsou tvořeny dvěma základními skupinami fází: - ......................................................................... - intermediární fáze a) Tuhý roztok vytváří krystaly, které obsahují atomy obou složek. Podle umístění v mřížce základního kovu rozlišujeme - substituční tuhé roztoky .............................................................................................................................. ............................................................................ – oba kovy mají podobnou velikost atomů a podobný typ mřížky, mohou mít až neomezenou vzájemnou rozpustnost - intersticiální tuhé roztoky – .............................................................................................. – atomy přísady jsou výrazně menší a také rozpustnost v základním kovu je omezená b) Intermediární fáze – většinou jde o chemické sloučeniny, vytvářející samostatné struktury – nejvýznamnější jsou různé karbidy a nitridy kovů. Úkol: vyznačte atomy kovu B v tuhých roztocích
Obr. 4 – Substituční
Obr. 5 – Intersticiální tuhý roztok
Metalografie, tepelné a chemickotepelné zpracování oceli
PRACOVNÍ LIST (PRO VYUČUJÍCÍHO ) – KŘIVKY CHLADNUTÍ A OHŘEVU KOVŮ Všechny látky mohou existovat ve třech skupenstvích – plynném, kapalném a tuhém. Každé skupenství je typické uspořádáním a volností pohybu částic – molekul, atomů, iontů. Plynné skupenství: částice neuspořádané s velkou volností pohybu, izotropie vlastností Kapalné skupenství: částice vázány přitažlivými silami, určitá volnost pohybu zůstává, izotropie vlastností Tuhé skupenství: částice krystalických látek pevně uspořádány v uzlových bodech, kolem kterých kmitají, anizotropie vlastností. Úkol: z předchozí kapitoly víme, co znamená izotropní látka. Vysvětlete vlastními slovy: .......................................................................................................................................................................... (Látka, která má ve všech směrech stejné vlastnosti – plyny, kapaliny, amorfní tuhé látky) Chladnutí čistého kovu V technické praxi a metalurgii má velký význam studium přechodu mezi kapalným a tuhým skupenstvím. Pro popis přeměn se používá několik pojmů: Soustava – kovový materiál definovaného složení; např. čistý kov, slitina více kovů. Složka – prvek soustavy; např. kov A a kov B slitiny. Fáze – forma složky; např. tavenina, krystaly čistého kovu, směs krystalů, tuhý roztok. Sledujeme-li závislost teploty na čase při ochlazování nebo ohřevu soustavy, můžeme zkonstruovat příslušnou teplotní křivku. Jak vidíme na obr.1 ochlazovaný čistý kov v části křivky I existuje v jedné složce a jedné fázi – tavenině. Ke skupenské přeměně dochází v ideálním případě při teplotě tuhnutí (théta). Na úsečce II existují spolu tavenina a rostoucí krystaly – soustava o jedné složce je dvoufázová. Díky uvolňování skupenského tepla při přeměně zůstává teplota v úseku II přibližně konstantní i při pokračujícím ochlazování taveniny (platí pro velmi pomalé ochlazování). Říkáme, že na křivce vzniká prodleva. Zárodky krystalů začínají růst v tavenině v tzv. centrech. Rostou ve všech směrech, dokud nenarazí na hranici dalšího rostoucího krystalu – zrna. Počet vznikajících zárodků závisí na rychlosti ochlazování a dalších podmínkách. Výsledkem může být jemnozrnná nebo hrubozrnná struktura.
Obr. 1 - Ideální křivka chladnutí čistého kovu
V části křivky III už je opět jen jedna fáze – krystaly chladnoucího kovu. Při velmi pomalém ohřevu můžeme pozorovat na křivce ohřevu také prodlevu – rovnováhu mezi dodávaným teplem a teplem spotřebovávaným na skupenskou přeměnu. Teplota tání je vyšší než teplota tuhnutí – jev se nazývá tepelná hystereze. Skutečné průběhy tání a tuhnutí mají v oblasti prodlevy zvlnění v důsledku přehřátí nebo přechlazení krystalického kovu. Obr. 2 – Ideální křivka ohřevu čistého kovu
Metalografie, tepelné a chemickotepelné zpracování oceli V kapitole o krystalické struktuře bylo pojednáno o zvláštní skupině kovů, které mohou mít v tuhém skupenství více typů krystalové mřížky – polymorfní kovy s alotropickou přeměnou. Z technicky významných můžeme uvést železo (Fe), kobalt (Co), mangan (Mn), cín (Sn), titan (Ti). Opakování: - při alotropické přeměně dochází k překrystalizaci mezi krystalografickými soustavami - fáze s různou mřížkou nazýváme modifikace a označují se pomocí písmen řecké abecedy Pro základní orientaci v metalografii je důležitá polymorfie železa, protože se s ní znovu setkáme např. při tepelném zpracování oceli. V grafu křivek ochlazování a ohřevu čistého železa lze najít několik teplot, kdy se mění skupenství, krystalická struktura nebo vlastnosti kovu. 1538°C – teplota tání / tuhnutí Fe, počátek krystalizace vysokoteplotní modifikace Fe
1390°C – překrystalizace Fe (prostorově centrovaná m.) na Fe (plošně centrovaná m.)
898°C – překrystalizace Fe na modifikaci Feα (prostorově centrovaná m.)
Obr. 3 – Křivky chladnutí a ohřevu čistého Fe
769°C – Curieův bod – změna fyzikálních vlastností Fe – z paramagnetického se stává feromagnetické železo.
Fáze v kovových soustavách Zatím jsme studovali křivky v jednosložkových soustavách čistých kovů. Většina technických kovů jsou ale slitiny, které jsou tvořeny dvěma základními skupinami fází: - tuhé roztoky - intermediární fáze c) Tuhý roztok vytváří krystaly, které obsahují atomy obou složek. Podle umístění v mřížce základního kovu rozlišujeme - substituční tuhé roztoky – atomy druhého kovu nahrazují atomy základního kovu v uzlových bodech mřížky – oba kovy mají podobnou velikost atomů a podobný typ mřížky, mohou mít až neomezenou vzájemnou rozpustnost - intersticiální tuhé roztoky – atomy druhého kovu jsou uloženy ve volných místech mřížky – atomy přísady jsou výrazně menší a také rozpustnost v základním kovu je omezená d) Intermediární fáze – většinou jde o chemické sloučeniny, vytvářející samostatné struktury – nejvýznamnější jsou různé karbidy a nitridy kovů. Úkol: vyznačte atomy kovu B v tuhých roztocích
Obr. 4 – Substituční tuhý roztok
Obr. 5 – Intersticiální tuhý roztok
