1. Učební texty pro popularizátory vědy

Studijní opora k výukovému modulu „K4/MTV7 Materiály, bez kterých bychom nenavštívili Měsíc a neměli internet – zázraky materiálového inženýrství.“ byla vytvořena v rámci projektu „Poznej tajemství vědy“. Projekt s reg. č. CZ.1.07/2.3.00/45.0019 je financován z operačního programu vzdělávání pro konkurenceschopnost a státního rozpočtu České republiky. Výukový modul představuje nástroj pro vzdělávání cílové skupiny (zájemci o vědu) ve specifickém tématu v rámci přírodních a technických věd. Tento modul popularizační formou seznámí potenciální zájemce o vědecko-výzkumnou práci s vědeckým přístupem (schopností odhalovat skryté příčiny dějů, rozpoznávat falešnou analogii). Dále motivační formou ukáže práci domácích i zahraničních výzkumníků v terénu i v laboratořích. Výukový modul je tvořený unikátním textem, obsahujícím: 1. Učební texty pro popularizátory vědy 2. Pracovní aktivity pro studenty a žáky, min. 5 aktivit pro SŠ, 3 aktivity pro ZŠ 2. st., 1 aktivita pro ZŠ 1. st.): a. popis vědeckých/badatelských aktivit (v laboratoři či terénu), b. pracovní listy, c. návody na experimenty a měření, d. dvě strany odborného anglického textu. 3. Metodická příručka

Materiál vytvořil expertní tým Vysoké školy podnikání. Michálkovická 1810/181, 710 00 Slezská Ostrava. Vysoká škola podnikání, a.s. poskytuje vysokoškolské vzdělávání v akreditovaných studijních oborech programu Ekonomika a management pro bakalářské a magisterské studium už od roku 2000. Primární strategií při naplňování tohoto poslání je poskytovat vzdělávání, služby a výzkum k podpoře a rozvoji podnikavosti a podnikání prostřednictvím definovaných podnikatelských rolí, hodnotové orientace a klíčových kompetencí. Posláním školy je připravovat odborníky, kteří rozumí podnikání jako celku. Cílem VŠP je vychovávat podnikatele a manažery, kteří mohou být uplatnitelní a úspěšní v různých profesích a oborech. Studium je proto velmi přizpůsobeno praxi a požadavkům zaměstnavatelů.

Garant: doc. RNDr. Vladimír Krajčík Ph.D. Autor: doc. Ing. Václav Nétek CSc.

© Vysoká škola podnikání, a.s., 2015

2

OBSAH ČÁST A Seznámení popularizátora vědy s tématem ............................................................................. 7 1

Úvod ............................................................................................................................................... 8

2

Základní podstata materiálového inženýrství ................................................................................. 9

3

4

5

6

2.1

Základní charakteristika materiálového inženýrství ............................................................... 9

2.2

Historický význam kovů a vlastností kovů ........................................................................... 12

2.3

Historický význam polymerů a vlastností polymerů............................................................. 13

2.4

Konstrukční materiály ........................................................................................................... 13

2.5

Jaké vlastnosti jsou předmětem výzkumu pevných látek? .................................................... 15

2.6

Vnitřní stavba materiálů a vlastnosti materiálů ..................................................................... 17

2.7

Bodové poruchy krystalové mřížky ...................................................................................... 21

2.8

Mechanické vlastnosti – co vlastně příroda dovolí? ............................................................. 22

2.9

Shrnutí poznatků materiálového inženýrství ......................................................................... 24

Prášková metalurgie ..................................................................................................................... 26 3.1

Základní technologické operace: ........................................................................................... 26

3.2

Význam technologie práškové metalurgie ............................................................................ 26

Diamant jako základ průmyslového rozvoje ................................................................................ 32 4.1

Jak vlastně vypadá diamant? ................................................................................................. 32

4.2

Jak vnímali diamant naši předkové (Ottův slovník naučný) ................................................. 33

4.3

Krystalografie diamantu ........................................................................................................ 34

4.4

Ukázka výrobků z umělého diamantu ................................................................................... 35

4.5

Superslitiny............................................................................................................................ 36

Materiálové inženýrství drát a výrobky z drátu ............................................................................ 37 5.1

Pružiny z ocelového drátu ..................................................................................................... 38

5.2

Historie pružin ....................................................................................................................... 38

5.3

Charakteristika pružin ........................................................................................................... 39

5.4

Materiál na výrobu pružin ..................................................................................................... 40

5.5

Hlavní rozdělení pružin ......................................................................................................... 41

5.6

Pružiny namáhané na krut ..................................................................................................... 44

5.7

Výroba pružin ........................................................................................................................ 46

5.8

Úprava polotovarů ................................................................................................................. 50

Výroba lan a lanových drátů ......................................................................................................... 52 6.1

Historie výroby ocelových lan .............................................................................................. 52

6.2

Ocelové lano .......................................................................................................................... 55

6.3

Základní pojmy ..................................................................................................................... 55

6.4

Proces výroby lanového drátu ............................................................................................... 56

3

6.5

Únavové zkoušky lan ............................................................................................................ 60

6.6

Provozní podmínky a faktory mající vliv na životnost ocelových lan .................................. 64

6.7

Ochrana proti korozi ocelových lan ...................................................................................... 67

ČÁST B Pracovní aktivity pro studenty a žáky ................................................................................... 70 Základní struktura pracovních listů: ................................................................................................. 70 Pracovní aktivity pro 1. stupeň základní školy .................................................................................... 71 PRACOVNÍ LIST č. 1 ..................................................................................................................... 71 Z čeho je vlastně auto? ................................................................................................................. 71 Pracovní aktivity pro 2. stupeň základní školy .................................................................................... 75 PRACOVNÍ LIST č. 2 - učebna ...................................................................................................... 75 Pracovní aktivity pro střední školy ...................................................................................................... 79 PRACOVNÍ LIST č. 3 terén – nádraží, železnice............................................................................ 79 Jak vlastně funguje taková obyčejná věc, jako je železnice? ....................................................... 79 Pracovní listy s odborným textem v anglickém a českém jazyce ........................................................ 83 Selected knowledge of materials engineering .................................................................................. 83 Vybrané poznatky materiálového inženýrství .................................................................................. 86 ČÁST C - Metodická příručka ............................................................................................................. 88 Shrnutí poznatků a závěr .................................................................................................................. 91

4

CÍL VÝUKOVÉHO MODULU Popularizátoři vědy se seznámí s následujícími okruhy Cílem výukového modulu je seznámit popularizátory vědy s oblastí počasí a podnebí. Modul vymezuje základní pojmy a popisuje oblasti atmosféry, slunečního záření, teploty, tlaku vzduchu, srážek a oblačnosti a dalších Znalosti atmosférických jevů. Zároveň se věnuje metodám měření a pozorování počasí za účelem jeho předpovědi. BLOK 01 PRÁŠKOVÁ METALURGIE „Hráli jste si jako děti na písku, dělali jste bábovičky …podobně si hráli vědci i naši předkové, abychom měli věci kolem sebe, které považujeme za samozřejmé? BLOK 02 DIAMANT JAKO ZÁKLAD PRŮMYSLOVÉHO ROZVOJE „Všichni víme, že diamant je nejtvrdším a současně nejkrásnějším a nejcennějším materiálem nejen na zemi, ale i ve vesmíru. Současně je velmi vzácný, aby se mohl stát základem průmyslového rozvoje. Objev technologie výroby syntetického diamantu dal základ technologiím, bez kterých se dnes neobejde široké spektrum oborů a odvětví, Můžeme začít tím, když nás bolí zuby? BLOK O3 MATERIÁLOVÉ INŽENÝRSTVÍ DRÁT A VÝROBKY Z DRÁTU „Když jedete na hory, určitě každý z vás už jel lanovkou. Do výtahu nastupujeme naprosto samozřejmě. Už jste se někdy podívali na osobní auto jinak. Zkuste uhodnout a vypočítat, které díly a součásti jsou vyrobeny z komponent, jejichž základem je docela obyčejný drát? Je vlastně tak docela obyčejný? Jsou materiály, na jejichž technologické kvalitě závisí lidský život. Co je to vlastně technologická kázeň? Je to jiná kázeň, jako osobní kázeň, schopnost něco neošidit, schopnost dodržet to, co tam má být a co tam musí být a co tam patří? Na čem je založeno bezpečí takové obyčejné věci, jako je kolo a pneumatika nebo airbag a jeho 100% funkce v době, kdy to budu skutečně potřebovat? Popularizátoři vědy při aktivním seznámení s výukovým modulem budou schopni seznámit zájemce o vědu se základními informacemi o vývoji Dovednosti podnebí a počasí.

ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 33 hodin.

5

Seznam symbolů a zkratek

ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU

KLÍČOVÁ SLOVA

RYCHLÝ NÁHLED V MODULU

CÍL

ÚKOLY K PROCVIČENÍ KONTROLNÍ OTÁZKA

ŘEŠENÍ

SHRNUTÍ KAPITOLY

6

ČÁST A Seznámení popularizátora vědy s tématem CÍL Po úspěšném a aktivním absolvování Získáte znalosti o principech materiálového inženýrství, které vedly k výrobě umělého diamantu, který umožnil například těžbu ropy z hlubinných vrtů a rozvoj automobilové dopravy. Také o principech materiálového inženýrství v oboru drátu a výrobků z drátu nebo o principech, které vedly k výrobě lan a lanových drátů, které umožnily rozvoj stavebnictví.

Získané znalosti použijete při poznávání zákonitostí a zejména funkcí výrobků v širokém spektru jejich uplatnění a ve všech oborech lidské činnosti od zdravotnictví po stavby mostů, silnic i železnic, automobily, letadla až po kosmickou techniku.

Znalosti

Dovednosti

Získané znalosti použijete při realizaci činnosti v souladu s objevováním světa, který na první pohled není vidět.

KLÍČOVÁ SLOVA materiálové inženýrství, prášková metalurgie, slinování, kluzné materiály, třecí materiály, pórovité materiály, superslitiny, ocelové lano, duše lana, slaňování, pružina, napětí ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 20 hodin.

7

1 ÚVOD Je mnoho malých drobných věcí kolem nás, bez kterých bychom nemohli plnit ty funkce, které jsou pro nás zdánlivě samozřejmé. Čím více poznáváme, tím více se skláníme před našimi předky, kteří nám odkázali mnohem více, než si myslíme. Věda a výzkum není zaměstnání. Je to posedlost, kladení otázek, velká spousta slepých uliček, které nikam nevedou, zklamání nad neúspěchy, kdy cíle jsou tak vzdálené a nedosažitelné, že překračují hranice života jednoho člověka. Věda je o obrovském kamarádství a schopnosti spolupráce na výsledku, který je nejistý a vzdálený. Věda je obrovském množství otázek, na které nenajdete pouhým kliknutím na počítač odpověď. Více než 10 let trvalo, než mohl první člověk stanout v něčem tak maličkém, jako je lunární modul na Měsíci. Nikdo si na začátku neuměl představit, jak to vlastně má vypadat a co to všechno musí umět. Jaká musela být součinnost všech funkcí tohoto systému, který se vydával na cestu do úplného neznáma. Jednou z věcí, která se zrodila, kromě suchého zipu“, jako odvozený výsledek tohoto výzkumu je zároveň i INTERNET, který zcela zásadně změnil formu života lidí na celé zeměkouli. Současně došlo k řadě objevů nových funkcí materiálů a vlastností materiálů, které dnes považujeme za samozřejmé. Věda je tedy obrovská skromnost a pokora, před zdaleka nepoznaným vesmírem, který nás obklopuje i tím, který máme na dosah a nosíme v sobě. Věda je něco, co dáváme budoucím generacím. Pojďme nahlédnout do jedné malé části materiálového inženýrství.

8

2 ZÁKLADNÍ PODSTATA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ Schéma 1 Vzájemné vztahy mezi strukturou a vlastnostmi materiálů

Je výzkum vzájemných vztahů mezi:

STRUKTUROU MATERIÁLŮ

VLASTNOSTMI MATERIÁLŮ

Zdroj: autor

2.1 Základní charakteristika materiálového inženýrství Mezi nejdůležitější technické materiály stále patří kovy, přestože dochází k velkému nárůstu výroby nekovových materiálů. Základními technologickými operacemi, spojeným s dosažením konečného tvaru výrobku jsou: 

Technologie tavení (ocel)



Technologie odlévání (odlitky)



Technologie tváření (válcování, kování, lisování, tažení – za studena, za tepla)

Pro dosažení finálních vlastností odlitků a především tvářených materiálů se obvykle v závěrečné etapě výroby provádí tepelné zpracování. V této souvislosti mají velký význam poznatky o struktuře a vlastnostech materiálů v závislosti na technologii výroby. Technické materiály se často používají v metastabilním stavu a v průběhu jejich dlouhodobého užití může docházet k velmi pomalým změnám struktury směrem k termodynamicky rovnovážnému stavu. To je obvykle spojeno s určitým poklesem úrovně mechanických vlastností. To znamená, že pro zaručení bezpečného provozu součástí po celou dobu jejich návrhové životnosti jsou nezbytné detailní znalosti o procesech degradace struktury a vlastností materiálů v závislosti na podmínkách způsobu užití, včetně vlivu pracovního prostředí. [1]

9

POZNÁNÍ MAKROSVĚTA JE SPOJENO S POZNÁNÍM MIKROSVĚTA Bez poznání mikrostruktury a vlastností materiálu bychom dnes nemohli komunikovat mobilními telefony, nedosáhli bychom hranic vesmíru a poznání, že tyto hranice jsou mnohem mnohem dále, než jsme si původně mysleli. Poznání že základními prvky stavby života jsou kromě jiného i kovy nás vede k hlubšímu poznávání zákonitostí vesmíru. Není náhodné, že tyto stavební prvky jako je železo a uhlík jsou objeveny i na jiných planetách, proto je důležité znát a vědět něco o vlastnostech „neživé“, která vlastně přináší život a budoucí život. [1] JAK DALEKO JSOU OD SEBE ZEMĚ a MARS ? Obrázek 2.1 Jak daleko jsou od sebe Země a Mars?

Zdroj: Exospace. 2013. Přednáška poprvé z měsíce [online]. [cit. 2015-05-11]. Dostupné z: http://exospace.cz/prednaska-poprve-z-mesice/

10

[10]

KOMPOZITNÍ MATERIÁLY, KTERÉ VYROBILA SAMA PŘÍRODA Obrázek 2.2 Struktura stavby lidské kosti

Zdroj: [1]

Obrázek 2.3 Struktura stavby dřeva

Zdroj: autor

11

2.2 Historický význam kovů a vlastností kovů Naši předkové využívali materiály samozřejmě především pro uspokojení základních potřeb: 

pro stavbu obydlí



pro zajištění obživy



pro první obchodní výměnu

Stavěli tedy různé příbytky, vyráběli zbraně k lovu zvěře, nádoby pro skladování zásob apod. Na konci doby kamenné se naši předkové naučili vyrábět první kovy a výrobky z nich. Nejprve to byly kovy s nižší teplotou tavení, protože naši předkové neuměli dosáhnout vyšší teploty potřebné pro výrobu kovů s vyšší teplotou tavení. Proto doba bronzová předchází dobu železnou. Velmi přibližně můžeme napsat, že člověk se naučil vyrábět železo cca 1000 let př. N. l., i když v různých oblastech Evropy a Orientu to mohlo být dříve, ale i později. Výrobky z kovů byly rovněž zaměřeny především na uspokojení základních potřeb, zahrnovaly i předměty umělecké, ale zejména asi zbraně. Použití železných zbraní dávalo velkou převahu národům, které je začali vyrábět dříve. Takto se například vysvětluje dobytí Egypta Asyřany v 7. Století př. N. l. Asyřané používali v té době zbraně železné a Egypťané stále ještě zbraně bronzové, které bohužel vůči železným zbraním nemohly obstát. Do přibližně stejného období, v němž naši předkové začali vyrábět první kovy, spadá i počátek výroby skla, dalšího velmi důležitého keramického materiálu. Počátek výroby skla je datován v různých oblastech světa různě, ale velmi přibližně spadá počátek jeho výroby mezi roky 3000 až 1800 př. N. l. Zvláštní postavení mezi materiály používanými našimi předky zastával kámen. Velmi dlouho byl považován mj. za symbol stálosti, trvalosti, odolnosti. Celé dlouhé období od počátku našeho letopočtu až do poloviny 18. Století lze označit jako agrární – zemědělskou společnost, ve které hrála velmi důležitou roli také řemesla. Pokud jde o používané materiály, velké pokroky zaznamenány nebyly. Ve 14. Století se v Evropě začala vyrábět litina, a to především na zbraně. Nejprve to byly dělové koule. (V Číně se litina začala vyrábět cca o tisíc let dříve.) Rozvoj nových materiálů souvisí až s průmyslovou revolucí, která začala ve 2. Polovině 18. Století. Prvním důležitým mezníkem v průmyslové revoluci je vynález parního stroje, který je připisován Jamesi Wattovi a datován rokem 1765. Parní stroj znamenal významný zdroj energie, nutné pro celou řadu nových druhů výroby. Dalším důležitým mezníkem v průmyslové revoluci je zkonstruování parní lokomotivy a rozvoj železniční dopravy. Ten umožňoval dopravu velkého množství materiálu, mj. surovin na velké vzdálenosti a s tím souvisel rozvoj těžby uhlí a rud a ve 2. Polovině 19. Století pak rozvoj metalurgie oceli. Dalším velmi důležitým mezníkem v rozvoji nových materiálů bylo využití elektrické energie, které teprve v plné míře umožnilo energeticky náročnou výrobu. Materiálem, který se dostal do popředí ve druhé polovině 19. Století, byla jednoznačně ocel. Rozvoj výroby oceli pokračoval i ve století 20. Přestože 20. Století přineslo celou řadu nových druhů materiálů, zůstává ocel nadále klíčovým a neustále rostoucím zdrojem průmyslového potenciálu rozvoje. Jen za poslední desetiletí se její celková světová výroba zvedla od roku 2000 z 1 120 mil tun na 1 470 mil tu v roce 2013. [1]

12

2.3 Historický význam polymerů a vlastností polymerů 20. století znamená bouřlivý rozvoj mnoha průmyslových odvětví, což přináší i výrobu a využití celé řady nových materiálů. Ve 20. Století se rozvíjí výroba plastických hmot, zejména polymerů. Prvním polymerem uměle připraveným člověkem byl bakelit (1907). V následujících desetiletích se objevují stovky nových produktů organické chemie – polymerů, které nás dnes obklopují na každém kroku. Ve 20. Století dochází také k prudkému rozvoji elektrotechnického průmyslu a k rozvoji telekomunikací. S tím souvisí i výroba a použití nových materiálů, např. polovodičů, optických vláken, supravodičů apod. Pokud jde o nové materiály ve výpočetní technice, řadu nových součástek by nebylo možné vyrobit bez zvládnutí výroby monokrystalického křemíku. V řadě průmyslových odvětví se cca od poloviny 20. Století začínají používat tzv. složené (kompozitní) materiály, které se skládají alespoň ze dvou různých složek, z nichž každá má různé vlastnosti. Typické jsou kombinace: 

polymery – keramika,



polymery – kovy,



kovy – keramika apod.

Složené materiály mají řadu cenných vlastností, které bychom u jednodušších materiálů nemohli získat. [1]

2.4 Konstrukční materiály Bez výsledků výzkumu materiálového inženýrství tj. výzkumu vzájemného vztahu STRUKTURY MATERIÁLŮ a VLASTNOSTÍ MATERIÁLŮ by nebylo možné dosáhnout a vytvořit široké spektrum nabídky pro vlastní konstrukci finálních výrobků a jejich užití prakticky ve všech oborech lidské činnosti. Můžeme je v zásadě rozdělit do těchto skupin: 

Kovové materiály



Polymerní materiály (polymery)



Keramické materiály



Složené materiály (kompozitní materiály – kompozity) [1]

KOVOVÉ MATERIÁLY Kovové materiály není třeba podrobněji představovat. Setkáváme se s nimi denně, na každém kroku v dopravě (automobily, železnice, letadla, mostní konstrukce aj.), ale i v domácnosti – např. rozvody ústředního topení, a mnohde jinde. Kovové materiály se mohou významně lišit svými vlastnostmi, což ovlivňuje oblast jejich využití. [1]

13

POLYMERY Také polymery nás dnes doprovázejí na každém kroku. V domácnostech se s nimi setkáváme v řadě spotřebičů, v obalech, v částech elektroinstalace, rozvodů vody apod. Také automobily obsahují velké množství různých polymerních materiálů, a to zejména v interiéru, ale nejen tam. Polymery, jimž se budeme věnovat, jsou materiály vyrobené většinou uměle. Jejich průmyslová výroba začala na počátku 20. Století. Polymery existují ale i v přírodě. Určitě znáte kaučuk nebo celulózu, což jsou příklady přírodních polymerů. [1]

KERAMICKÉ MATERIÁLY Keramické materiály jsou jedněmi z nejstarších materiálů vůbec. Postupem doby se vžilo jejich dělení na tradiční, neboli porézní keramiku, používanou často např. pro sanitární účely, a na keramiku konstrukční. Keramika konstrukční je založena na některých oxidických látkách, např. Al2O3, ZrO2, dále karbidických látkách, např. SiC aj. Velký rozvoj výroby konstrukční keramiky nastal ve 20. Století. [1]

KOMPOZITNÍ MATERIÁLY Složené, neboli kompozitní materiály je termín, který zní poměrně vznešeně. Jedná se o takové materiály, které se skládají z více složek, z nichž každá má dát kompozitnímu materiálu určitou specifickou vlastnost. Nejobvyklejší kompozity jsou tzv. částicové nebo vláknité kompozity, které obsahují částice, nebo vlákna, která mají většinou dodat materiálu zvýšenou pevnost. Také rozvoj kompozitních materiálů je datován zejména 20. Stoletím. Kompozitní materiály, kterým budeme věnovat pozornost, jsou dílem člověka. Ten se však i zde nechal inspirovat matkou přírodou. Uveďme alespoň dva příklady. [1]

DŘEVO, JAKO PRVNÍ KOMPOZITNÍ MATERIÁL Dřevo je přírodním kompozitním materiálem, který se skládá z ligninu, který tvoří výplň dřeva a z částečně krystalických vláken celulózy, která dává dřevu vyšší pevnost i houževnatost. Můžeme tedy říci, že dřevo je přírodním vláknitým kompozitním materiálem. [1]

LIDSKÁ KOST, JAKO KOMPOZITNÍ MATERIÁL Kompozitní materiály máme také v sobě. Jedním z příkladů mohou být naše kosti. Základní složkou kostí je zjednodušeně hydroxyfosforečnan vápenatý, který je jako minerál znám pod názvem hydroxyapatit. Kdyby však byly kosti tvořeny jen touto látkou, byly by křehké, a asi bychom měli často zlomeniny. V kostech se navíc vyskytují vlákna bílkoviny zvané kolagen, která dává kostem zvýšenou houževnatost, a tak nás chrání před zlomeninami. I na kost tedy můžeme nahlížet jako na přírodní vláknitý kompozit. [1]

14

2.5 Jaké vlastnosti jsou předmětem výzkumu pevných látek? Uvažujeme-li o použití určitého materiálu např. v konstrukci, v nějakém výrobku, nebo jeho části, asi nás budou zajímat především jeho vlastnosti. O jeho vnitřní stavbu se možná tolik zajímat nebudeme. To snad mohou potvrdit ti z vás, kteří se s různými materiály setkáváte ve své profesi. Mluvíme-li o vlastnostech pevných látek, pak souhrnně užíváme pojem užitné vlastnosti. Užitné vlastnosti přestavují soubor různých vlastností, které by měl materiál mít, aby mohl během svého používání dobře sloužit svému účelu. [1] Užitné vlastnosti se nejčastěji dělí na tyto skupiny (nejedná se samozřejmě o jediné možné dělení): 

fyzikální vlastnosti;



mechanické vlastnosti;



chemické vlastnosti;



životnost – odolnost vůči degradaci během provozu. [1]

FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI Mezi fyzikální vlastnosti pevných látek mohou patřit, resp. Být více či méně důležité, vlastnosti optické, elektrické, magnetické apod. Na tomto místě chci zdůraznit, že mimořádně důležitou fyzikální vlastností pevných látek je také jejich hustota, tj. hmotnost objemová. Vnitřní stavba pevných látek jednotky, označovaná nejčastěji písmenem ρ a vyjadřovaná v kg·m-3. U řady konstrukcí, resp. Jejich částí nám velmi záleží na tom, aby byly co možná nejlehčí, a z toho vyplývá velký význam hustoty jako fyzikální vlastnosti pevných látek. [1]

MECHANICKÉ VLASTNOSTI Mechanické vlastnosti patří striktně vzato mezi vlastnosti fyzikální, protože mechanika tvoří jeden ze základních oddílů fyziky. Pro svůj prvořadý význam však bývají mechanické vlastnosti pevných látek vyčleňovány zvlášť. Mezi nejdůležitější mechanické vlastnosti pevných látek patří jejich pevnost a houževnatost. [1]

PEVNOST MATERIÁLŮ Pevnost materiálů odpovídá z hlediska fyziky napětí a představuje zjednodušeně maximální napětí, které může materiál přenášet, aniž by v něm vznikaly defekty, nebo aniž by se porušil (zlomil, roztrhl apod.). Pevnost materiálů bývá nejčastěji vyjadřována v N·mm-2, tj. v Mpa, vzhledem k tomu, že napětí je ve fyzice definováno jako podíl síly a plochy, na níž síla působí. [1]

HOUŽEVNATOST MATERIÁLŮ Houževnatost materiálů odpovídá z hlediska fyziky práci (energii) a velmi zjednodušeně představuje práci (energii), kterou je třeba vynaložit na porušení materiálu – na jeho rozlomení, přeražení, roztržení apod. [1]

15

důležité: Pro většinu konstrukčních aplikací by bylo žádoucí, aby materiály byly zároveň pevné i houževnaté. Ale bohužel, až na určité výjimky, stojí pevnost a houževnatost materiálů v určitém protikladu. Ty materiály, které mají vysokou pevnost, většinou nebývají houževnaté, a naopak, materiály, které mají vysokou houževnatost, nebývají většinou pevné. Poznámka: Jen pro připomenutí – protikladem houževnatosti je křehkost. Křehký materiál je tedy takový, který má nízkou houževnatost. [1]

CHEMICKÉ VLASTNOSTI MATERIÁLŮ Chemické vlastnosti tvoří další důležitou skupinu vlastností pevných látek. Můžeme mezi ně zahrnout např. vlastní chemické složení materiálů, jejich 16 acety. Toxicitu, pro použití v medicíně např. biokompatibilitu apod. [1]

DEGRADACE – ODOLNOST MATERIÁLŮ Jako čtvrtá skupina užitných vlastností bývá někdy vyčleněna zvlášť jejich odolnost vůči degradaci různého druhu během provozu. Co to znamená? Určitě jste slyšeli, četli, viděli filmy o různých haváriích konstrukcí, mostů, lodí, letadel aj. během jejich provozu. V tuto chvíli uvedeme jen několik příkladů. Řada materiálů, zejména kovových se může porušit např. únavou. Únava materiálu je druh degradace, ke kterému dochází, pokud je materiál vystaven působení napětí, která jsou v čase proměnlivá, tzn., že se s časem zvyšují a snižují. To může vést po jisté době až k porušení materiálu, i když jsou působící napětí docela nízká. Jiný druh degradace představuje např. koroze, která znamená zjednodušeně degradaci materiálu vyvolanou chemickým, nebo elektrochemickým působením okolního prostředí. To jistě znáte i z vašeho nejbližšího okolí, ale v řadě průmyslových aplikací je koroze mimořádně závažným problémem. Další druh degradace během provozu představuje např. opotřebení otěrem, ke kterému dochází při funkčním tření stýkajících se ploch. Příkladem, může být například náhrada kyčelního kloubu. Provádí-li se náhrada kyčelního kloubu, pak je hlavička kloubu většinou z kovu (ze slitiny titanu) a kloubní jamka bývá velmi často z polymeru, a to z polyetylénu (zkratka PE) s velmi vysokou hustotou. Polyetylén se používá mj. proto, že má dobré třecí vlastnosti, ale při dlouhodobém kontaktu s hlavičkou dochází k jeho otěru, tj. k postupnému uvolňování drobných částic PE. Ty se pak mohou krevním oběhem dostat i do relativně vzdálených částí těla a mohou vyvolat některé nemoci. Vzhledem k původu se jim říká PE nemoc (tedy polyetylenová nemoc). [1]

TECHNOLOGICKÉ VLASTNOSTI MATERIÁLŮ Kromě užitných vlastností bývají někdy definovány také technologické vlastnosti materiálů. Ty se nevztahují k období použití materiálů, ale k procesu jejich výroby. U kovových materiálů je např. důležitá jejich svařitelnost, tj. schopnost spojení různých dílů svařováním, nebo tzv. tvařitelnost, tj. schopnost přijmout změnu tvaru procesem tváření. [1]

16

2.6 Vnitřní stavba materiálů a vlastnosti materiálů Vlastnosti materiálů závisí, kromě, již uvedeno na: 

druhu materiálu.



chemickém složení.



vnitřní stavbě.

Druhem materiálu rozumíme to, zda se jedná o kov, polymer, keramiku nebo kompozit. Význam chemického složení je snad zřejmý. Pro nás je ale nejdůležitější to, že vlastnosti materiálů závisejí velmi silně na jejich vnitřní stavbě neboli struktuře. Studium vnitřní stavby pevných látek je tedy mimořádně důležité proto, že změnou vnitřní stavby lze velmi silně ovlivnit (změnit) užitné vlastnosti. A proto se vnitřní stavbě pevných látek věnujeme dříve než jejich vlastnostem. [1] Vnitřní stavbou, resp. Strukturou pevných látek můžeme mít na mysli často rozdílné charakteristiky, a to v závislosti na měřítku. Někdy se vnitřní stavba, resp. Struktura podle měřítka rozlišuje následovně: 

makrostruktura



mikrostruktura



submikrostruktura



struktura na atomární úrovni [1]

MAKROSTRUKTURA Makrostrukturou rozumíme ty části vnitřní stavby, které lze pozorovat pouhým okem, tzn. Jejich rozměr je řádově v mm. U dřeva lze např. vidět soubory, resp. Uspořádání vláken Vnitřní stavba pevných látek celulózy U kovových materiálů lze, většinou po jisté přípravě, rozlišit jednotlivé části svarových spojů, nebo makrostrukturu ingotů [1]

MIKROSTRUKTURA Mikrostruktura představuje ty části vnitřní stavby, které mají rozměr v desítkách až stovkách μm. Může se jednat např. o jednotlivé krystalky (zrna) v polykrystalickém materiálu. [1]

SUBMIKROSTRUKTURA Submikrostruktura představuje ty části vnitřní stavby, které mají rozměr v desítkách až stovkách nm, a jsou tedy cca 1000x menší než části mikrostruktury. Může se jednat o různé drobné částice, nebo i poruchy vnitřní stavby, jak bude uvedeno dále. Submikrostruktura již není pozorovatelná běžnými mikroskopy, ale je zapotřebí použít speciálních mikroskopů, nejčastěji tzv. elektronových mikroskopů. Ty využívají jako zdroj záření svazek elektronů okratší vlnové délce, než má běžné světlo. Tím dochází k podstatnému zvýšení jejich rozlišení a umožňují pozorování částí struktury právě o rozměrech v desítkách, resp. Stovkách nm. [1]

17

STRUKTURA NA ATOMÁRNÍ ÚVORNI Struktura na atomární úrovni představuje zejména způsob uspořádání jednotlivých atomů, nebo iontů, 18acety. Molekul v materiálech. K jejímu pozorování jsou zapotřebí zvláštní mikroskopy, 18acety. Přístroje. V pevném skupenství rozlišujeme dva základní stavy, pokud jde o uspořádání elementárních částic. Jedná se o stav krystalický a stav amorfní. [1]

STAV KRYSTALICKÝ Stav krystalický je charakterizován pravidelným, periodickým uspořádáním elementárních částic (většinou atomů nebo iontů). Je pro něj charakteristické, že zde existuje uspořádání na dlouhou vzdálenost (vzdálenost až v μm, tj. desetitisíce i více atomů). S krystalickým stavem se setkáváme u většiny kovových materiálů a také u velké části konstrukční keramiky. Jen v omezené míře nacházíme krystalický stav u některých polymerů. [1]

STAV AMORFNÍ Stav amorfní je charakterizován nepravidelným uspořádáním elementárních částic, resp. Absencí uspořádání na dlouhou vzdálenost, tedy toho uspořádání, které existuje ve stavu krystalickém. Přitom i v amorfním stavu může existovat uspořádání na krátkou vzdálenost (viz výše – pravidelnost v uspořádání na vzdálenost do cca 1 nm). Pro srovnání krystalického a amorfního stavu můžeme použít např. oxid křemíku SiO2. Ten je znám jako minerál křemen, který je krystalický. SiO2 je ale také základní složkou skla, což je typický představitel materiálu amorfního. V obou případech je základní strukturní jednotkou tetraedr (čtyřstěn) SiO4 – s atomem křemíku uprostřed čtyřstěnu a atomy kyslíku v jeho vrcholech. Zatímco v případě křemene jsou tetraedry uspořádány pravidelně, takže vytvářejí krystalovou mříž, v případě skla jsou tyto tetraedry v prostoru uspořádány nepravidelně. Samy o sobě však tyto tetraedry představují uspořádání na krátkou vzdálenost, které tedy existuje i v amorfním přechodné uspořádání na krátkou vzdálenost. [1] Srovnání krystalického stavu SiO2 (křemen, modifikace cristobalit) a amorfního stav (sklo) Obrázek 2.4 křemen – krystalický stav

Zdroj: [2]

18

Obrázek 2.5 sklo- amorfní stav

Zdroj: [2]

Krystalický stav je pro pevné látky častější, a proto se budeme v následující části věnovat některým jeho základním charakteristikám. Krystalický stav charakterizován pravidelným, periodickým uspořádáním atomů s tím, že uspořádání existuje na dlouhou vzdálenost. Pravidelné, periodické uspořádání atomů v krystalu znamená, že středy atomů (označujeme je jako uzlové body) lze proložit soustavu 3 navzájem různoběžných směrů – přímek a takovou soustavu nazýváme prostorovou nebo také krystalovou mřížkou. Je velmi důležité uvědomit si, že ani v pevném skupenství nejsou atomy v krystalové mříži v klidu. Vykonávají vibrační pohyb okolo uzlových bodů, které představují rovnovážné polohy atomů. Intenzita vibračního pohybu atomů (frekvence i amplituda) roste s rostoucí teplotou. Uzlové body bývají v této souvislosti definovány jako body, ve kterých se atomy nacházejí s největší pravděpodobností. Prostorová (krystalová) mřížka již dobře popisuje krystal při vhodném výběru soustavy směrů. Z mnoha důvodů je vhodné vybrat, resp. Vymezit v krystalové mřížce základní „stavební“ jednotku, jakousi cihličku, jejímž opakováním lze celý krystal vystavět. Tato základní stavební jednotka krystalu se nazývá elementární (základní) buňka. V krystalové mřížce se elementární buňka volí podle jistých pravidel. Tím základním pravidlem je, že souměrnost neboli symetrie elementární buňky má odrážet co nejlépe souměrnost celého krystalu. Existují i další pravidla pro výběr elementární buňky, ale s těmi se jistě seznámíte v jiném předmětu. Ve všech 7 existujících krystalových soustavách (od triklinické po kubickou) lze vytvořit celkem 14 rozdílných prostorových mřížek (říká se jim také Bravaisovy mřížky) a každé z nich přisoudit jednu elementární buňku. [1]

19

Obrázek 2.6 Příklad základní stavební jednotky krystalografie

Zdroj: [1]

SCHEMA MIKROSTRUKTURY OCELI

Obrázek 2.7 Krystalografická struktura zrna (trhlina)

Zdroj: [1]

20

NENÍ VŠE DOKONALÉ ANI V PŘÍRODĚ V životě i v přírodě existuje jen máloco dokonalého. Výjimkou v tomto směru nejsou ani krystaly, resp. Krystalické látky. I v nich, nebo přesněji v jejich vnitřní stavbě existují různé vady, poruchy, nedokonalosti. V některých případech mohou tyto poruchy zhoršit vlastnosti látek, jindy mohou být mimořádně užitečné, protože umožňují průběh celé řady dějů, které by bez přítomnosti těchto poruch neproběhly. Poruchy krystalové mřížky se nejčastěji dělí podle své velikosti, a to na poruchy bodové, čárové, plošné a prostorové. [1]

2.7 Bodové poruchy krystalové mřížky Bodové poruchy patří mezi nejmenší poruchy krystalové mřížky a jejich velikost odpovídá zjednodušeně velikosti atomů v krystalové mřížce. Nejdůležitějšími bodovými poruchami jsou tzv. vakance a interstice. [1]

Vakance Vakance představuje neobsazený uzlový bod v mřížce. V místě, kde očekáváme vzhledem k periodicitě uspořádání atom, ve skutečnosti žádný atom není. Vakance jsou poruchy velice důležité, protože usnadňují difúzi atomů, tedy pohyb atomů krystalovou mřížkou. Podíl vakancí v krystalové struktuře je obecně tím vyšší, čím vyšší je teplota. Nejvyšší podíl vakancí bývá těsně pod teplotou tuhnutí. Pro měď se např. uvádí, že podíl vakancí těsně pod teplotou tuhnutí je cca 10-4, tzn. Že každý desetitisící uzlový bod je neobsazený. S klesající teplotou pak podíl vakancí klesá. [1]

Interstice Interstice je druhým nejdůležitějším případem bodové poruchy krystalové mřížky. Je v zásadě protipólem vakance. Interstice představuje atom v meziuzlové poloze (dutině mřížky). Atom je tedy někde, kde bychom ho normálně neočekávali. [1]

ČÁROVÉ PORUCHY – DISLOKACE Čarové poruchy představují druhou skupinu poruch krystalové mřížky. Nazývají se dislokacemi. Jedná se o poruchy polohy určité skupiny atomů. Je pro ně charakteristické to, že jejich přítomnost lze vztáhnout k určité myšlené čáře v krystalu a odtud mají označení čárové poruchy. Základními typy dislokací jsou hranová a šroubová dislokace, přičemž každá z nich je v zásadě odlišná. [1] Obrázek 2.8 Příklad šíření dislokací krystalem

Zdroj: [1]

21

Při pohybu dislokací dochází k zániku existujících a vzniku nových vazeb mezi atomy. Proto je pohyb dislokací možný v zásadě jen u krystalických materiálů, které mají kovovou vazbu. U materiálů s kovovou vazbou jsme totiž uvedli, že sousední atomy ani nesdílí své valenční elektrony, ani je jeden atom druhému neodevzdal. Z tohoto důvodu je u kovové vazby atomům vcelku jednoho, koho mají za souseda, a zánik, resp. Vznik nových vazeb mezi atomy, může poměrně snadno proběhnout. [1] Obr. 1.8 Příklad hranice zrna u lamelárního perlitu – ocel

Zdroj: [1]

2.8 Mechanické vlastnosti – co vlastně příroda dovolí? Pochopili jsme snad trochu lépe, že nemůžeme chtít vše. Je to podobné, jako když přijde malé dítě do hračkářství a zeptáte se ho, co chce, tak řekne všechno. To nejde ani v reálné praxi ani ve výzkumu. S velkou pokorou musíme vnímat a poznávat vše, co příroda již vytvořila, vše, co nám odkázali již naši předci v poznání mnoha a mnoha zkoušek, pokusů a omylů a vše, čím disponujeme z hlediska vyspělé techniky a elektroniky, která nám pomáhá jít hlouběji do poznání nejen struktury, ale i vlastností a budoucích vlastností nových materiálů a kompozitů. [1] Mechanické vlastnosti přestavují základní charakteristiky chování materiálů při mechanické mrmaci a porušení. Základní mechanické vlastnosti konstrukčních materiálů jsou pružnost, pevnost, plasticita a houževnatost, ale mechanických charakteristik je daleko více. [1]

PRUŽNOST Pružnost je popsána následujícími charakteristikami – modulem pružnosti v tahu E, modulem pružnosti ve smyku G, koeficientem příčné deformace μ. Modul pružnosti většiny materiálů závisí na tuhosti vazby mezi atomy nebo ionty a na hustotě vazeb. Největší tuhost má kovalentní vazba (20 až 200 N/m), která má také nejsilnější vazebnou energií. [1]

PEVNOST Pevnost vyjadřuje maximální napětí, kterým můžeme materiál zatížit, aniž by došlo ke vzniku defektů nebo jeho porušení. Pevnost polykrystalických materiálů závisí na několika faktorech. Těmi jsou velikosti vnitřního odporu při skluzové plastické deformaci (je dána hodnotou Peierls-Nabarrova (PN) napětí – viz. Pozn.), počtem skluzových systémů a kohezní pevností hranic zrn. Kovy mají poměrně nízkou hodnotu PN napětí a minimálně 5 nezávislých 22

skluzových systémů, proto u nich plastická deformace probíhá poměrně snadno. Naopak u keramických materiálů je hodnota PN napětí vysoká a počet nezávislých skluzových systému nízký. Plastická deformace v nich probíhá obtížně. Keramické materiály mají malou kohezní Základní vlastnosti konstrukčních materiálů pevnost hranic zrn ve srovnání s kovy a proto je jejich pevnost v tahu nižší. Kovů a plastů mezí kluzu. [1]

HOUŽEVNATOST Houževnatost je vlastnost, která se projeví při mechanickém zatěžování materiálu a je charakterizována jako odpor materiálu proti iniciaci a šíření trhlin. Přímo souvisí se schopností plastické deformace materiálu. Čím vyšší je schopnost materiálu plasticky se deformovat, tím více bude daný materiál odolávat šíření trhlin. Kovy a kompozitní materiály s kovovou matricí budou mít tedy mnohem vyšší houževnatost než konstrukční keramika nebo skla. [1] Obrázek 2.9 Příklad diagramu fází zkoušky tahem

Zdroj: [2]

Technologické vlastnosti nám určují vhodnost materiálu k určitým technologickým operacím a postupům. Nejdůležitější technologické vlastnosti jsou tvařitelnost, svařitelnost, slévatelnost a obrobitelnost. [1]

TVAŘITELNOST Tvařitelnost je schopnost materiálu vytvořit požadovaný výrobek bez vad plastickou deformaci za tepla nebo za studena. [1]

SVAŘITELNOST Svařitelnost je schopnost materiálu vytvořit svarový spoj požadovaných vlastností. Svařitelnost se hodnotí z hlediska technologického (závisí na zvolené technologii a parametrech svařování), metalurgického (závisí na složení, struktuře svařovaného materiálu, rozměrových změnách a pnutí vzniklých během svařování) a konstrukčního (závisí na tvarovém řešení svarového spoje). [1]

23

SLÉVATELNOST Slévatelnost je schopnost vytvořit odlitek předepsaného tvaru a rozměrů bez vad a s odpovídajícími vlastnostmi. Představuje souhrn slévárenských vlastností, jako jsou tavitelnost, tekutost, smršťování, odmíšení, pohlcování plynů. Základní vlastnosti jsou zabíhavost a smrštění kovu. [1]

OBROBITELNOST Obrobitelnost popisuje způsob obrábění materiálu, práci, která se vynaloží na oddělení třísky a stupeň drsnosti, který se po obrobení dosáhne. Technologické vlastnosti nelze vyjádřit pomocí fyzikálních veličin, ale zjišťují se pomocí technologických zkoušek. Charakteristickými technologickými zkouškami jsou zkoušky lámavosti, hlubokotažnosti, zabíhavosti, zkouška na stanovení stupně obrobitelnosti. Postup většiny technologických zkoušek je normovaný. [1]

2.9 Shrnutí poznatků materiálového inženýrství Ve výše uvedené kapitole jsme si udělali jen malý „výlet“ do problematiky struktury a vlastností materiálů, které jsou předmětem výzkumu v oblasti materiálového inženýrství. Přes skutečnost, že naši předkové nám zanechali velké bohatství v podobě znalostí, zkušeností a dovedností, stojí před budoucí generací celá řada výzev a mnoho nepoznaného. Zejména tehdy, pokud budeme vyžadovat zcela nové specifické vlastnosti, které příroda nedokázala vytvořit. Souvisí to i se schopností lidstva poznávat nové světy i sama sebe. [1]

24

POUŽITÁ LITERATURA: [1] Nétek V., Fabík R. Projekt FRVŠ 2544/2009/F1/dMultimediální výuka průmyslových technologií,04 [2] FABÍK, R.; BUBOVÁ, E.; KRNÁČ, J.; KAWULOK, P.; NÉTEK, V. Influence of the type of reduction schedule on microstructure evolution and mechanical properties upon drawing of a near-eutectoidwire. [3] Hutnické listy. 2008, roč. 61, č. 7, s. 11-17. (20%) Jrec [4] FABÍK, Radim, Václav, NÉTEK. The Influence of the Friction Coefficient and of the Reducing of the Diameter in the Individual Pass on the Homogeneity of the Strain Field during Drawing of Steel Wire for Tyre Cords. Hutnické listy, 2009, roč. 62, č. 6, s. 26-30. ISSN 00188069. [5] JONŠTA, Zdeněk a Božena WALDEROVÁ. Nauka o kovech I. 2. vyd. Ostrava: VŠBTechnická univerzita, 1999, 128 s. ISBN 80-7078-979-4. [6] JONŠTA, Zdeněk, Lubomír ČÍŽEK a František FILUŠ. Praktikum z nauky o kovech. 3. vyd. Ostrava: VŠB-Technická univerzita, 2000, 159 s., [20] s. obr. příl. ISBN 80-7078-957-3. [7] FIALA, Jaroslav, Pavol ŠUTTA a Václav MENTL. Struktura a vlastnosti materiálů. Vyd. 1. Praha: Academia, 2003, 572 s. ISBN 80-200-1223-0. [8] KRATOCHVÍL, Petr, Pavel LUKÁČ a Boris SPRUŠIL. Úvod do fyziky kovů. Vyd. 1. Praha: SNTL - Nakladatelství technické literatury, 1984, 243 s. [9] STRNADEL, Bohumír. Řešené příklady a technické úlohy z materiálového inženýrství. Ostrava: B. Strnadel, 1998, vi, 334 s.

Internetové zdroje [10] Exospace. 2013. Přednáška poprvé z měsíce [online]. [cit. 2015-05-11]. Dostupné z: http://exospace.cz/prednaska-poprve-z-mesice/

25

3 PRÁŠKOVÁ METALURGIE „Představuje specifický obor metalurgie, jehož předmětem je výroba kovových prášků a jejich směsí s nekovovými materiály. Výsledkem je výroba širokého spektra produktů na bázi slinovacích a tvářecích procesů. Tyto výrobky se vyznačují vysokou tvarovou přesností, tvrdostí a dalšími vlastnostmi, které neumí dosáhnout klasické metody primární metalurgie.“

3.1 Základní technologické operace: 1) Technologie výroby kovových prášků a jejich sloučenin 2) Technologie míchání prášků a úprava práškových materiálů 3) Technologie tvarování polotovarů – tvářecí operace /lisování, protlačování aj/ 4) Technologie slinování /sinter technology/-spékání 5) Technologie konečného opracování, úprav /kalibrace, napájení olejem, napájení kovy, broušení, chemicko technologické zpracování aj./

LISOVÁNÍ Účelem lisování je vytvořit vysoce přesný konečný tvar výrobku na základě předem připravené formy- matrice. Výsledkem je velice křehký polotovar připravený k následné technologické operaci slinování

SLINOVÁNÍ Základním principem je spojení práškových materiálů za využití teplot, které se pohybují pod absolutní teplotou tavení základní složky kovu /teplota tání základního kovu/, přičemž může dojít k částečnému roztavení části materiálu /těch kovů ve směsi/, které mají nejnižší teplotu tání nebo k roztavení vznikajících fází s nízkou teplotou tání. Vždy se však jedná o minoritní část celkového objemu spékaného materiálu. Zpravidla se teploty pohybují v rozmezí 35 – 78 % teploty tání základní složky.

3.2 Význam technologie práškové metalurgie Jako výroba práškových kovů a jejich slitin, které slouží pro úpravu a konečné zušlechtění výrobků základních technologií v různých odvětvích: 

cementace



povlakování



navařování



pyrotechnika



broušení, leštění, vrtání aj

26

B. Zabezpečení výroby z materiálů, které umožňují dosáhnout nové 27 acety 27 na vlastnosti výrobků. Tyto vlastnosti nelze dosáhnout technologií klasické metalurgie a to zejména: 

Pórovitost



Třecí a kluzné vlastnosti



Kompozice kovu s nekovem



Supertvrdé materiály aj.

C. Ekonomika výroby užitím technologie finálního tvaru Jedná se o vysoce přesné tvarování výrobků se 27acety27na2727 vlastnostmi v celé části své materiálové struktury /homogenita/ Technologie práškové metalurgie umožňuje vysokou automatizaci technologických procesů, hromadnost výroby a celkovou nižší spotřebu energie na dosažení požadovaného produktu.

OBORY VÝROBKŮ PRÁŠKOVÉ METALURGIE 1)

KLUZNÉ

2)

TŘECÍ

3)

PÓROVITÉ

4)

DISPERZNĚ ZPEVNĚNÉ

5)

SLINUTÉ KARBIDY

6)

MAGNETICKÉ

7)

UHLÍKOVÉ

8)

KOMPOZITY

9)

SUPERSLITINY

KLUZNÉ MATERIÁLY      

Samomazná ložiska Pístní kroužky a vodící pouzdra Ostatní strojírenské součástky Vysoká pórovitost 10-30 %, sycení olejem Pórovité železo + grafit, pórovitý bronz Práškové železo s nízkým obsahem uhlíku pod 0,1%

27

TŘECÍ MATERIÁLY Směs kovových a nekovových prášků: 

s vysokým součinitelem tření



stálé v širokém rozmezí teplot



vysoká odolnost proti opotřebení

Kovokeramické třecí materiály mají 2 funkce: 

Schopnost přenášet vysoký kroutící moment



Schopnost zajistit stanovený prokluz

Báze základního kovu – železo a bronz Báze nekovového materiálu Součásti spojek Rotační součásti strojů Rotační součásti energetických materiálů Brzdové součásti

PÓROVITÉ MATERIÁLY Na rozdíl od klasické metalurgie, kde se snažíme ve většině případů o snížení pórovitost, v oblasti některých 28acety28na2828 užití můžeme využít této vlastnosti a rozšířit její funkci pomocí technologie práškové metalurgie. Základní využití této vlastnosti je: 

v oblasti FILTRACE jako kovové filtry Pórovitost zde dosahuje hodnoty až 60 %.

Vlastnosti kovových filtrů: 

Mechanická pevnost



Odolnost proti vysokým teplotám až 400 stupňů



Korozní odolnost v agresivním rostředí



Rovnoměrnost filtrace



Možnost spojování filtrů

    

Filtrační prvky pro filtraci plynů Bezpečnostní plamenové pojistky u rychle zápalných plynů Filtrace v chladících mediích Tlumení zvuku, tlakových rázů Filtrace vysokoviskozních látek

Užití kovových filtrů:

28

PŘÍKLADY PROCESŮ FILTRACE PLYNŮ Obrázek 3.1 Filtrace plynů

rozdělování

tlumení uklidnění Pojistka proti výbuchu Oddělení separace, filtrace Zdroj: autor

29

VYSOKOTAVITELNÉ KOVY 

Ty kovy, jejichž teplota tavení je vyšší než u železa / 1536 stupňů/



Ni, Zr ,Ta , Ti, Mo, W aj.



Dvoustupňový proces slinování



Předslinování při teplotě 1000 – 1400 stupňů



Konečné slinování 800 – 3 100 stupňů



Trysky kosmického průmyslu, žárovky, topné dráty aj.

SLINUTÉ KARBIDY 

Nástrojové materiály, vyznačující se vysokou tvrdostí, odolností proti otěru, vysokou pevností a houževnatostí při namáhání a vysokým modulem pružnosti



Slinutý karbid se sestává z jednoho nebo více karbidů vysokotavitelných kovů, které jsou spojeny pomocí pojící fáze, zpravidla kobaltu



Nejznámější jsou karbid wolframu a karbid titanu a jejich kombinace



Slinuté karbidy se používají pro řezné nástroj, průvlaky ro výrobu drátu, výrobu umělých diamantů a kubického nitribu bóru – jako základ vrtných korunek k dobývání ložisek

SUPERSLITINY 

Supertvrdé materiály blízké diamantu



Svou tvrdostí se blíží tvrdosti přírodního diamantu a převyšují tvrdost korundu



Jedná se o práškové sloučeniny vysokotavitelných kovů, jako jsou boridy, nitridy a karbidy a sloučeniny nekovů typu karbidu boru a křemíku.



Supertvrdé materiály se používají k broušení, a leštění tvrdých ocelí a výrobků práškové metalurgie



Dále se používají v podobě brusných past a prášků ve spojení se syntetickým diamantem



V posledním období se využívají i k opracování nových typů plastických hmot, keramických materiálů a kompozitů.

30

Nová technologie vysoce produktivních obráběcích nástrojů s využitím výrobků práškové metalurgie Obrázek 3.2 Vrtací nástroj s břitovými destičkami (prášková metalurgie)

Zdroj: Firemní materiály Pramet Šumperk

31

4 DIAMANT JAKO ZÁKLAD PRŮMYSLOVÉHO ROZVOJE 4.1 Jak vlastně vypadá diamant? Obrázek 4.1 Příklad broušeného přírodního diamantu

Zdroj: Konference Diamant 2008 VSB-TUO sborník referátů

Obrázek 4.2 krystalografická mřížka diamantu

Zdroj: Konference Diamant 2008 VSB-TUO sborník referátů

32

4.2 Jak vnímali diamant naši předkové (Ottův slovník naučný) Broušení drahokamů. Přirozené tvary drahokamů jen zřídka dopřávají vyniknouti všem jejich nádherným a lahodným vlastnostem, a teprve ruka lidská přetvořujíc tvary ty odhaluje jejich krásu barvy, vysoký stupeň lesku, průhlednost i oheň kamene. Způsob, jak se přirozené tvary drahokamů mění ve tvary jiné, umělé, obyčejně značným počtem souměrně rozložených plošek (facett) opatřené, zove se uměním brousiti drahokamy. Nejstarší národové neznali tohoto způsobu upravování drahokamů přestávajíce na ledabylém obroušení rohův a povrchním opravení lesku. Důležitý obrat nastal roku 1456. Ludvík van Berquem z Flander poznal, že diamant, vlastním jeho práškem možno mnohem snadněji brousiti, než jak doposud se dalo. Tím nabyl diamant pravé své ceny, neboť nový způsob umožňoval dáti mu při broušení takovou podobu, aby zvláště optické jeho vlastnosti vynikly v plné kráse. Účinek toho byl pozorovati i při brusičství ostatních drahokamů. Zaváděny nové tvary a vůbec nastal veliký pokrok. V Čechách, jak se zdá, rozšířeno umění toto koncem XVI. Stol. Již r. 1609 obdržel pražský brusič Kašpar Lehman privilej brousiti sklo a křišťály. V téže době objevují se počátky tohoto umění též v Turnově, kam je Benátčané přenesli. Umění to, zde obecně kamenářstvím zvané, dospělo časem velké dokonalosti. Broušení diamantů připravuje se jich štípáním a třením či stíráním. Úlohou přípravné práce jest upraviti diamant tak, aby měl, pokud možno, 33acety33na33 podobu osmistěnu (poněvadž osmistěn nejzpůsobilejší jest k řezu brillantovému), čehož se dosahuje odštěpováním nepotřebných částic. Druhým účelem štípání jest odstraniti nečistá místa, péra, trhliny a pukliny. Štípání děje se tím způsobem, že diamant nasadí se na dřevěnou tmelku a buď pilkou diamantovým práškem natřenou se nařízne, nebo jiným ostrým diamantem vryje se do něho určitým směrem rýha, která se pak dle potřeby rozšíří a prohloubí. Jemným nárazem na malé dlátko, jež v rýhu nasadíme, odštěpí se žádaná část krystalu, což se provádí na všech stranách, kde toho je třeba. Na to následuje tření či stírání diamantu, mající účel naznačiti na něm základní polohy jednotlivých plošek určitého řezu. Na sázený diamant se jiným diamantem, rovněž ve tmelce připevněným, tře na místech, kde mají býti plošky. To děje se nad zvláštní skřínkou, síťovitým plechem vyloženou, která na svých hořeních dvou delších hranách má železné kolíčky k tomu účelu, aby o ně brusič obě tmelky, které nad schránkou proti sobě drží, náležitě opříti mohl a tím zvětšenou silou třel. Obojí tato přípravná práce musí se prováděti s největší opatrností, aby drahocenného materiálu co možno bylo šetřeno. Po té nastává broušení a leštění. Kdežto u ostatních drahokamů tyto práce jsou odděleny, u diamantu vykonává se obé zároveň, a sice na litém železném kotouči známým způsobem zrýhovaném, jenž dle vynálezu Berquemova (1456) občas se natírá jemně rozetřeným, v oleji rozmělněným diamantovým práškem. Prášek tento připravuje se dílem z nepravidelných aneb úplně nečistých, k broušení nevhodných krystalů, dílem z tmavých odrůd »carbonados« zvaných, i také z odštěpkův a částic při štípání a stírání diamantů nashromážděných. Diamant k broušení připravený připevní se tmelem kovovým (obyčejně smíšeninou olova a cínu) v kovovou tmelku, mající tvar duté polokoule na měděném kolíčku připevněné. Rozehřátá 33acety33na tato naleje se do tmelky a stydneli, dá se jí tvar kuželovitý a do vrcholu vsadí se diamant. Tmelka upevní se ve zvláštních kleštích a položí se na brousicí kotouč. Kleště obtěžkávají se nějakým těžkým předmětem, obyčejně kousky olova, aby se diamant ke kotouči náležitě přitlačen měl stálou polohu a rychleji se brousil. Kotouč přivádí se do pohybu obyčejně parou, tak že až 3000 oběhů za minutu vykonává. Teplo při tom se vyvíjející rozehřálo by zatmelený diamant, kdyby místo tmelu kovového vzal se tmel obyčejný, jako při broušení jiných drahokamů. Jakmile se první ploška 33

vybrousila, rozehřeje se tmel v řeřavém uhlí a diamant obrátí se ve tmelu tak, aby jiná část k vybroušení protilehlé plošky byla připravena. To opakuje se tolikrát, až všechny 34acety na svršku i ze spodku jsou vybroušeny. Jelikož broušení jediné plosky 3 – 4 hod., ba i déle trvá. Stačí 1 brusič k obsluze 6 – 8 diamantů na tomtéž kotouči. Kromě brillantů dává se diamantům tvar roset, na které vybírají se zvláště kousky nižší, z nichž brillant toliko ohně prostý vybrousiti by se mohl. Průmysl tento kvete hlavně v Amsterdamu a v Antverpách, kdež jsou velké parní brusírny. Kromě toho brousí se diamanty též v Hanavě, v Londýně, v Paříži, v NewYorku a v Čechách v Turnově.

4.3 Krystalografie diamantu V molekule elementárního diamantu se nachází 8atomů uhlíku, každý spojený se 4 sousedy. Síť diamantů díky zvláštnímu hustému nahromadění atomů a díky valenčním vazbám mezi nimi je zodpovědná za jeho nejvyšší tvrdost a velmi vysokou hustotu. V šestistěnném krystalu můžeme najít 3krystalografické plochy, které mohou být použity, abychom popsali jeho strukturu. Rodina rovin se udává v závorce: { } Konkrétní roviny jsou označené závorkami( ), rodina směrů je označena závorkami < >konkrétní směry jsou označeny závorkami [ ]. Roviny, které v diamantu opracováváme, mají různé stupně tvrdosti i snadnosti leštění závislé na orientaci opracovávané plochy. Nejměkčí je směr <100> v rovině{100}. Nejtvrdší je směr <111> v rovině { 111 }.

Obrázek 4.3 Krystalografie diamantu

Zdroj: Konference Diamant 2008 VSB-TUO sborník referátů

Rodina rovin {100}, 4bodová

Rodina rovin{111}, 3bodová

Je li diamant krychlový, roviny jsou kolmé na příslušné směry

34

Obrázek 4.4 Model krystalu diamantu s popsanými rovinami

Zdroj: Konference Diamant 2008 VSB-TUO sborník referátů

4.4 Ukázka výrobků z umělého diamantu Obrázek 4.5 Vrtné korunky pro naftové vrty, osázené průmyslovými diamanty

Zdroj: Firemní materiály Pramet Šumperk veletr Brno – nová technologie metalurgie

Obrázek 4.6 Řezací kotouče s vrstvou diamantového prášku pro přesné řezání skla a keramiky

Zdroj: Firemní materiály Pramet Šumperk veletr Brno – nová technologie metalurgie

35

4.5 Superslitiny Supertvrdé materiály blízké diamantu Svou tvrdostí se blíží tvrdosti přírodního diamantu a převyšují tvrdost korundu Jedná se o práškové sloučeniny vysokotavitelných kovů, jako jsou boridy, nitridy a karbidy a sloučeniny nekovů typu karbidu boru a křemíku. Supertvrdé materiály se používají k broušení, a leštění tvrdých ocelí a výrobků práškové metalurgie Dále se používají v podobě brusných past a prášků ve spojení se syntetickým diamantem V posledním období se využívají i k opracování nových typů plastických hmot, keramických materiálů a kompozitů. Obrázek 4.7 Ukázka technologie výroby superslitin s využitím práškové metalurgie

Zdroj: Konference diamant 2008 VSB-TUO sborník referátů

36

5 MATERIÁLOVÉ INŽENÝRSTVÍ DRÁT A VÝROBKY Z DRÁTU 

Poznáte, co všechno je vyrobeno z drátu v osobním autě?



Poznáte, co zajišťuje jeho funkci a bezpečnost?

Víte že: 

při průměrné váze osobního auta 1 440 kg je tam 184 kg výrobků z drátu



Jak to vlastně celé dohromady funguje? Proč ocelová pružina pruží?

Obrázek 5.1 Schéma aplikace drátu v komponentech montáže osobního automobilu

Zdroj: autor

37

5.1 Pružiny z ocelového drátu V převážné většině výrobků našeho průmyslu se setkáváme s pružinami jako s velmi důležitými a nezbytnými součástkami, nahrazujícími svou funkcí složité mechanismy, kterých by bylo jinak zapotřebí, aby stroje, přístroje, dokonce i lidé vykonávaly činnost, pro kterou jsou určeny. Nejsou daleko doby, kdy byly pružiny považovány za součásti podřadného významu, což souviselo i se stavem techniky, který většinou nekladl na pružiny vyhraněné požadavky. Závody od největších podniků až po nejmenší dílny si vyráběly pružiny pro svoji potřebu většinou samy, při čemž nebyla věnována výrobě pružin dostatečná pozornost hlavně po stránce volby účelného tvaru, správných rozměrů a správné jakosti výchozího materiálu. Teprve mohutný rozvoj techniky a postupující specializace ve výrobě, kladoucí zvýšené požadavky a jakosti pružin, způsobily, že se jejich výroba časem soustředila do speciálních výrobních závodů – péroven. Tím bylo umožněno, aby pérovny byly vybaveny speciálním výrobním zařízením na sériovou a kusovou výrobu pružin, jakož i jejich kontrolu. Tato specializace umožňuje získávat a shromažďovat ve výrobě další zkušenosti pro neustálé zlepšování kvality, požadované stoupajícím technickým rozvojem.

5.2 Historie pružin Pravěký člověk poznal pružiny z jevů, které pozoroval v přírodě. Věděl, že například dřevo pruží. Viděl, jak se větve stromů prohýbané větrem vracejí do původní polohy. Toho využíval k vynálezů luků a k lukostřelbě.

Příklady: Luk je známý již 3-4 tis. Let. Dřevěné pružiny se používaly v pastích na zvěř asi tisíc let před naším letopočtem. Prvním vynálezem u našich prapředků byl obyčejný spínací špendlík.

Obrázek 5.2 pravěké bronzové spínadlo

Zdroj: autor

38

5.3 Charakteristika pružin Pružiny jsou jednoduché strojové části, které se ve strojírenské praxi používají na velmi rozmanité účely. Zodpovídají tomu různé tvary, materiály a konstrukční řešení konkrétní pružiny i jejich výpočet. Velikost tuhosti určité pružiny není ve všeobecné konstantní hodnotě, ale je funkcí zatěžující síly. Proto je vhodné, při posuzování vlastnosti konkrétní pružiny vycházet z jejich charakteristiky. Jestliže má pružina řádně plnit svůj úkol, musí být správně navržena a zkonstruována, musí pro ni být:   

vhodně zvolen tvar, rozměry, materiál (z něhož bude vyrobena).

NÁVRH PRUŽIN Při návrhu musí konstruktér dbát, aby pružina nebyla větších rozměrů, než je k danému účelu třeba, a její správné rozměry má zjistit již při určování velikosti prostoru, v němž má konat svoji funkci. Nedodrží – li tuto zásadu, může se stát, že bude nucen do malého prostoru vtěsnat pružinu menších rozměrů, která nebude plnit funkci, pro níž je určena, a to obvykle ani při použití nejkvalitnějšího výchozího materiálu. Protože až na nepatrné výjimky neexistuje normalizace, která by zaváděla jednotné rozměry a tvary pružin, musí konstruktér pružinu do všech podrobností zkonstruovat sám.

VÝPOČET PRUŽIN Při výpočtech se předpokládá, že jsou pružiny vyrobené z pružného materiálu a že jsou namáhané jen v mezích své pružnosti, tj. že v nich nedochází k plastickým deformacím. Jen správný výpočet poskytuje záruku, že pružina bude mít správné rozměry, jim odpovídající napětí materiálu při pružení, žádanou sílu, že mez pružnosti nebude při její funkci překročena, pružina se nezdeformuje a po odlehčení se vrátí do původní délky. Pro výpočet mívá konstruktér k dispozici zpravidla pouze vzorce pro výpočet funkce pružiny z nauky o pružnosti a pevnosti nebo i z jiných literárních pramenů, pojednávajících o výpočtech pružin. Často se mu vyskytne problém, které hodnoty má za určité veličiny v těchto vzorcích dosadit, např. jak velké má zvolit napětí, jakou hodnotu u pružinových materiálů má modul pružnosti ve smyku apod. I když pro výpočet použije správných hodnot, dojde mnohdy k nesouladům mezi žádanými (vypočtenými) vlastnostmi a skutečnými vlastnostmi vyrobené pružiny, a to zvláště tehdy, opomine-li konstruktér při výpočtech výrobně technologických i funkčních zvláštností pružin.

39

FYZIKÁLNÍ PODSTATA ČINNOSTI PRUŽIN Fyzikální podstata je založená na vlastnosti většiny konstrukčních materiálů – pružné deformaci při působení vnějších sil. Pro možnost porovnání jednotlivých materiálů i samotných pružin je účelné pro ně definovat určitý ukazatel pružnosti, resp. Tuhosti. V podstatě podle kontrukce a jejich použití pružiny můžou být namáhané tahem, tlakem, krutem, ohybem a smykem

5.4 Materiál na výrobu pružin Výchozím polotovarem je válcovaný drát za tepla s průměrem 5,5 mm a větší. Drát je po předběžném tažení na požadovaný průměr a žíhání patentován. Po konečném tažení je volen takový celkový úběr, aby se dosáhlo příslušných mechanických vlastností. K výrobě pružin se užívá materiálů charakterizovaných vysokou pevností, pružností a houževnatostí. Volba materiálu, z něhož má být pružina vyrobena, musí se řídit především: 

funkcí pružiny a její důležitostí,



velikostí napětí materiálu při funkci,



způsobem namáhání



vysokou nebo nízkou teplotou,



prostředím, v němž pružina pracuje (např. agresivní prostředí).

V takových případech se používají materiály, které mají sice nízkou pružnost (např. ocel), ale vyhovují ostatním předchozím požadavkům. Zvýšení poddajnosti pružin vyhotovených z těchto materiálů se dosáhne vhodným konstrukčním řešením. Netřeba jistě připomínat, že i zde rozhoduje hledisko nejvyšší hospodárnosti. V celé výrobě pružin z drátů do Ø 11,8 mm vysoce převládá použití drátů přirozeně tvrdé jakosti z ušlechtilé uhlíkové oceli, sorbitické struktury. Pružiny z tohoto materiálu se nekalí. Ovšem tam, kde jsou na pružiny kladeny zvláštní požadavky, jako odolnost proti vysokým teplotám a vůbec nezávislost mechanických vlastností na teplotě, odolnost proti korozi, nemagnetičnost apod., používá se jako výchozího materiálu některých slitinových ocelí, nebo jiných kovů a jejich slitin. Některé z těchto materiálů vyžadují, aby se pružiny po zhotovení ještě zakalily. K výrobě většiny šroubovitých pružin se používají dráty kruhového průřezu. Materiály s průřezem jiného tvaru, např. čtvercového nebo obdélníkového, se užívají velmi zřídka. Použití čtyřhranných materiálů sice umožňuje lepší využití daného prostoru, než u materiálů válcových, avšak využití objemu hmoty je u nich menší, než u materiálů s kruhovým průřezem.

40

Obrázek 5.3 Šroubovitá pružina

Zdroj: autor

5.5 Hlavní rozdělení pružin Pružiny rozdělujeme na 2 hlavní skupiny:

 pružiny tvarové -

deformace se docílí především tvarem (např. listové, zkrutné pružiny),

 pružiny materiálové -

založené na vnitřní deformaci materiálu (např. gumové, ocelové prstencové pružiny, torzní tyče)

Podle vnějšího tvaru rozlišujeme: 

šroubovité pružiny válcové,



kuželové,



dvoukuželové aj.

 

s vinutím pravým a s vinutím levým.

Podle smyslu vinutí rozeznáváme pružiny:

Úhel stoupání závitů, které u pružiny ve volném stavu mají mezi sebou vůli, může být stálý, nebo proměnný. Úhel stoupání se rozumí úhel, který svírá osa drátu tvořícího závit pružiny s rovinou kolmou na osu jejího vinutí.

TVAROVÉ PRUŽINY Hysterézní charakter závislosti deformace od zatažení a odlehčování se vůbec nepozoruje (jednoduché torzní tyče). Důležité však je, že třecí síla v tvarových pružinách nevzniká vnitřním třením v materiálu pružiny, ale v jejich uložení; to má za následek ve většině případů menší tlumení jako u pružin materiálových. Jako tvarové se označují pružiny z různě ztvarovaného drátu, který přitom netvoří žádný závit, nebo tvoří méně než jeden a půl plynulého závitu. Dalším typem pružin z drátu kruhového průřezu jsou pružiny spirálovité, které však představují jen jejich malou část.

41

Za tvarové pružiny se označují pružiny z různě tvarovaného drátu: 

válcové,



kuželové,



dvoukuželové.

S pravým a levým vinutím s různým úhlem stoupání závitů. Obrázek 5.4 Tvarové pružiny

Zdroj: Konference drát 2007 VSB-TUO sborník referátů

Pružiny šroubovité Mají závity se společnou osou vinutí, podle funkce se dělí na pružiny: 

tlačné



tažné



zkrutné

TLAČNÉ PRUŽINY jsou přizpůsobené k přejímání vnějších sil působících v ose v jejich šroubovité části proti sobě Obrázek 5.5 Tlačná pružina

Zdroj: Konference drát 2007 VSB-TUO sborník referátů

Obrázek 5.6 Plochá pružina

Zdroj: Konference drát 2007 VSB-TUO sborník referátů

42

Tlačné pružiny mají část činnou, tvořenou činnými závity, Obrázek 5.7 Schéma úhlu stoupání

Zdroj: Konference drát 2007 VSB-TUO sborník referátů

Činný závit se u tlačných i tažných pružin liší od závěrného tím, že se při funkční deformaci pružiny mění úhel stoupání. Na krajních závitech mají tlačné pružiny opěrné (styčné) plochy, jimiž jsou ve styku s dalšími součástmi.

TAŽNÉ PRUŽINY Jsou přizpůsobené k přejímání vnějších sil působících v ose v jejich šroubovité části od sebe. Obrázek 5.8 Tažné pružiny

Zdroj: Konference drát 2007 VSB-TUO sborník referátů

ZKRUTNÉ PRUŽINY Jsou způsobilé přejímat vnější síly, které na ně působí v rovinách kolmých k ose kroutícím momentem tak, že je stáčejí nebo roztáčejí. Obrázek 5.9 Schéma výpočtu úhlu stoupání a závěru vinutí konců zkrutných pružin

Zdroj: Konference drát 2007 VSB-TUO sborník referátů

43

Směr vinutí zkrutné pružiny (pravý, tj. v pravotočivé šroubovici, nebo levý, v levotočivé šroubovici) musí být ve výrobních podkladech jednoznačně udán nákresem nebo i slovně. Zkrutná pružina se konstruuje nejčastěji s takovým směrem vinutí, aby se při napínání zkrucovala a při vydávání energie rozkrucovala. Zkrutné pružiny mají kromě části činné nejčastěji dvě ramena k uchycení pružiny a přenášení kroutícího momentu. Místo jednoho nebo obou ramen mohou mít část závěrnou, zejména spojí-li se s dalšími součástmi našroubováním do části šroubovité.

SHRNUTÍ Za nejjednodušší pružinu namáhanou tahem je možné považovat ocelový drát, který je na jednom konci uchycený a na druhém konci působí zatěžující síla. Je zřejmé, že při požadavku na dostatečnou deformaci v mezích elasticity by musela mít pružina velmi velkou délku, což prakticky znamená, že je v praxi nepoužitelná.

5.6 Pružiny namáhané na krut Mezi pružiny namáhané na krut patří tažné a tlačné ocelové zkrutné pružiny, torzní tyče a také gumové krutem namáhané pružiny. U těchto druhů pružin se využívá vlastnost materiálů, a to především poddajnost při namáhání na krut oproti namáhání na tah nebo tlak.

Torzní tyče Torzní tyče jsou pružiny založené na zkrucování ocelové tyče při působení kroutícího momentu. Jejich výhodou je velmi jednoduchý tvar, ekonomické využití materiálu a jednoduchá výroba. Většinou je to hladká tyč kruhového průřezu a na obou koncích zesilněná. Zesilněné konce (mají obvykle asi o 30 % větší průměr než tenčí pružnější část) jsou kvůli upnutí vyrobené drážkováním nebo jiným typem tvarové vazby (např. šestihran, čtyřhran, pero). Jeden konec bývá uložený pevně, druhý bývá ve spoji posuvný. Pro zvýšení únavové pevnosti se musí vhodně volit přechody mezi hladkou tenčí a zesilněnou části tyče, tyč se brousí, popř. leští a také kuličkuje. Ve speciálních případech se docílí vysoká pevnost tyče záměrným tahem překračující mez kluzu. Torzní tyče se však namáhat tahem pouze v jednom směru, který je obyčejně vyznačený na čele tyče. Torzní tyče se vyrábějí z kvalitní oceli, která se kalí a popouští.

Zkrutné pružiny Zkrutné pružiny jsou nejvíce používanými pružinami ve strojírenské praxi. Zjednodušeně je můžeme definovat jako torzní tyče navinuté na zkrutkovnici. Avšak jejich použití je mnohem všestrannější. Uplatňují se jako ventilové pružiny spalovacích motorů a kompresorů, používají se v různých armaturách, na odpružení náprav dopravních strojů, v přístrojové a regulační technice, vymezování vůlí, či jako siloměrné pružiny. 44

Obrázek 5.10 Příklad galvanicky pokovované tažné pružiny

Zdroj: autor

PROČ VLASTNĚ OCELOVÁ PRUŽINA PRUŽÍ? Působením vnější síly nastane u každého tělesa deformace, která je často nepatrná – nelze ji pouhým okem pozorovat. Jakmile vnější síla, která vyvolala deformaci tělesa, přestane působit, vrací se těleso do svého původního tvaru. Nikdy ho však nenabude úplně. Ona část deformace, která přitom zmizí, je deformace pružná (dočasná elastická). Deformace, která zůstane, je deformace nepružná (trvalá, plastická).

Mez pružnosti a pevnosti Vzájemný poměr obou právě uvedených deformací, tj. do jaké míry se těleso po působení vnější síly navrátí ke svému původnímu tvaru, závisí jednak na druhu a jakosti materiálu a jednak na velikosti této vnější síly. Čím větší je vnější síla, tím větší trvalou deformaci zachovává. Roste-li vnější síla tak, že vnitřní síly překročí mez pružnosti, zvětšuje se postupně i trvalá deformace. K výraznému zvětšení trvalé deformace však dojde k překročení tzv. meze kluzu. Dosáhnou-li vnitřní síly určité hodnoty, kterým říkáme – mez pevnosti, vnější síly přemohou vnitřní síly a celistvost tělesa se poruší. Vnitřní síly, které v tělese vyvolá vnější síla, se nazývají napětí.

45

5.7 Výroba pružin Technologie výroby pružin Od počátku 20. Stol se prudce rozšířila výroba technologií pro navíjení pružin a umožnila rozvoj širokého spektra nových odvětví, oborů a technologických postupů.) Obrázek 5.11 historie výroby pružin (ruční a elektrické navíjedlo)

Zdroj: autor

Šroubovice na pružiny s abnormálně malým nebo velkým poměrem vinutí a jiné šroubovice, které nelze navinout na automatech, se navíjejí navíječkami. Na těchto strojích se navíjí na trn.

46

SOUČASNÉ AUTOMATY NA PROGRAMOVÁNÍ VÝPOČTU A VÝROBY PRUŽIN Obrázek 5.12 Vidličkový automat na výrobu pružin

Zdroj: autor

47

Obrázek 5.13 Schéma základní funkce technologie výroby pružin

Zdroj: Firemní materiály Pramet Šumperk veletr Brno – nová technologie metalurgie

1.

vtahovací válce

2.

vodítka drátu

3.

vidličky

4.

řídící palce

5.

odstřihovací nůž

6.

odstřihovací trn

48

Obrázek 5.14 Příklad celého funkčního procesu výroby pružin

Řídící systém mozek Odvíjení drátu

Finální pružina

Zdroj: autor

49

-

5.8 Úprava polotovarů Lisy a přípravky ve výrobě šroubovitých pružin Lisy na přípravky se stále více uplatňují při mechanizaci výroby pružin a zvyšování produktivity práce. Na výstředníkových lisech se s úspěchem: 

odštipují (stříhají) dráty nebo šroubovice,



rozlamují šroubovice,



Stříhají konce drátu na pružině



Stavějí oka a jinak tvářejí konce pružin.

Nevýhodou těchto lisů je poměrně malý zdvih a velká lisovací rychlost. Velikost zdvihu a pracovní rychlost bývají příznivější u hydraulických lisů, jež se uplatňují ve výrobě ve stále větší míře. Při výrobě drobných pružin z tenkých drátů se osvědčují ruční šroubové lisy upínané do svěráku.

Odštipování (stříhání) závitů Závity se odštipují (stříhají), jestliže polotovar nebyl navinut s předepsaným počtem závitů pro hotovou pružinu. U šroubovic navinutých na velké strojní navíječce se po ulomení odstřihují konce závitů na obou stranách, neboť jsou zdeformovány a mají otřep. U polotovarů z tenkých drátů se závity odštipují kleštěmi.

Stříhání na délku Na délku se střihají jak dráty vyrovnané do tyčí, jejichž délka se rovná násobku rozvinuté délky příslušného polotovaru, tak šroubovice navinuté na malých strojních navíječkách. Stříhají se na mechanických lisech. Odstřihovadlo pro dráty a šroubovice různých průměrů, umožňuje stříhat polotovary do délky nastavené dorazem 1.

Rozlamování šroubovic Jestliže jsme šroubovici navinuli na velké strojní navíječe pro více pružin, musíme od sebe oddělit části pro jednotlivé pružiny, označené na šroubovice naseknutím. V naseknutých místech se šroubovice rozláme v jednoduchém nástroji na lisu. Nástroj má dvě čelisti s drážkami. Při této operaci se až na konce závitů nesmí zdeformovat ani krajní ani sousední závit.

Povrchové úpravy pružin z drátů Jako každý jiný předmět z běžné oceli, podléhají i ocelové pružiny, pokud nejsou vyrobeny z nerezavějící oceli, rozkladným vlivům atmosférickým, tj. korozi. To znamená, že jejich povrch zrezaví, není-li účelně chráněn. Rez není jen vadou vzhledu, nýbrž je též známkou zeslabování materiálu, které ovlivní funkci pružiny a může zkrátit i její životnost.

50

Ocelové pružiny mají po dokončení výroby pěknou, kovově lesklou barvu. U pružinek z nejslabších drátů, které se nepopouštějí, je to původní barva oceli, u ostatních pružin, které prošly napouštěním nebo kalením a popouštěním, je to barva slabé vrstvy kysličníků, vznikajících tímto tepelným zpracováním od jasně žluté přes hnědou a fialovou až po modrou. Přes svůj pěkný vzhled není povrch ani u nenapuštěných, ani u napuštěných nebo popuštěných pružin nijak chráněn před korozí. Ochrana pružin proti korozi se provádí jejich povrchovou úpravou. Při tom musí být splněny nejen požadavky, aby povlak pružiny byl pevně spojen se základním kovem, aby byl dostatečně jemný, bez pórů, hladký a rovnoměrně rozložený, ale i podmínka, že povlak nesmí působit škodlivě na funkci pružiny, zejména zvyšovat její trvalou deformaci, nebo působit povrchové trhliny a být příčinou lámání pružin. Povrch pružin můžeme chránit proti korozi: 1.

vrstvou tuku,

2.

jiným nekovovým povlakem,

3.

pokovením nebo chemickou úpravou povrchu základního kovu.

Prvý způsob je ochrana vrstvou tuku, je nejlevnější a nejběžnější a lze mu dát přednost všude tam, kde tato ochrana je dostačující. Plně dostačující bude např. tehdy, pracuje-li pružina uvnitř budovy v normálním ovzduší. Není-li odběratelem předepsáno jinak, dodávají pérovny pružiny vždy v namaštěném stavu, aby při dopravě nezrezavěly. Někdy tedy postačí nechat je v tomto stavu. Ostatní způsoby povrchové úpravy vyžadují, aby před nanesením povlaku byl povrch pružin k nanesení připraven. Účelem této přípravy je dosáhnout takové čistoty drátu, aby se povlak se základním kovem pevně spojil. Jiných nekovových povlaků proti korozi se dostává pružinám nejčastěji lakovaným. Z ostatních povrchových úprav uvádíme ty, které jsou u pružin nejčastěji používány: 

kadmiování,



zinkování,



fosfátování,



niklování



černění.

Při chemické úpravě vzniká na povrchu poměrně tenká a dobře lnoucí vrstva, vytvořena sloučeninami upravovaných kovů, zatímco při ostatních úpravách se vytváří ochranný povlak nanášením kovů nebo jiných látek na základní materiál.

51

6 VÝROBA LAN A LANOVÝCH DRÁTŮ Poznáte, co je to za výrobek? Obrázek 6.1 Řez ocelovým lanem

Zdroj: autor

6.1 Historie výroby ocelových lan Konstrukční princip lana lidstvo poznalo již dávno. V průběhu vývoje společnosti se měnily suroviny, které se používaly na výrobu lan. Odpovídaly tehdejšímu stavu techniky a vědomostem společnosti. Za základní charakteristiky lana z hlediska výroby a použitelnosti můžeme považovat dobrou ohebnost, vysokou nosnost, možnost výroby lan velkých délek, lehkou dopravu a poměrně výhodnou cenu. Tyto výhody poznal již člověk z doby kamenné a z různých popínavých rostlin zhotovoval výrobky podobné lanu. S takovými primitivními rostlinnými lany se setkáváme i v současnosti u různých kmenů na Malajských ostrovech, kde je domorodci , žijící přibližně na úrovni doby kamenné, používají na stavbu závěsných mostů. V době bronzové se začaly vyrábět lana z bronzových drátů. Při vykopávkách v Pompejích, které byly zničené při jednom výbuchu sopky Vesuv 70 let př. n. l., bylo nalezeno lano o délce 4,5 m. V pramenu bylo 19 bronzových drátů o průměru 0,7 mm. Za prví reálnou zmínku o drátěném lanu třeba považovat výkresy přibližně z roku 1500, které se zachovaly po známém italském umělci a vynálezci Leopardu da Vinci. Drátěné lana byly navrženy na používaní u některých stavebních strojů. Lano z měděných drátů bylo nalezeno ve vraku lodě ze španělské flotily Armáda, potopená roku 1558. Mosazné dráty se v 18. století používaly na výrobu lan, které měly využití jako bleskosvody. Ocelový drát je znám ze středověku a jeho výroba souvisí s rozvojem technologie výroby ocele. Vyráběl se jen ve velmi krátkých délkách tažením za studena, v tažných stolicích, v samých začátcích výroby vykováváním ocelových tyčí. Koncem 18. století je již ocel pravděpodobně levnější než mosaz, protože se poprvé setkáváme s použitím ocelových drátů určených pro bleskosvody.

52

Začátkem 19. století se rychle rozvíjí výroba ocelových lan. Kolem roku 1830 se velmi intenzivně začal zabývat problematikou použití ocelového lana, jako těžního lana v hornictví hlavní báňský poradce Wilhelm August Julius ALBERT v Clausthale – Zellerfelde. Roku 1834 byly na dole Karolina dvě ocelové lana. Jejich délka byla několik desítek metrů, vyrobené byly ručně. Banská Štiavnica se stala městem, kde na popud grófa Gagriela SCHWITZERA byla na dole Piafy zřízená první továrna na výrobu lan. Lana se zprvu vyráběly ručně, od roku 1840 je ale v provozu stroj na výrobu pramenů, které si dal patentovat v roce 1837 vídeňský mechanik WURM. Za velmi důležitý krok ve vývoji ocelových lan je třeba považovat vynález angličana Jamesa HORSFALLA, a to kalení drátů pro výrobu lan. Nový způsob zvyšující pevnost drátů nazval patentování a do výroby ho zavedl v roce 1850. Tak vznikl i dnes používaný název patentovaný ocelový drát. Ocelové lano později dostalo tukem nebo olejem napuštěnou textilní vložku. Tím se stalo ocelové lano ohebnějším a mazivo současně chránilo lano před rychlým zrezivěním. Vývoj techniky výroby ocelových lan pokračoval velice rychle, a už v roce 1850 bylo vyrobeno pro železniční provoz lano délky 2650 m. V roce 70 před naším letopočtem byly výbuchem Vesuvu zničeny Pompeje. Nejstarší nález drátěného lana je znám z vykopávek v Pompejích. Toto drátěné lano bylo vyrobeno z bronzových drátů o průměru asi 0,7 mm. Sestává ze 3 pramenů a každý pramen z 19 drátů (1 + 6 + 12). Původně se předpokládalo, že dráty byly ručně tepané. Nejnovější bádání ale ukázalo, že se jedná o dráty tažené. Původ a stáří nalezeného lana z bronzových drátů nejsou jednoznačně prokázány. Vědci předpokládají, že vynález výroby drátěných lan může spadat do časového období, ve kterém byly stáčením vláken vyráběny šňůry a provazy z materiálů organického, rostlinného původu. Výroba šňůr a provazů byla lidstvu známá již v dávných dobách před naším letopočtem. O tom svědčí například to, že již při stavbě pyramid byla pro dopravu velikých kamenů použita lana z vláken palem. Z pozdějšího časového období okolo roku 1500 je známo, že v pozůstalosti po geniálním techniku a malíři Leonardu da Vinci byly nalezeny výkresy návrhů strojů s upotřebením drátěných lan. V roce 1588 došlo u pobřeží Anglie k potopení španělské plachetnice „Armáda". Po vyzdvižení plachetnice počátkem našeho století bylo ve vraku nalezeno drátěné lano z mědi. Uvedené nálezy svědčí o pokusech aplikovat drátěná lana ve výrobní praxi. Z dostupných informací je ale zřejmé, že ve středověku nedošlo k rozšíření výroby drátěných lan. V poslední čtvrtině 18. století bylo použito třídrátového pramence z mosazných drátů na věži v Janově jako hromosvodu. K výrobě hromosvodů byly koncem 18. století také používány pramence z nízkouhlíkatého ocelového (železného) drátu. Z konce 18. století jsou rovněž záznamy o prvních pokusech vyrábět drátěná lana z ocelového drátu pro hutnictví, ale bez reálných výsledků. V roce 1834 dal vrchní horní rada Wilhelm August Julius Albert návod, jak ručně vyrobit první drátěné lano pro těžní zařízení dolu Carolina v Německu. Velmi záhy se ukázaly přednosti drátěného lana před textilními lany a řetězy pro těžební zařízení, a tak došlo následně k rychlému rozmachu průmyslu drátěných lan na celém světě.

53

První lana, která dal Albert vyrobit ručně, odpovídala v principu výrobě textilních lan. Drátěné lano bylo zhotoveno ze 3 pramenů, každý pramen ze 4 drátů o průměru 3,5 mm. Výroba drátu odpovídala technické úrovni dané doby. Dráty byly vyrobeny v délkách 17 až 38 m a měly střední pevnost 520 MPa.

Výroba lan postupovala takto Dráty určené k výrobě lana byly položeny vedle sebe, a aby se navzájem nepřeházely, byly navlečeny do čtvercových prkének, která měly po jednom otvoru v každém rohu, uprostřed prkénka byl pátý otvor. Tato prkénka byla umístěna přibližně po 1 m. Pak se na počátku drátu navlékl na dráty stáčecí klíč viz obr., který měl kromě vrtání pro dráty ještě jeden otvor uprostřed. Obrázek 6.2 Celkový pohled na Albertovo lano a princip ruční výroby

Zdroj: autor

Rekonstrukci podle Albertových záznamů provedlo muzeum v Mnichově. Konce drátu se následně upevnily do svěráku. Pak jeden muž otáčel klíčem, přičemž při každé otáčce postoupil asi o 15 cm. Druhý muž s ručním svěrákem uchopil hotový pramen a přemísťoval svěrák každých 60 cm. Tím bylo dosaženo toho, že hotový pramen se nemohl přetáčet a byla získána určitá rovnoměrnost ve vinutí. Protože zkrucování drátu se uvedeným způsobem práce přenášelo do volných drátů, otáčelo několik mužů těmito volnými dráty podle postupu splétání, takže dráty zůstávaly stále rovné. Konce drátu i začátek nového drátu byly zavedeny do středu pramene, do vnitřního otvoru v klíči. Pevného spojení drátu bylo dosaženo třením. Zpracování pramenů v lano se dělo stejným způsobem, obr. 1. Směr vinutí v laně byl souhlasný se směrem vinutí drátů v pramenech. Tak bylo vlastně zavedeno stejnosměrné vinutí lan. Toto vinutí se někdy označuje jako Albertovo vinutí. Poznámka: Albert nedal svůj vynález stejnosměrného vinutí lana patentovat. V roce 1879 dal tento Albertův vynález patentovat Angličan John Lang. Proto je někdy stejnosměrné vinutí lan označováno také jako „Langovo vinutí". První závod na světě, který zavedl popisovanou výrobu lan je dnešní firma Felten a Guilleaume v Kolíně nad Rýnem. Uplatnění a použití popsaného postupu výroby těžních ocelových lan vedlo ke snaze odstranit ruční výrobu lan a nahradit ji výrobou strojní.

54

V roce 1835 uveřejnil Albert v periodické publikaci „Archiv tur Mineralogie" návod k výrobě lan s výzvou, že každého zájemce ve výrobě těchto lan zaučí. V roce 1836 byla ve státních hornických podnicích v Bánské Štiavnici a v Příbrami zahájena výroba ocelových lan. Zaměstnanci těchto podniků byli u Alberta zaškoleni. V roce 1837 si dává vídeňský mechanik Wurm patentovat stroj na výrobu pramenů a lan. Je to v podstatě dnešní košový slaňovací stroj. V roce 1837 byla na podnět hraběte Gabriela Schweitzera v Banské Štiavnici založena první továrna na výrobu lan. V roce 1840 byl v této továrně podle vynálezu mechanika Wurma zhotoven a provozován slaňovací stroj na výrobu pramenů podle obr. 2, 74/.

6.2 Ocelové lano Ocelové lano je výrobek z tažených ocelových drátů vinutý šroubovitě kolem duše pramene a z pramenů do šroubovice kolem duše lana v lanu. V některých případech je lano tvořeno jediným pramenem, tj. pramencem. Lanem nazýváme i zvláštní konstrukce, kde lano je buď vinuto znovu v lano, tj. lano kabelové nebo sešito z provazů – tj. lano ploché.

6.3 Základní pojmy 1. Duše lana Středová část lana z kovového nebo nekovového materiálu, kolem nichž jsou uloženy jednotlivé prameny. 2. Výplňová vložka Jedná se o nekovovou vložku potřebnou k vyplněním mezery mezi prameny v jednotlivých vrstvách, sloužící ke stavbě určitých konstrukcí lana. Do celkové konstrukce lana se nezapočítává. 3. Konstrukce lana Je uspořádání pramenů v laně a drátu v pramenech. 4. Smysl vinutí lana pravý – P nebo levý – L Pravé lano má vnější vsrtvu pramenů vinutou ve šroubovici, která při pohledu na svislé lano stoupá od leva doprava. Levé lano má vnější vrstvu pramenů vinutou ve šroubovici, která při pohledu na svislé lano stoupá od prava doleva.

55

Obrázek 6.3 Schéma vnitřní struktury ocelového lana

Zdroj: autor

6.4 Proces výroby lanového drátu Válcovaný drát požadované jakosti je dle požadavků zákazníka tažen několika tahy (běžně 8 – 15 tahů podle druhu a výsledného průměru). U V-jakosti se často zařazuje do procesu výroby mezi jednotlivé tahy patentování drátu. Patentováním se zvyšuje pevnost drátu, tudíž drát s nižším procentuálním zastoupením uhlíku, dosahuje pevnosti drátu s vyšším uhlíkem stejného průměru. U finálního lanového drátu se dále dle požadavků zákazníka používá povrchová úprava fosfátováním nebo žárovým zinkováním. Rozměry výstupního lanového drátu se pohybují nejčastěji v mezích Ø 0,2 – Ø 3,76 mm Tento hotový lanový drát je pak splétán do jednotlivých pramenců a finálních lan. Mezi jednotlivé pramence či dráty bývá přidávaná textilie napuštěná speciálním mazivem (tzv. „duše“), která nadále působí proti korozi a vnitřnímu otěru lana. Obrázek 6.4 Schéma deformace drátu při tažení

Zdroj:[3]

56

Co se děje s uvnitř – metalografie drátu - ubližujeme přírodě a ta nás trestá Obrázek 6.5 Schéma metalografie drátu z hlediska postupné deformace struktury tažením

Zdroj: [3]

Jak můžeme uzdravit drát- princip patentování drátu Isotermické kalení - revoluce ve výzkumu bezpečnosti lan Je případem izotermického zušlechťování. Austenitizovaný drát získává průchodem olověnou lázní o teplotě 500 až 550 °C velmi houževnatou a pevnou strukturu tvořenou jemně lamelárním perlitem. Ta umožňuje značné redukce průřezu při dalším tažení.

57

Obrázek 6.6 Příklad vnitřní metalografické struktury drátu vzhledem ke změnám, které probíhají v procesu tažení a patentování lanového drátu

Zdroj: [3]

Obrázek 6.7 Znázornění významu propočtu únosnosti ocelového lana

Zdroj: autor

58

Únosnost ocelového lana je pro uživatele rozhodující vlastností lana. Podle ČSN 02 4300 rozeznáváme: 

jmenovitou únosnost lana,



skutečnou únosnost lana,



vypočtenou únosnost lana,



průměrnou únosnost lana,



započitatelnou únosnost lana,



zaručenou únosnost lana.

Jmenovitá únosnost lana je součet jmenovitých únosností všech nosných drátů v laně NÍL =

Ni* = ,1, S* • M

Kde: n = součet všech nosných drátů, Njdi = jmenovitá únosnost drátu [NI, Sjdi jmenovitý průřez drátu [mm ], Řmjdi = jmenovitá pevnost drátu [N.mm"2].

=

Vypočtená únosnost lana je součet skutečných únosností všech nosných drátů v laně. Nvl. = Í Nsdi = Z Sjdi • Rmvíi [N] 1=1 l» 1 J Kde: n = součet všech nosných drátů, NSdi = skutečná únosnost drátu stanovená na trhacím stroji [N], Sjdi = jmenovitý průřez drátu [mm2], R-mvdi = Nsdi: Sjdi - vypočtená pevnost drátu [N.mm-2]. Jmenovitá únosnost lana je vypočtena ze jmenovité pevnosti drátu, která se udává na dolní hranici pevnostní třídy. Proto platí: NvL>NjL Skutečná únosnost lana je největší síla (zatížení) dosažená při zkoušce tahem na trhacím stroji NsL [N] Skutečná únosnost lana je nejspolehlivější pevnostní charakteristikou lana. V zásadě platí, že skutečná únosnost lana je menší než jeho jmenovitá únosnost

59

6.5 Únavové zkoušky lan Tak jako se unavíme my i lano se může unavit Únavové zkoušky ocelových lan určují únavovou odolnost lan v podmínkách, které se mají co nejvíce přibližovat skutečnosti. Únavovou odolnost - životnost ocelových lan ovlivňuje řada činitelů, které můžeme rozdělit na:  -

parametry, které ovlivňují zatížení a namáhání lana, to je: velikost statického a dynamického namáhání lana, velikost osového napětí v laně, průměr kladek, bubnů a lanovnic, tvar a materiál drážky kladek, bubnů a lanovnic;



parametry lana, to je: -

konstrukce lana,

-

vlastnosti lanového drátu,

-

vlastnosti duší lan,

-

způsob výroby drátů, pramenů a lan,

-

způsob mazání lana a jakost maziva,

-

umrtvování lana

Při únavové zkoušce je vzorek ocelového lana obvykle cyklicky namáhán ohybem při současném tahovém zatížení. Výsledkem únavové zkoušky za předem stanovených podmínek je počet cyklů, který vzorek lana vydržel obvykle až do porušení pramene. Podmínky zkoušky jsou závislé na předpokládaném cíli a konstrukci zkušebního zařízení. Zkouška může být ukončena po dosažení předepsaného počtu zlomů drátu na jednotkové délce lana, po přetržení pramene nebo lana. K únavovým zkouškám ocelových lan jsou podle 141 používána tato základní zařízení (obr. 138): 

zařízení s jednoduchým ohybem lana,



zařízení s dvojnásobným ohybem lana,



zařízení se statickým osovým zatížením lana,



zařízení s dynamickým zatížením lana,

60

ZÁKLADNÍ SCHEMATICKÉ ZNÁZORNĚNÍ UMRTVOVÁNÍ LANOVÝCH DRÁTŮ A LANOVÝCH PRAMENCŮ (lan) Obrázek 6.8 Příklad umrtvování lanových drátů

Zdroj: Konference drát 2007 VSB-TUO

Obrázek 6.9 Ukázka jednotlivých typů lan

jednopramenné lano

šesti pramenné lano SEAL s duší

třípramenné lano

šestipramenné lano kabelové

šestipramenné lano

osmipramenné lano Zdroj: Konference drát 2007 VSB-TUO

61

Obrázek 6.10 Příklady vinutí ocelových lan

Zdroj: Konference drát 2007 VSB-TUO

Obrázek 6.11 Slaňovací stroj a umrtvovací zařízení

Zdroj: autor

62

Obrázek 6.12 Zařízení pro umrtvování lan, jako součást slaňovacího stroje na výrobu lan

Zdroj: autor

Ocelová lana dnes zasahují prakticky do všech technických činností. Jejich mnohotvárné využití umožňují výhodné vlastnosti ocelových patentovaných drátů, zejména jejich vysoká pevnost, která dovoluje konstruovat lana malého průměru a nízké hmotnosti při technickém zvládnutí předem stanovených určitých vlastností (tažnost, prodloužení, modul pružnosti apod.). Ocelová lana jsou často používána v prostředí, které působí korozivně na dráty lana. V důsledku působení koroze dochází ke snižování původního rozměru materiálu drátů, ke ztrátě pevnosti a potřebných mechanických vlastností drátů. V krajním případě může dojít k porušení lana působícím zatížením následkem značného snížení jeho nosnosti účinky koroze. Během provozu působí na lana mnoho negativních jevů, mezi které patří zejména: opotřebení, dynamické namáhání a v neposlední řadě koroze, která je až v 80 % případů příčinou přetržení lana. Přetržení lana patří v technických provozech k haváriím s velmi nepříjemnými následky.

63

6.6 Provozní podmínky a faktory mající vliv na životnost ocelových lan a)

koroze: prostředí, vlhkost, porušené dráty v laně

b)

opotřebení: dotyk lano – kladka, zmenšení průřezu, zlomy

c)

dynamické namáhání: kmitání lana, změna rychlosti, snížení bezpečnosti

Koroze: Kovová lana jsou užívaná v mnoha stavebních konstrukcích, jako jsou mosty, lanovédráhy nebo výtahy. Materiál používaný k výrobě drátů lan je uhlíková ocel, která nemá žádné zvláštní protikorozní vlastnosti. Mnoho lan se užívá v agresivních lokalitách, kterými jsou např. mořské, báňské nebo závodní provozy. V takových prostředích se mohou vyskytovat korozní úkazy. Jedná se především o znehodnocování materiálu chemickým nebo fyzikálně-chemickým působením okolního prostředí. Korozí se rozumí proces vzájemného působení povrchu kovového materiálu a jeho okolí, který vede k nenávratné přeměně materiálu kovového v nekovový. Aby se zabránilo vlivu prostředí a korozních účinků s následnými nežádoucími jevy, je potřebné, aby měla lana spolehlivou ochranu, kterou zabezpečuje dobré mazání povrchu lana i její vložky. Vliv prostředí, ve kterém ocelové lano pracuje, se projevuje znehodnocujícím způsobem, kdy často vzniká rovněž koroze jednotlivých drátů lana. Nebezpečná je zejména koroze vnitřních drátů, kterou je při vizuálních prohlídkách nemožné zjistit. Postupným zmenšováním nosného průřezu lana dochází k jeho přetížení, vznikají zlomy drátů, které způsobují až konečné celkové přetrhnutí lana. Při korozi povrchových drátků rychle narůstá i jejich opotřebení. Je to způsobené současným působením mechanických a korozních činitelů. Proto je potřebné v případě působení koroze věnovat zvýšenou pozornost antikorozní ochraně ocelových lan.

Opotřebení: Kritickým faktorem kvality lana je kvalita jeho jednotlivých drátů. Vzájemná spolupráce vlivu třech kvalitativních ukazatelů drátů lana - pevnost, ohyb a krut je definujícím ukazatelem kvality drátů. Mazání nebo domazávání lan (nového, po únavě nebo po únavě a korodovaného lana) způsobí zlepšení nosnosti a pevnosti drátů. Mazání a domazávání lan však neovlivní zlepšení výsledků zkoušek na ohyb a krut. V praxi se k mazání ocelových lan používá např. přípravek NICRO 137, který svými výbornými vlastnostmi výrazně prodlužuje jejich životnost. NICRO 137 se používá k mazání nosných ocelových lan visutých konstrukcí nebo k mazání ocelových lan, které jsou vystaveny působení vysokých a nízkých teplot, agresivnímu chemickému prostředí, vzdušné vlhkosti nebo jsou do vody ponořené. Lze jej s úspěchem použít jako antikorozní prostředek při zakonzervování strojních dílů, kovových konstrukcí a hutních polotovarů. Aplikuje se „za studena“ namáčením, stříkáním nebo natíráním. Zastavuje korozi již započatou a zabraňuje jejímu dalšímu působení. Na domazávání lan používá např. přípravek Elaskon 30, buď v tekuté formě, nebo jako mazadlo ve spreji.

64

Faktor únava i v kombinaci únava a koroze významně zhoršují vlastnosti drátů lana. Pokud je lano konstruováno tak, že jeho vnější vrstva je tvořena dráty větších průměrů, než vrstva vnitřní (viz obr. č. 1), velmi se tím zvyšuje jeho odolnost proti otěru. Lano má sice menší ohebnost, ale velmi dobře snáší rázová zatížení. Takové lano má mnoho způsobů využití, např. jako lano výtahové, těžné, rypadlové aj. V případě, že je lano konstruováno z drátů o stejných průměrech (viz obr. č. 2), pak vyniká výbornou stabilitou a je možno jej využít např. jako lano výtahové či pro omezovače rychlosti. Speciálním druhem konstrukce ocelového lana je lano s vnitřní vyztuženou ocelovou duší. Vnější silné prameny drátů nabízí zvýšenou odolnost proti opotřebení. Toto lano je používáno zejména tam, kde životnost lana je určena zvýšeným negativním působením poháněcí kladky více, než odolností proti únavovému ohybu, např. u rychlovýtahů. Pokud jde o ocelovou duši, je dosažen vyšší kovový průřez kombinovaný s excelentním chováním v prodlužování. Deformace průřezu lana v drážkách typu V jsou výrazně nižší. Sisál v ocelové duši působí coby mazadlo (viz obr. č. 3).

Obrázek 6.13 Příklad vnitřní struktury tažných lan a kabelů

Zdroj: autor

Pokud budeme klást důraz na to, aby ocelové lano vynikalo vyšší ohebností (např. přes kladky, kotouče a bubny malých průměrů – lano jeřábové či rypadlové), budeme volit konstrukci, kdy je lano tvořeno svazky větších počtu drátů, ale s malými průměry a sisálovou duší.

65

Dynamické namáhání: Konkrétním příkladem z praxe, kdy je nutno přihlížet k dynamickému namáhání ocelových lan, můžeme jmenovat stavbu zavěšeného mostu o délce 605 m přes řeku Odru a přes Antošovické jezero mezi Ostravou a Bohumínem, který je součástí dálnice D 47. V horní části ocelové konstrukce mostního pylonu jsou kotveny závěsy, které jsou sestaveny z 55 až 91 lan průměru 15,7 mm a pevnosti 1860 MPa. Lana jsou opatřena těsně extrudovaným HDPE obalem tl. 1,5 mm a antikorozním voskem (typ COHESTRAND). Lana jsou vedena v HDPE trubkách s vnějším povrchem opatřeným šroubovitým nálisem (tzv. Helical rib), který za deště zajišťuje odkapávání vody, a tak omezuje kmitání závěsů od větru. Dynamický výpočet provedený profesorem Mirošem Pirnerem prokázal, že není nutné provést závěsy s tlumiči kmitání. Pylon byl sestaven z šesti dílů vzájemně spojených šroubovými kontaktními styky. Díly byly smontovány jeřábem. Vnitřní prostor ocelové konstrukce pylonu se vyplnil betonem tlačeným zespodu. Následně byly v dutině pylonu osazeny pasivní kotvy a pod kotevními bloky mostovky se osadily aktivní kotvy závěsů. Pomocí prvního nosného lana závěsů byly osazeny trubky závěsů, po jejich vyrovnání druhým lanem následovalo postupné zatažení a napnutí zbývajících lan. Napínání závěsů bylo rozděleno do tří kroků. V prvním kroku se do lan vneslo 50 % předpokládaného výsledného napětí v lanech. Před druhým krokem se odstranily podélné volné montážní kabely a do lan závěsů bylo vneseno napětí na úroveň 95 % výsledného napětí. Následně se deaktivovala ložiska dočasných montážních podpěr, čímž most získal definitivní statický systém a byly zhotoveny živičné vozovkové vrstvy v zavěšené části. Po ověření sil v jednotlivých závěsech se přistoupilo k poslednímu kroku – závěrečné rektifikaci. Konstrukce byla během stavby pečlivě monitorována. Kritické průřezy mostovky a pylonu monitorovaly strunové tenzometry a teploměry a měřeními byly ověřeny výsledky statické analýzy. Sledování mostu dále pokračuje. Před uvedením mostu do provozu se na podzim roku 2007 vykonaly statické a dynamické zatěžovací zkoušky, které ověřily konstrukci i kvalitu provedených prací. Naměřené hodnoty deformací i frekvencí byly v dostatečné shodě s teoretickými hodnotami.

Příklad užití lan pro stavbu zavěšených mostních konstrukcí Obrázek 6.14 Dálniční most přes řeky Odru a Ostravici

Zdroj: Konference drát 2007 VSB-TUO

66

6.7 Ochrana proti korozi ocelových lan Na průběh koroze má vliv řada faktorů, které označujeme jako činitele korozního procesu. Jsou jimi činitelé materiálu, činitelé konstrukce a činitelé prostředí a právě poslední zmíněný je pro nás nejdůležitější. Jedná se o nehomogenitu, teplotu a teplotní změny, charakter proudění prostředí, na korodující povrch spolupůsobí přítomná tuhá fáze, její fyzikální a chemický charakter a také přítomné látky korozi podporující (stimulátory) nebo potlačující (inhibitory). Hlavní vlivy koroze na mechanické vlastnosti drátů ocelových lan jsou: 

velký rozptyl mechanických vlastností drátů (pevnost, ohyby)



snížení počtu ohybů a krutů drátů při jejich slaňovaní



různá velikost hodnot mechanických vlastností drátů v ocelových lanech



velké výkyvy hodnot mechanických vlastností po délce drátu

Antikorozní ochrana lana se skládá: 

z konzervování vnitřku lana



z povrchové úpravy lana

Mazivo ve vložce lana chrání lano před korozí zevnitř po celý čas jeho životnosti. Je ověřené, že se nemohou míchat různé druhy mazadel či olejů bez toho, aby to nemělo vliv na kvalitu obou druhů. Lano před účinky koroze chráníme antikorozní ochranou drátů a doplňujeme ji ochranou lana jako celku. Jedině uzavřené jednopramenné lano je, pokud jde o odolnost proti korozi, označováno za konstrukce výhodnou, s ohledem na uzavření vnitřku lana kompaktní krycí vrstvou ze Z-drátů. Všechna ostatní lana jsou z hlediska koroze jako celek rovnocenná – účinnost krycí vrstvy uzavřených lan jako antikorozního obalu pro jejich jádro nelze přitom přeceňovat. Krycí vrstva není ani vodotěsná, a pokud vnitřek lana není dobře konzervován, může naopak krýt uvnitř vzniklou a pokračující korozi. Žádný systém konzervování vnitřku lana nelze pokládat za zcela jistý a žádný systém povrchové úpravy za naprosto dokonalý – to je zásada, kterou je třeba uplatňovat při řešení podrobností návrhu antikorozní ochrany. Nutno především věnovat pozornost prohlídkám, aby po nich byla neprodleně zahájena oprava případných malých závad. Důležitou součástí antikorozní ochrany je správná volba takových součástí, které vznik a rozvoj koroze nepodporují. Ve všech případech, kdy je lano vystaveno vlivu povětrnosti, volíme dráty s pozinkovaným povrchem či z nerez oceli. Lano z drátů, ať už se zinkovým povlakem pro použití za vlivu povětrnosti nebo korozního prostředí, nebo holých, je nutno vždy opatřit antikorozní ochranou jako celek. Míru ochrany volíme jako u jiných konstrukčních prvků úměrně působícímu prostředí. Konzervování vnitřku lana má prvořadou důležitost – provádí se při výrobě lana jednou provždy, nelze je prakticky obnovit a jeho stav nelze bez porušení lana kontrolovat. Většinou se konzervuje vnitřek lana speciální nátěrovou hmotou, např. syntetickou základní zinkochromátovou barvou

67

Obrázek 6.15 Koroze pramene nosného lana a přítomnost galvanické koroze

Zdroj: autor

68

POUŽITÁ LITERATURA: [1] Nétek V., Fabík R. Projekt FRVŠ 2544/2009/F1/dMultimediální výuka průmyslových technologií, 04. [2] FABÍK, R.; BUBOVÁ, E.; KRNÁČ, J.; KAWULOK, P.; NÉTEK, V. Influence of the type of reduction schedule on microstructure evolution and mechanical properties upon drawing of a near-eutectoid wire. [3] Hutnické listy. 2008, roč. 61, č. 7, s. 11-17. [4] FABÍK, R.; NÉTEK, V. The Influence of the Friction Coefficient and of the Reducing of the Diameter in the Individual Pass on the Homogeneity of the Strain Field during Drawing of Steel Wire for Tyre Forde. Hutnické listy. 2009, roč. 62, č. 6, s. 26-30. [5] BOROŠKA, Ján, Jozef HULÍN a Oldřich LESŇÁK. Ocelové laná. 1. vyd. Bratislava: Alfa, 1982, 479 s., příl. Edícia hutníckej literatúry (Alfa). [6] SZOJKA, Ladislav. Údržba oceľových lán. 1. vyd. Bratislava: Alfa, 1982, 110 s. Edícia strojárskej literatúry (Alfa). [7] Mašek, F., Šálek, M., Pitoňák, P.: Zavěšený most přes Odru a Antošovické jezero – zkušenosti z realizace, 13. mezinárodní sympozium Mosty 2008, Brno.

69

ČÁST B PRACOVNÍ AKTIVITY PRO STUDENTY A ŽÁKY Praktická část je „knihovnou interaktivních výukových objektů", soubor výukových materiálů, podporujících individuální i skupinovou práci. Tato sekce umožňuje získat a využít informace pomoc prezentací, znalostních kvízů, testů, pracovních listů a dalších materiálů. Každá aktivita bude obsahovat text pro pedagoga, s návrhem motivace studentů. Celkové pokyny pro pedagoga budou obsaženy v metodické příručce.

Základní struktura pracovních listů: V prvé řadě je nutné formulovat přístup k pracovním listům: Vzhledem k tomu, že oblast materiálového inženýrství je velmi náročná a obsáhlá vědní disciplína je nutné zvolit velmi jednoduché nástroje pro základní rámec pochopení cíle projektu. Takže je možné vycházet z přirozené chování dětí a studentů takto:

A ZVĚDAVOST- část diagnostická vlastnosti výrobků Když jsme byli hodně malí a dostali jsme do ruky hračku, u velké většiny z nás vznikla potřeba ji rozebrat na části, kousky i když jsme si vlastně neuvědomovali, že jsme někdy dosáhli toho, že se to rozbilo a už to nešlo dát dohromady. To nejdůležitější však byly otázky, vyplývající z poznání toho, co jsme vlastně nejen viděli, ale mohli se toho dotknout, vzít to do rukou a pomalu, pomaloučku získávat první poznatky (viz pracovní list č. 1).

B. TERÉN- část pochopení funkce Ať jsme k vánocům dostali lyže, kolo, autíčko na dálkový pohon, kočárek už jsme se nemohli dočkat, jak to vlastně funguje v terénu, co na to kamarádi, až jim budu moci popisovat, co to vlastně umí a dokáže a jak to vlastně funguje, co všechno nového jsem s tím objevil… pomalu, pomaloučku se získávají poznatky o mnoha funkcích, které musí výrobek (moje kolo) mít, abych je mohl užívat, co vše se muselo vytvořit a vybudovat, abych jej mohl bezpečně užívat a hlavně to, že na světě nejsem a nemohu být sám, protože jsem závislý na funkcích mnoha dalších, které jsem považoval za naprostou samozřejmost (viz pracovní list č. 2).

C. IDEOVÝ NÁVRH- schopnost vlastního návrhu formování ideového návrhu do práce projektového týmu Získané poznatky nás většinou vedly k tomu, že když nás něco nebavilo doma nebo ve škole, tak jsme si začali vymýšlet a kreslit své představy Moje auto, ve kterém bych určitě vyhrál formuli 1, jak by se dal vylepšit snowboard nebo co bych udělal s mým novým kolem. To nejtěžší je ovšem přesvědčit kamarády, aby tuto představu sdíleli se mnou a to především ve dvou věcech vlastnosti mého návrhu a funkce mého návrhu (viz pracovní list č. 3).

70

PRACOVNÍ AKTIVITY PRO 1. STUPEŇ ZÁKLADNÍ ŠKOLY PRACOVNÍ LIST č. 1

MATERIÁLOVÁ DIAGNOSTIKA – VLASTNOSTI Jméno: Třída:

Datum:

Z čeho je vlastně auto? Naši předkové nejprve poznali dřevo, potom objevili kovy a jejich vlastnosti a nakonec materiály organické chemie a zejména plasty. Podíváme si nyní na tak obyčejnou věc, jakou je auto z hlediska Motivace materiálového inženýrství. Zkusíme si odpovědět na obyčejnou otázku, proč vlastně funguje auto ve 3 krocích, tak jako postupovali naši předkové:

Vezmeme si na pomoc Vaše hračky:



Co brání tomu, abychom měli auto jen celé ze dřeva?



Co brání tomu, abychom měli auto celé jen z kovu?



Co brání tomu, abychom měli auto celé jen z plastu?

Úkol

Jak si hráli naši předkové, když chtěli jezdit autem? Příklad součinnosti vědců ve vazbě na aplikovaný výzkum vývoje automatů pro přesné strojírenství

71

A/ Materiálové inženýrství DŘEVO Doplň informace do textu a odpověz na otázku: Proč nemůže být celé auto jen ze dřeva? Úkol

Zde napište vlastní názor Ve vědě nejsou správné a špatné odpovědi, každý poznatek se musí vzít v úvahu.

B/ Materiálové inženýrství KOVY

Motivace

72

Doplň informace do textu a odpověz na otázku:

Úkol

Proč nemůže být celé auto jen z kovu? Zde napište vlastní názor Ve vědě nejsou správné a špatné odpovědi, každý poznatek se musí vzít v úvahu.

C/ Materiálové inženýrství PLASTY

Motivace

73

Doplň informace do textu a odpověz na otázku:

Úkol

Proč nemůže být celé auto jen z plastu? Zde napište vlastní názor Ve vědě nejsou správné a špatné odpovědi, každý poznatek se musí vzít v úvahu.

Následně vše po vyzvání učitele proberte v rámci celé třídy.

Úkol s učitelem

74

PRACOVNÍ AKTIVITY PRO 2. STUPEŇ ZÁKLADNÍ ŠKOLY PRACOVNÍ LIST č. 2 - učebna

PROJEKT IDEOVÉHO NÁVRHU NOVÝCH VLASTNOSTÍ A NOVÉ FUNKCE Jméno: Třída:

Datum:

Zdroj: autor

Ukažte na obrázku, které materiály se nacházejí v autě? Které materiály se nacházejí v periodické soustavě prvků? Které materiály nám poskytuje organická chemie? Když brzdíme, proč jsou kola horká? A co motor? Jaké vlastnosti musí mít, aby vydržel vysokou teplotu a tlak?

75

Úkol

Víte, že nejrychlejší lokomotiva už jezdí po kolejích rychlostí 510 km za hodinu? Jak bude muset vypadat dálnice, aby po ní mohlo auto jezdit stejnou rychlostí? Pokusíme se nyní v rámci pracovních týmů provést ideový návrh konstrukce pro rok 2035

osobní auto

supervlak

76

Motivace

IDEOVÝ PROJEKT TÝMU BY MĚL OBSAHOVAT:  NÁČRTEK IDEOVÉ PŘEDSTAVY- kresba  TABULKU MATERIÁLŮ A JEJICH VLASTNOSTÍ 

TABULKU POŽADAVKŮ NA FUNKCI JEDNOTLIVÝCH ČÁSTÍ

Příklad NÁČRTEK IDEOVÉ PŘEDSTAVY- kresba

Materiály, které není třeba chladit a měnit provozní kapaliny

77

TABULKU MATERIÁLŮ A JEJICH VLASTNOSTÍ Použitý

Požadované vlastnosti materiálu pro rok 2035

materiál kov plast kompozit textil ostatní

TABULKU POŽADAVKŮ NA FUNKCI JEDNOTLIVÝCH ČÁSTÍ Funkce

Požadované vlastnosti funkce pro rok 2035

Rychlost Bezpečnost Navigace Spolehlivost

Vzájemná prezentace výstupů projektových týmů, diskuse o dosažitelných vlastnostech a nárocích na spojení jednotlivých funkcí, příležitost k prezentaci nejlepších projektů.

78

Úkol s učitelem

PRACOVNÍ AKTIVITY PRO STŘEDNÍ ŠKOLY PRACOVNÍ LIST č. 3 terén – nádraží, železnice

CHOVÁNÍ MATERIÁLŮ, JAKO SYNERGICKÝ EFEKT – FUNKCE Jméno: Datum:

Třída:

Jak vlastně funguje taková obyčejná věc, jako je železnice? Pojďme se společně podívat na obyčejné nádraží a pokusme se odpovědět na otázku, jak a proč to vlastně funguje – je železnice Motivace opravdu jen ze železa?

Podíváme se nyní jen na vztah KOLO-KOLEJNICE

79

PROČ VLASTNĚ TAK DĚSNĚ PÍSKAJÍ BRZDY? Jak vlak vlastně brzdí?

Motivace

Vyjmenujte funkce, které chcete, aby měly osobní vagóny? Ve vědě nejsou správné a špatné odpovědi, každý poznatek se

Úkol

musí vzít v úvahu.

Následně vše po vyzvání učitele proberte v rámci celé třídy. Učitel projedná po návratu, co si studenti poznamenali a doplní

80

Úkol s učitelem

Už se umíte podívat na kolo a kolejnici jinak? Poznáte, co je na obrázku? Umíte odpovědět, proč je to tak konstruované a jakou to má funkci?

Motivace

Obrázek představuje řez železničním kolem? Proč má vlastně takový tvar? Proč to není rovné? Je lidská noha také úplně rovná? Ve vědě nejsou správné a špatné odpovědi, každý poznatek se musí vzít v úvahu.

Následně vše po vyzvání učitele proberte v rámci celé třídy.

Úkol

Úkol Učitel projedná po návratu, co si studenti poznamenali a doplní s učitelem v tomto případě vztah pružnost a pevnost

81

Co působí na vzájemné síly při kontaktu kolo-kolejnice? Poznatek, co je na obrázku a jakou to má funkci?

Motivace

Které vzájemné vztahy působí při jízdě vlaku mezi kolem a kolejnicí? (TLAK, TEPLOTA, TŘENÍ ……) a proč je vzájemná konstrukce tak obyčejné věci docela složitá?

Úkol

Ve vědě nejsou správné a špatné odpovědi, každý poznatek se musí vzít v úvahu.

Následně vše po vyzvání učitele proberte v rámci celé třídy. Učitel projedná po návratu, co si studenti poznamenali a doplní

82

Úkol s učitelem

PRACOVNÍ LISTY S ODBORNÝM TEXTEM V ANGLICKÉM A ČESKÉM JAZYCE Selected knowledge of materials engineering Knowing new materials and their characteristics reach deep into the human history. The need of identification of new materials is noticed practically since a human had taken the first instrument into the hand. Since he had started to perceive the characteristics like flexibility of bow, spear. Since he had started to perceive the strength and hardness of the first stone tools like axes, arrowheads. These characteristics and knowledge meant the one thing - the chance to survive; the opportunity to gain an advantage over much bigger rivals like predators, when groups of the first humans hunted for game animals; or the opportunity to gain a food source as mammoth that presented a chance to survive not only a harsh winter but also the whole Ice Age. The man was able to discover a wide spectrum of material attributes occurring in real nature around us in several millenniums of his evolution. He learned, among the others, how to create artificial materials that replace the depleting natural sources of raw materials. He multiplied his abilities and created fields and branches of production that increase a life quality, enable much faster time utilization e.g. in traffic area and manipulation. He gained at the same time a new dimension in cognition of lawfulness relations and connections as artificial intelligence products. Our acquaintance with material attributes is far from the end. There are many unknown quantities that do not behave the same way during a deeper investigation even of the most fundamental elements like carbon, hydrogen, iron, aluminium, copper, silicon. Everyone who had an occasion to work with liquid steel knows that it is very difficult to achieve absolutely precise composition in each melting process. There are many factors involving the whole technological process. There are differences between results gained in laboratories and in manufacturing process. There are new substances waiting for their discovery. Let’s have a look at few calls where engagement of a new young generation into problematic of material research is supposed:  MICRO-UNIVERSE – IDENTIFICATION OF THE SMALLEST PARTICLES (nanotechnology)  MICRO-UNIVERSE – KNOWLEDGE OF BIOMATERIAL (biotechnology)  MICRO-UNIVERSE – KNOWLEDGE OF HUMAN BODY (human organs transplantations) These are only small parts from the total change of orientation of primal applied research with a base in material engineering. Changes related to classic technologies of selected fields and branches can be expecting in this connection in the near term (see scheme):

83

Scheme 2: System of transfer of science and research knowledge into fields and branches

DOPRAVNÍ

CHEMISTRY AND PLASTICS

TRANSPORTATION SYSTÉMY SYSTEMS

CONSTRUCTION

MATERIAL ENGINEERING AVIATION AND ASTRONAUTICS .

AGRICULTURE TECHNOLOGIES NANOTECHN OLOGY

BIOTECH NOLOGY

HEALTH CARE ELECTROTECHNIC COMMUNICATION

MECHANICAL ENGINEERING

AND

Source: Author

Important discoveries related to material engineering and follow-up research fields do not have immediate impact, but after a longer period when they bring significant changes especially in application. The application of a Velcro, as an example, discovered and tested firstly for astronautics and cosmic industry, brought a fundamental change in a wide range of fields and branches. Only a few people know that Velcro can be used e.g. for connection of threaded joints of trolleybus roofs. Significant changes of products functions and characteristics can be expected in a real market in the near future. This happens not only in fields with high innovation dynamics like e.g. electrical engineering and communication, but also in tradition fields like constructions and agriculture technologies. It is necessary to realize that with respect to history and knowledge of humankind the practical applications of development and research were accelerated especially during wars and heightened tension. Rapid increase in world population demands fast application of results in science and research to increase as machinery, devices, transportation systems production so food production. Important discoveries in health care and life prolonging are made at the same time. Such questions like mutual relationship of material engineering knowledge and humankind ability are in the centre of attention of scientific research. Development of waste-free technology belongs also among important disciplines. Significant increase of knowledge was noticed in powder metallurgy too. The attention is currently paid to the issue of new sources of raw materials use within the solar system. It is well known that a whole range of elements occurring on the Earth was found also on the Mars. It provides an occasion to gain these raw materials and also for potential movement of inhabitants to another planet. These are only some of the aspects and challenges of the material engineering for future generations. 84

Výkladový slovník pojmů Anglicky

Česky

agriculture

zemědělství

application

aplikace, upotřebení

artificial intelligence

umělá inteligence

challenge

výzva

chemistry

chemie

construction

stavebnictví

cosmic industry

vesmírný průmysl

electric engineering

elektrotechnika

field

oblast, vědní obor

health care

zdravotní péče

human

člověk

inhabitants

obyvatelé

issue

problematika, otázky

occasion

příležitost

particle

částice

provide

poskytnout

raw materials

nerostné suroviny

relationship

vztah

solar

sluneční

waste

odpad

85

Slovník pojmů

Vybrané poznatky materiálového inženýrství Poznávání materiálů a jejich vlastností sahá hluboko do historie lidstva. Potřeba poznávání vlastností je zaznamenána prakticky od doby, kdy vzal člověk do ruky první nástroj. Kdy začal vnímat vlastnosti, jako je pružnost u luku, oštěpu. Kdy začal vnímat pevnost a tvrdost u prvních kamenných nástrojů, jako byly sekery, hroty šípů. Tyto vlastnosti a toto poznání znamenaly jediné. Možnost přežít. Možnost získat převahu nad daleko mohutnějšími soupeři, jako byli predátoři, lovená zvěř nebo zdroj potravy, která v podobě mamuta znamenala přežití nejen kruté zimy, ale i celé doby ledové. Za několik tisíciletí svého vývoje byl člověk schopen rozkrýt široké spektrum vlastností materiálů, které se vyskytují kolem nás v reálné přírodě. Kromě jiného se naučil vyrábět i materiály umělé, které nahrazují postupně již vyčerpávající se zdroje přírodních surovin. Rozkrýváním těchto poznatků znásobil svoje schopnosti vytvářet obory a odvětví výrobků, které rozšiřují kvalitu života, umožňují daleko rychleji využít čas např. v oblasti dopravy a manipulace. Současně získal novou dimenzi pro oblast poznávání zákonitostí vzájemných vztahů a vazeb v podobě produktů umělé inteligence. Naše poznání vlastností materiálu však ani s touto pomocí není zdaleka u konce. Při hlubším zkoumání i těch nejzákladnějších prvků, jako jsou uhlík, vodík, železo, hliník, měď, křemík je mnoho neznámých veličin, které se nechovají pokaždé stejně. Každý, kdo měl příležitost pracovat s tekutou ocelí, ví, že docílit naprosto přesné složení v každé tavbě je velmi obtížné s mnoha faktory, které ovlivňují celý technologický proces. Existují rozdíly mezi výsledky, které se dosáhnou v laboratořích a které je možné dosáhnout v konkrétní výrobě. Existuje mnohé, co teprve čeká na své objevení. Pojďme nahlédnout jen do několika málo výzev, kde předpokládáme zapojení nové mladé generace do problematiky materiálového výzkumu:  MIKROVESMÍR POZNÁNÍ TĚCH NEJMENŠÍCH ČÁSTIC HMOTY (nanotechnologie)  MIKROVESMÍR POZNÁNÍ BIOMATERIÁLŮ (biotechnologie)  MIKROVESMÍR POZNÁNÍ LIDSKÉHO TĚLA (náhrada lidských orgánů) Toto jsou jen malé částí z celkové změny orientace primárního aplikovaného výzkumu, jehož základ je založen v oboru materiálového inženýrství. V této souvislosti lze očekávat v nejbližším období i změny, související s klasickými technologiemi vybraných odvětví a oborů (viz schéma):

86

Schéma 2 Systém transferu poznatků vědy a výzkumu do oborů a odvětví

DOPRAVNÍ SYSTÉMY

STAVEBNICTVÍ

CHEMIE A PLASTY

MATERIÁLOVÉ INŽENÝRSTVÍ LETECTVÍ A KOSMONAUTIKA .

BIO TECHNOLOGIE

NANO TECHNOLOGIE

ZEMĚDĚLSKÁ TECHNIKA

ZDRAVOTNICTVÍ ELEKTRONIKA KOMUNIKACE

A

STROJÍRENSTVÍ

Zdroj: autor

Významné objevy z boru materiálového inženýrství a navazujících oborů výzkumu se neprojeví hned, ale po delším čase, kdy přináší velmi významné změny především z hlediska aplikací. Například aplikace suchého zipu, který byl nejdříve vynalezen a odzkoušen v oblasti kosmonautiky a kosmického průmyslu vytvořil revoluční změnu v široké skupině oborů a odvětví. Jen málo lidí ví, že suchým zipem je možno například spojit střech trolejbusu v podobě rozebíratelného spoje. V nejbližším období lze i na reálném trhu očekávat významné změny funkcí a vlastností výrobků nejen v oborech s vysokou dynamikou inovací, jakými jsou například elektronika a komunikace, ale i v tradičních oborech stavebnictví a zemědělské techniky. Současně je třeba si uvědomit, že z hlediska historie a poznání lidstva byly praktické aplikace vývoje a výzkumu, především urychlovány v době válečných konfliktů a zvýšeného napětí. Rychlá nárůst počtu obyvatel naši země vyžaduje i rychlou aplikaci výsledků vědy a výzkumu směrem ke zvýšené produktivitě jak ve výrobě strojů, zařízení, dopravních systémů, tak ve výrobě potravin. Paralelně s tím probíhají významné objevy, spojené s oblastí péče o zdraví a prodlužování věku. Z hlediska dlouhodobé perspektivy kontinuity vývoje jsou v pozornosti vědeckého výzkum i takové otázky, jako je vzájemný vztah poznání materiálového inženýrství a schopnost lidstva, zničit samo sebe v oboru environmentálního a genetické inženýrství. Velmi významná je i oblast vývoje bezodpadové technologie a významný nárůst poznatků z oboru práškové metalurgie. Současně je věnována značná pozornost problematice využití nových zdrojů surovin v oblasti naší sluneční soustavy. Již víme, že na Marsu se vyskytuje celá řada prvků, jako na zemi. Je to příležitost nejen pro získání těchto surovin, ale i perspektivu lidstva z hlediska jeho případného přemístění jinam. Toto jsou jen některé aspekty a výzvy materiálového inženýrství pro budoucí generace. 87

ČÁST C - Metodická příručka V rámci předmětů: občanská výuka, fyzika, chemie, zeměpis, Rozsah: 8 až 16 hodin Poznámka: Nutnost aktivní účasti učitele. Práce v týmech. Metoda: Integrovaná projektovou výuka: 1. řeší reálnou situaci/problém, má praktický společenský význam 2. je blízký situaci, životu a zájmu žáků 3. aktivity projektu na sebe navazují a směřují k týmovému návrhu, týmové představě budoucího výrobku. Základy světové vědy jsou založeny na dvou základních pilířích (mezinárodní vědecké týmy a schopnost jejich spolupráce a hledání mnoha variant pro konečné naplnění funkce). Nejde jen o schopnost se učit, vědět a znát, ale především schopnost pochopit a porozumět nestandartním přístupům a schopnost kooperace. To je hlavním cílem a naplněním tohoto projektu, kde se zrcadlí schopnost propojit poznatky z mnoha vyučovaných předmětů.

Pokyny pro učitele

4. projekt má vytvořit schopnost predikovat a rozvíjet ideové představy o vlastnostech a funkcích budoucích výrobků, jejich primární základ je založen na poznání materiálů a technologií materiálového inženýrství 5. výsledky projektu jsou prezentovány v rámci školy nebo před odborníky Pomůcky: Počítač s MS Office, přístup k internetu a soubor data_MSK.xls na CD, které je součástí modulu. MTV 7 Materiálové inženýrství Celá výuka je realizována ve 3 blocích, které na sebe navzájem navazují. Jedná se především o pochopení, proč se danou problematikou zabýváme a v čem je zajímavá. V čem se dotýká poznání běžného života kolem nás a které věci kolem nás fungují, aniž bychom si všimli toho, jak fungují. Cílem jsou tyto bloky: Výukový modul Cílem modulu je na základě poznání a specifikace vybraných poznatků z oborů materiálového inženýrství, práškové metalurgie a tváření získat schopnost formulovat otázky pro vlastnosti materiálů a jejich funkce např. Proč ocelová pružina funguje jako akumulátor energie? V této části se pokusit o pochopení zejména této problematiky: Pevnost materiálů Pevnost materiálů odpovídá z hlediska fyziky napětí a představuje zjednodušeně maximální napětí, které může materiál přenášet, aniž by v něm vznikaly defekty, nebo aniž by se porušil

88

(zlomil, roztrhl apod.). Pevnost materiálů bývá nejčastěji vyjadřována v N·mm-2, tj. v MPa, vzhledem k tomu, že napětí je ve fyzice definováno jako podíl síly a plochy, na níž síla působí. Houževnatost materiálů Houževnatost materiálů odpovídá z hlediska fyziky práci (energii) a velmi zjednodušeně představuje práci (energii), kterou je třeba vynaložit na porušení materiálu – na jeho rozlomení, přeražení, roztržení apod. Důležité: Pro většinu konstrukčních aplikací by bylo žádoucí, aby materiály byly zároveň pevné i houževnaté. Ale bohužel, až na určité výjimky stojí pevnost a houževnatost materiálů v určitém protikladu. Ty materiály, které mají vysokou pevnost, většinou nebývají houževnaté, a naopak, materiály, které mají vysokou houževnatost, nebývají většinou pevné. Poznámka: Jen pro připomenutí – protikladem houževnatosti je křehkost. Křehký materiál je tedy takový, který má nízkou houževnatost. CHEMICKÉ VLASTNOSTI MATERIÁLŮ Chemické vlastnosti tvoří další důležitou skupinu vlastností pevných látek. Můžeme mezi ně zahrnout např. vlastní chemické složení materiálů, jejich event. toxicitu, pro použití v medicíně např. biokompatibilitu apod. DEGRADACE – ODOLNOST MATERIÁLŮ Jako čtvrtá skupina užitných vlastností bývá někdy vyčleněna zvlášť jejich odolnost vůči degradaci různého druhu během provozu. Co to znamená? Určitě jste slyšeli, četli, viděli filmy o různých haváriích konstrukcí, mostů, lodí, letadel aj. během jejich provozu. V tuto chvíli uvedeme jen několik příkladů. Řada materiálů, zejména kovových se může porušit např. únavou. Únava materiálu je druh degradace, ke kterému dochází, pokud je materiál vystaven působení napětí, která jsou v čase proměnlivá, tzn, že se s časem zvyšují a snižují. To může vést po jisté době až k porušení materiálu, i když jsou působící napětí docela nízká. Jiný druh degradace představuje např. koroze, která znamená zjednodušeně degradaci. Terénní modul Cílem terénního modulu je na základě poznání vlastností materiálů pochopit jejich funkce tak, jak fungují v celém integrovaném systému funkcí. Terénní modul může být realizován například návštěvou nádraží a pozorováním funkce rozjezdu a brzdění vlaku ve vazbě na pohyb a zrychlení velké hmoty. Jak vlastně funguje vzájemný vztah veličin tření a teploty? Jaký je vzájemný vztah kolo-kolejnice, proč vlastně potřebujeme pružnost i pevnost? V této části se pokusit o pochopení zejména této problematiky:

TVAŘITELNOST Tvařitelnost je schopnost materiálu vytvořit požadovaný výrobek bez vad plastickou deformaci za tepla nebo za studena. 89

SVAŘITELNOST Svařitelnost je schopnost materiálu vytvořit svarový spoj požadovaných vlastností. Svařitelnost se hodnotí z hlediska technologického (závisí na zvolené technologii aparametrech svařování), metalurgického (závisí na složení, struktuře svařovaného materiálu, rozměrových změnách a pnutí vzniklých během svařování) a konstrukčního (závisí na tvarovém řešení svarového spoje). SLÉVATELNOST Slévatelnost je schopnost vytvořit odlitek předepsaného tvaru a rozměrů bez vad a s odpovídajícími vlastnostmi. Představuje souhrn slévárenských vlastností, jako jsou tavitelnost, tekutost, smršťování, odmíšení, pohlcování plynů. Základní vlastnosti jsou zabíhavost a smrštění kovu. OBROBITELNOST Obrobitelnost popisuje způsob obrábění materiálu, práci, která se vynaloží na oddělení třísky a stupeň drsnosti, který se po obrobení dosáhne. Technologické vlastnosti nelze vyjádřit pomocí fyzikálních veličin, ale zjišťují se pomocí technologických zkoušek. Charakteristickými technologickými zkouškami jsou zkoušky lámavosti, hlubokotažnosti, zabíhavosti, zkouška na stanovení stupně obrobitelnosti. Postup většiny technologických zkoušek je normovaný. Projektový modul Na základě poznání vlastností materiálů a funkcí v jednotlivých dopravních prostředcích, jako je auto a vlak, se pokusíme o 2 základní části projektování: Část A Na základě obrázku na řezu osobního auta se pokusíme nalézt a popsat jednotlivé funkce činnosti auta ve vazbě na požadované vlastnosti materiálů, z nichž jsou konstruovány např: 

Pneumatiky- guma, ocelový kord, patní lanko



Kola- brzdy a jejich funkce, samomazná ložiska (tření a teplota)

Část B Nyní jsme již poznali některé základní vztahy vlastností materiálů na jejich funkci a můžeme se pokusit navrhnout: 

Vlastní konstrukci auta (design) pro rok 2018



Vlastní konstrukci superrychlého vlaku pro rok 2018

Najít na internetu nějaké signály, informace, poznatky, články, které nám signalizují, kam půjde vývoj konstrukce a užití nových materiálů v blízké budoucnosti (pohon motorů, nanotechnologie, nové druhy materiálů aj) V této části se pokusit o pochopení zejména této problematiky: TECHNOLOGICKÉ VLASTNOSTI MATERIÁLŮ Kromě užitných vlastností bývají někdy definovány také technologické vlastnosti materiálů. Ty se nevztahují k období použití materiálů, ale k procesu jejich výroby. U kovových materiálů je

90

např. důležitá jejich svařitelnost, tj. schopnost spojení různých dílů svařováním, nebo tzv. tvařitelnost, tj. schopnost přijmout změnu tvaru procesem tváření. VNITŘNÍ STAVBA MATERIÁLŮ a VLASTNOSTI MATERIÁLŮ Vlastnosti materiálů závisí, kromě již uvedeno na: druhu materiálu; chemickém složení, vnitřní stavbě. Druhem materiálu rozumíme to, zda se jedná o kov, polymer, keramiku nebo kompozit. Význam chemického složení je snad zřejmý. Pro nás je ale nejdůležitější to, že vlastnosti materiálů závisejí velmi silně na jejich vnitřní stavbě neboli struktuře. Studium vnitřní stavby pevných látek je tedy mimořádně důležité proto, že změnou vnitřní stavby lze velmi silně ovlivnit (změnit) užitné vlastnosti. A proto se vnitřní stavbě pevných látek věnujeme dříve než jejich vlastnostem. Vnitřní stavbou, resp. strukturou pevných látek můžeme mít na mysli často rozdílné charakteristiky, a to v závislosti na měřítku. Někdy se vnitřní stavba, resp. struktura podle měřítka rozlišuje následovně: 

makrostruktura;



mikrostruktura;



submikrostruktura;



struktura na atomární úrovni.

MAKROSTRUKTURA Makrostrukturou rozumíme ty části vnitřní stavby, které lze pozorovat pouhým okem, tzn. jejich rozměr je řádově v mm. U dřeva lze např. vidět soubory, resp. uspořádání vláken Vnitřní stavba pevných látek celulózy U kovových materiálů lze, většinou po jisté přípravě, rozlišit jednotlivé části svarových spojů, nebo makrostrukturu ingotů MIKROSTRUKTURA Mikrostruktura představuje ty části vnitřní stavby, které mají rozměr v desítkách až stovkách μm. Může se jednat např. o jednotlivé krystalky (zrna) v polykrystalickém materiálu. SUBMIKROSTRUKTURA Submikrostruktura představuje ty části vnitřní stavby, které mají rozměr v desítkách až stovkách nm, a jsou tedy cca 1000x menší než části mikrostruktury. Může se jednat o různé drobné částice, nebo i poruchy vnitřní stavby, jak bude uvedeno dále. Submikrostruktura již není pozorovatelná běžnými mikroskopy, ale je zapotřebí použít speciálních mikroskopů, nejčastěji tzv. elektronových mikroskopů. Ty využívají jako zdroj záření svazek elektronů o kratší vlnové délce, než má běžné světlo. Tím dochází k podstatnému zvýšení jejich rozlišení a umožňují pozorování částí struktury právě o rozměrech v desítkách, resp. stovkách nm.

Shrnutí poznatků a závěr V uvedeném materiálu je představeno malé nahlédnutí do oborů vědy a výzkumu, které většinou zůstávají skryty sdělovacím prostředkům v obecné rovině popularity vynálezů v oblasti léčiv, biomedicíny, ekologie apod. Přesto je dobré, čas od času se seznámit s širším spektrem poznání 91

mimo rámec své specializace. Někdo je dobrý hokejista, někdo je skvělý v ovládání umělé inteligence počítačů někdo rád objevuje to, co nabízí tisíce e-shopů na celém světě. Schopnost získat hlubší poznatky o funkci a možnostech užití je dána i schopností poznat primární stránku hodnot a zdrojů, ze kterých byly dané funkce vytvořeny. Auto může mít na tachometru rychlost 240, ale dosažení této rychlosti má řadu podmínek, stejně, jako se příroda brání tomu, když chceme všechno. Ze všech získaných poznatků je možné uvést alespoň následující:

POZNATEK 01: Úcta k našim předkům, kteří své poznatky, lemované neúspěchy tvořili za daleko složitějších podmínek, než máme k dispozici my. Co předáme my těm, kteří přijdou po nás?

POZNATEK 02 : Pokora před přírodou, kterou jsme zdaleka nepoznali, i když nám pomáhá umělá inteligence.

POZNATEK 03 : Funkce systému na sebe navazují a tvoří funkci celku. Co všechno se musí stát, abychom pohnuli vlastní rukou, abychom rozjeli auto, co se děje s materiálem, který tuto funkci vykonává? Stačí si jen uvědomit vztah plasticity a elasticity, pružnost a pevnost atd.

92