Nauka o materiálu I. Strojírenství. Ing. Martin Podařil, PhD České Budějovice

Nauka o materiálu I

Strojírenství

Ing. Martin Podařil, PhD.

2014 České Budějovice 1

Tento učební materiál vznikl v rámci projektu "Integrace a podpora studentů se specifickými vzdělávacími potřebami na Vysoké škole technické a ekonomické v Českých Budějovicích" s registračním číslem CZ.1.07/2.2.00/29.0019. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

1. vydání ISBN © Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích, 2014 Vydala: Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích, Okružní 10, 370 01 České Budějovice Za obsahovou a jazykovou správnost odpovídají autoři a garanti příslušných předmětů.

2

Obsah Kapitola 1 - Úvod do studia materiálové problematiky ................................................. 8 1.1 Strojírenské materiály ....................................................................................................... 8 1.1.1 Kovy a jejich slitiny.................................................................................................... 11 1.1.2 Polokovy ................................................................................................................... 13 1.1.3 Nekovy ...................................................................................................................... 13 Kapitola 2 - Základy nauky o kovech .........................................................................15 2.1 Vazby mezi atomy ........................................................................................................... 15 2.2 Krystalová mřížka a její nedokonalosti ........................................................................... 17 2.3 Poruchy krystalické mřížky.............................................................................................. 20 2.3.1 Bodové poruchy ........................................................................................................ 20 2.3.2 Čárové poruchy ......................................................................................................... 22 2.3.3 Plošné vady ............................................................................................................... 23 2.3.4 Prostorové vady ........................................................................................................ 24 Kapitola 3 - Základní související termodynamické pojmy .......................................... 26 3.1 Základní pojmy ................................................................................................................ 27 3.2 Termodynamická soustava ............................................................................................. 28 3.2.1 Složky termodynamické soustavy............................................................................. 29 3.2.2 Fáze termodynamické soustavy ............................................................................... 29 3.2.3 Fázové pravidlo ......................................................................................................... 32 3.3 Difuze .............................................................................................................................. 34 3.3.1 Základní pojmy a význam ......................................................................................... 34 3.3.2 Mechanizmy difuze ................................................................................................... 35

3

Kapitola 4 - Kovy a slitiny za působení vnějších sil .................................................... 39 4.1 Elastická deformace ........................................................................................................ 40 4.2 Anelastická deformace.................................................................................................... 41 4.3 Plastická deformace a deformační zpevnění .................................................................. 43 4.3.1 Plastická deformace monokrystalu .......................................................................... 43 4.3.2 Plastická deformace polykrystalu ............................................................................. 45 4.4 Zpevňování kovu ............................................................................................................. 46 4.5 Houževnatost materiálu.................................................................................................. 47 4.6 Únava materiálu .............................................................................................................. 48 4.7 Tečení a relaxace ............................................................................................................. 49 4.7.1 Tečení a lom při tečení ............................................................................................. 49 4.7.2 Relaxace .................................................................................................................... 51 Kapitola 5 - Čisté kovy a slitiny, stavba kovových soustav ........................................ 53 5.1 Čisté kovy ........................................................................................................................ 54 5.2 Slitiny ............................................................................................................................... 55 5.3 Tuhé roztoky ................................................................................................................... 57 5.3.1 Substituční tuhé roztoky ........................................................................................... 57 5.3.2 Intersticiální tuhé roztoky......................................................................................... 58 5.4 Intermediální fáze ........................................................................................................... 59 5.4.1 Elektrochemické sloučeniny ..................................................................................... 59 5.4.2 Sloučeniny určené velikostním faktorem ................................................................. 60 5.4.3 Elektronové sloučeniny ............................................................................................ 61 Kapitola 6 - Fázové přeměny v kovových soustavách ............................................... 63

4

6.1 Krystalizace kovů ............................................................................................................. 63 6.1.1 Krystalizace čistých kovů .......................................................................................... 64 6.2 Fázové přeměny v tuhém stavu ...................................................................................... 67 6.2.1 Fázové přeměny s tepelně aktivovaným růstem...................................................... 67 Kapitola 7 - Rovnovážné diagramy binárních soustav ............................................... 73 7.1 Diagramy s úplnou rozpustností složek v kapalném i tuhém stavu................................ 74 7.2 Pákové pravidlo ............................................................................................................... 76 7.3 Diagramy s omezenou rozpustností složek v tuhém stavu............................................. 76 7.4 Diagram slitin s úplnou nerozpustností složek v tuhém stavu ....................................... 78 Kapitola 8 - Technické slitiny železa .......................................................................... 81 8.1 Čisté železo...................................................................................................................... 83 8.2 Vliv doprovodných prvků na vlastnosti slitin železa ....................................................... 85 8.2.1 Vliv manganu ............................................................................................................ 86 8.2.2 Vliv křemíku .............................................................................................................. 86 8.2.3 Vliv fosforu ................................................................................................................ 86 8.2.4 Vliv síry ...................................................................................................................... 87 8.2.5 Vliv kyslíku ................................................................................................................ 88 8.2.6 Vliv dusíku ................................................................................................................. 89 8.2.7 Vliv vodíku................................................................................................................. 89 Kapitola 9 - Fázový a strukturní rozbor slitin železa s uhlíkem .................................. 93 9.1 Uhlík ve slitinách železa .................................................................................................. 94 9.2 Metastabilní soustava železo - karbid železa .................................................................. 95 9.3 Stabilní soustava železo - grafit..................................................................................... 102

5

Kapitola 10 - Základy tepelného zpracování ocelí a litin .......................................... 106 10.1 Tepelné zpracování slitin železa.................................................................................. 107 10.1.1 Žíhání .................................................................................................................... 108 10.1.2 Kalení a popouštění .............................................................................................. 110 10.2 Chemicko-tepelné zpracování..................................................................................... 113 10.2.1 Cementování......................................................................................................... 113 10.2.2 Nitridování ............................................................................................................ 114 10.2.3 Boridování ............................................................................................................. 114 10.3 Mechanicko-tepelné zpracování ................................................................................. 114 Kapitola 11 - Označování ocelí ................................................................................ 119 11.1 Systémy označování ocelí ........................................................................................... 119 11.1.1 Systém zkráceného označování ............................................................................ 120 11.1.2 Systém číselného označování (EN 10027-2) ......................................................... 123 11.2 Konstrukční ocele ........................................................................................................ 123 11.2.1 Konstrukční oceli obvyklých jakostí ...................................................................... 124 11.2.2 Konstrukční ocele ušlechtilé ................................................................................. 126 11.2.3 Oceli a slitiny se zvláštními vlastnostmi ............................................................... 129 11.3 Nástrojové oceli .......................................................................................................... 131 11.3.1 Uhlíkové nástrojové oceli ..................................................................................... 132 11.3.2 Slitinové nástrojové oceli...................................................................................... 133 11.3.3 Rychlořezné oceli .................................................................................................. 134 Kapitola 12 - Neželezné kovy a jejich slitiny ............................................................ 136 12.1 Měď a její slitiny .......................................................................................................... 136

6

12.1.1 Slitiny mědi se zinkem .......................................................................................... 137 12.2 Hliník a slitiny hliníku .................................................................................................. 139 12.2.1 Slitiny hliníku......................................................................................................... 140 12.3 Cín ............................................................................................................................... 142 12.4 Olovo ........................................................................................................................... 142 12.4.1 Měkké pájky .......................................................................................................... 143 12.4.2 Kompozice ............................................................................................................ 144 12.5 Zinek ............................................................................................................................ 144 Kapitola 13 - Kovové materiály pro výrobu částí výrobních strojů ........................... 147 13.1 Konstrukční oceli ......................................................................................................... 148 13.2 Oceli a slitiny se zvláštními vlastnostmi ...................................................................... 151 13.3 Oceli a slitiny se zvláštními fyzikálními vlastnostmi.................................................... 154 13.4 Oceli na odlitky............................................................................................................ 155 Použitá literatura...................................................................................................... 158

7

Kapitola 1 - Úvod do studia materiálové problematiky

KLÍČOVÉ POJMY metalografie, kov, slitina, polokov, nekov

CÍLE KAPITOLY Po prostudování této kapitoly bude student umět: •

Z jakých technických materiálů materiálů se vyrábějí strojní součásti

•

Vysvětlit pojem metalografie

•

Charakterizovat kovy a jejich slitiny Charakterizovat

•

Charakterizovat polokovy a nekovy a uvést několik příkladů příkla

ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU STUDIU KAPITOLY 4 - 6 hodin

VÝKLAD

1.1 Strojírenské materiály Konstruktér, který navrhuje strojní součást, určuje kromě velikosti a tvaru také druh materiálu. Při volbě materiálů bude rozhodovat druh a velikost namáhání namáhání,, jemuž je součást

8

vystavena, a to jak v průřezu, tak na povrchu. Povrch součástí je namáhán třením, které vyvolávají tlaky na povrch součásti a vlivy prostředí (voda, pára, chemické látky…), ve kterém plní svou funkci. Často ovlivní volbu materiálu i teplota prostředí, ve kterém součást pracuje, protože mění jeho mechanické a jiné vlastnosti. Při volbě materiálu musíme uvažovat souhrnné působení všech provozních podmínek na chování navrhované součásti jako celku: •

mechanická pevnost

•

deformace

•

kluznost, otěruvzdornost, schopnost útlumu rázů a tepelná vodivost (u pohybujících se součástí)

•

elektroizolační a dielektrické vlastnosti

•

chemická odolnost (při vyšší teplotě se obvykle zhoršuje)

•

tepelná odolnost

•

tvarová stálost

•

odolnost proti stárnutí a povětrnostním vlivům

•

odolnost proti hoření

Strojní součásti se vyrábějí z technických materiálů, které lze rozdělit na: a) technické kovy − technické železo

oceli •

k tváření

•

na odlitky

9

litiny •

šedé (tvárné)

•

bílé (temperované)

− neželezné kovy

těžké

lehké

b) nekovové materiály − anorganické

přírodní (diamant, azbest, grafit)

umělé (sklo, keramika, kamenina)

− organické

přírodní (dřevo, korek, kůže, textilie)

umělé •

pryž, papír

•

plastomery, duromery, elastomery

Pro volbu vhodného materiálu jsou rozhodující jeho vlastnosti ve vztahu k provozním podmínkám, funkci a způsobu výroby součásti.

Metalografie je nauka, která se zabývá pozorováním a zkoumáním vnitřní stavby (struktury) kovů a slitin. Stanoví, jak tato stavba souvisí s chemickým složením, teplotou a tepelným nebo mechanickým zpracováním.

10

1.1.1 Kovy a jejich slitiny Pojem kov se vztahuje na prvek, který má většinu z těchto vlastností: 1. Charakteristický lesk tj. vysokou odrazivost pro viditelné světlo 2. Velkou tažnost a kujnost 3. Velkou tepelnou a elektrickou vodivost 4. Velký elektropozitivní charakter

Mezi kovy a nekovy není přesná hranice. Některé prvky na hranici mezi kovy a nekovy mají vlastnosti obou skupin. Čisté kovy se vyznačují malou pevností a velkou tvárností. Proto je nemůžeme, až na malé výjimky, v technické praxi použít. Abychom je mohli v dostatečné míře používat, musíme jim dát ty vlastnosti, které jim chybí - tj. potřebnou tvrdost, pevnost a houževnatost. Tyto vlastnosti získá kov tím, že k základnímu kovu přidáme jeden nebo více přísadových kovů nebo nekovů (tzv. legur). Tyto legovací prvky změní vlastnosti základního kovu vytvořili jsme slitinu. Slitiny mohou vzniknout několika způsoby: 1. Slitím dvou nebo více roztavených kovů, 2. Rozpuštěním malých kousků tuhého přísadového kovu či nekovu ve velkém množství roztaveného kovu základního, 3. Difuzí tak, že jeden kov ve stavu tuhém, obalený práškovým kovem druhým, žíháme, nebo že páry kovu nebo nekovu necháme působit na druhý kov za vysoké teploty.

11

Podle počtu složek dělíme slitiny na: 1. Podvojné (binární) - obsahují dvě složky, 2. Potrojné (ternální) - obsahují tři složky, 3. Počtverné (kvaternární) - obsahují čtyři složky, 4. Komplexní - obsahují více než čtyři složky.

Charakteristickou vlastností slitin je, že všechny krystalizují. Skládají se z více nebo méně dokonalých krystalů. Jde-li o homogenní slitinu, obsahuje pouze krystaly jednoho druhu, heterogenní slitina je tvořena krystaly dvou a více druhů. Složky, které tvoří slitinu, nazýváme komponenty. Vlastnosti slitin se úplně liší od vlastností kovů, ze kterých vznikly. Kovy jsou hojně průmyslově využívány pro svoje ojedinělé fyzikální vlastnosti a pro snadnou zpracovatelnost, vyskytují se převážně ve sloučeninách - rudách. Tzv. drahé kovy se však obvykle vyskytují v ryzí formě, protože tvoří sloučeniny pouze velmi obtížně.

Mezi známé kovy patří: Antimon, baryum, beryllium, bismut, cer, cesium, cín, draslík, gallium, hliník, hořčík, chrom, indium, iridium, kadmium, kobalt, lanthan, lithium, mangan, měď, molybden, nikl, olovo, osmium, palladium, platina, rhodium, rtuť, rubidium, skandium, sodík, stříbro, stroncium, thalium, titan, uran, vanad, vápník, wolfram, yttrium, zinek, zlato, železo.

Typickými slitinami, známými z běžného života, jsou např.: Amalgámy, alpaka, bronz (dělovina, zvonovina), dural, mosaz, ocel.

12

1.1.2 Polokovy Polokovy tvoří společně s kovy a nekovy tři hlavní skupiny chemických prvků. Rozdělení je prováděno s ohledem na vazebné a ionizační vlastnosti prvků. Jejich vlastnosti tvoří přechod mezi kovy a nekovy. Je velmi obtížné rozlišit kovy a nekovy, nekovy, konvenčně se za polokovy považují polovodiče.

Seznam polokovů: Bor, Křemík, Germanium, Arsen, Antimon, Tellur, Polonium, Astat

1.1.3 Nekovy Nekovy jsou jedna ze tří skupin chemických prvků. Nekovy mají vysokou elektronegativitu, tzn. že jejich valenční elektronegativitu, valenční elektrony jsou pevně poutány k atomu. Mezi nekovy patří halogeny (fluor, chlor, brom, jód, astat), inertní plyny (helium, neon, argon, krypton, xenon, radon) a také tyto prvky: Vodík, Uhlík, Dusík, Kyslík, Fosfor, Síra, Selen. Známe pouze 18 nekovů, zatímco kovů je známo více než osmdesát. Ale koncentrace nekovů na Zemi je podstatně vyšší než koncentrace kovů.

STUDIJNÍ MATERIÁLY povinná literatura •

SKÁLOVÁ, J., KOUTSKÝ, J. a V. MOTYČKA, 2000. 2000 Nauka o materiálech materiálech.. 2. vyd. Plzeň: Plzeň Západočeská univerzita, 232 s. ISBN 80-7082 80 7082-677-0.

•

PTÁČEK, L. a kol., kol., 2002. Nauka o materiálu I. Brno: CERM.

•

FREMUNT, P. a T. PODRÁBSKÝ, 1996. 1996 Konstrukční oceli. oceli. Brno: CERM.

13

•

SKÁLOVÁ, J., BENEDIKT, V. a R. KOVAŘÍK, 2000. 2000 Základní zkoušky kovových materiálů. materiálů Plzeň: Západočeská Západočeská univerzita, 175 s. ISBN 80-7082-623 80 623-1.

•

PLUHAŘ J.,, 1989. Nauka o materiálech – Celostátní učebnice pro skupinu studijních PLUHAŘ, oborů Strojírenství a ostatní kovodělná výroba. výroba. 1. vyd. Praha: Praha SNTL,, 549 s.

•

MACEK, K. a kol., kol., 1996. Nauka o materiálu. materiálu. Praha: ČVUT Praha. Praha

doporučená literatura •

PTÁČEK, L. a kol., kol., 2003. Nauka o materiálu II. II. Brno: CERM.

OTÁZKY A ÚKOLY 1. Z jakých technických materiálů se vyrábějí strojní součásti? 2. Vysvětlete pojem metalografie. 3. Charakterizujte kovy a jejich slitiny. 4. Charakterizujte polokovy a nekovy a uveďte několik příkladů.

KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK Viz výklad.

14

Kapitola 2 - Základy nauky o kovech

KLÍČOVÉ POJMY vnitřní stavba kovů, vazby atomů, molekula, krystal, krystalografie, mřížka

CÍLE KAPITOLY Po prostudování prostudování této kapitoly bude student umět: um •

Popsat vnitřní stavbu kovů

•

Charakterizovat vazby mezi atomy

•

Vysvětlit pojem krystalografie

•

Popsat jednotlivé typy krystalografické krystalografické mřížky a jejich poruchy


VÝKLAD

2.1 .1 Vazby mezi atomy V kovech v tuhém stavu jsou jednotlivé atomy v takových vzdálenostech, při nichž jsou přitažlivé a odpudivé síly ve vzájemné rovnováze. Jsou-li Jsou li tyto síly v rovnováze, je za dané

15

teploty vzdálenost mezi atomy konstantní. Tyto přitažlivé a odpudivé síly, zvané vazební síly, jsou elektrostatického původu a jsou ovlivněny uspořádáním elektronů v atomovém obalu. Energie vazby mezi atomy určuje i práci, kterou je třeba vynaložit na jejich oddálení z rovnovážné polohy

Mezi základní vazby mezi atomy patří: Iontová (heteropolární) vazba je nejjednodušší vazba, která spočívá v elektrické přítažlivosti mezi elektropozitivními (uvozují ze svého obalu jeden a více elektronů) a elektronegativními (vážou elektrony) ionty. Elektropozitivní atom půjčí jeden elektron sousednímu elektronegativnímu atomu. Mezi dvojicí různých takto vzniklých iontů vznikne přitažlivá elektrostatická síla a atomy se pak mohou uspořádat do krystalu. Iontová vazba se vyskytuje u prvků, které leží v periodické obrlce blízko vzácných plynů. Příkladem je sloučenina NaCl. Kovalentní vazba (homopolární), je na rozdíl od iontové vazby charakterizována společnými dvojicemi valenčních elektronů elektricky neutrálních atomů. Tyto elektrony jsou potom polovinu doby v oblasti vlivu jednoho atomového jádra a polovinu doby v oblasti vlivu druhého atomového jádra. Tato vazba je velmi silná, takže ani táním nebo rozpuštěním se molekuly nemění. Příkladem této vazby je např.: H2O, CO2. Pro kovy je nejdůležitější vazba kovová, která se podobá vazbě kovalentní. Jakmile se atomy kovů k sobě přiblíží a vytvoří krystalickou strukturu, valenční elektrony se jako plyn volně pohybují mezi ionty, kterými jsou kationty, čímž vyvolají vazebné síly. Tento volný pohyb valenčních elektronů se označuje jako valenční mrak a způsobuje dobrou elektrickou a tepelnou vodivost kovů. Projevuje se především u prvků, které mají nízký počet elektronů ve vnější sféře, což jsou právě především kovy. Ostatní vazby jsou pro kovy a jejich slitiny nepodstatné.

16

Vazba van der Waalsova je běžná u prvků nebo chemických sloučenin s velmi stabilní valenční skupinou, což jsou např. inertní plyny. Jejich molekuly jsou v plynném stavu jednoatomové a neslučují se s jinými atomy. Mají mimořádně nízký bod varu a tím mají ze všech prvků nejmenší meziatomovou soudržnost. Tato slabá vazba umožňuje vytvoření krystalického stavu až při velmi nízkých teplotách. Příkladem jsou parafín, led (voda), organické látky. Vazby van der Waalsovy jsou nejvýznamnější u makromolekulárních látek. Vodíková vazba (vodíkový můstek) vzniká v důsledku vazby H na silně elektronegativním prvku (F, N, O), čímž se na H přenáší kladný elektrický náboj protonu. Uvedené typy vazeb představují ideální mezní případy. Ve skutečnosti se různé jevy překrývají, takže reálné pevné látky jsou tvořeny součinností až několika druhů vazeb. Určit všechny tyto vazby a jejich podíl v daném materiálu je velmi obtížné.

2.2 Krystalová mřížka a její nedokonalosti Technické materiály se dělí na látky amorfní a krystalické. Amorfní (beztvaré) látky jsou zpravidla látky plynné, kapalné a makromolekulární. Tuhé amorfní látky (sklo, struska) se považuji za velmi husté kapaliny ve stavu silně přechlazeném. Amorfní látky jsou charakterizovány izotropii (stejné vlastnosti ve všech směrech). Mezi amorfní látky se řadí i kovová skla, u nichž rychlost chladnutí taveniny dosáhla extrémně vysokých hodnot (105 až 106 K.s-1) Krystalické látky se vyznačují tím, že vnitřní síly při změně skupenství při přechodu ze stavu kapalného do tuhého řadí atomy a molekuly ve zcela přesném pořadí a vzniká útvar krystalický. Každý krystal má zcela přesné uspořádání ve svém vnějším tvaru, které je dáno jeho prostorovou (krystalovou) mřížkou. Veškeré kovy jsou (s výjimkou rtuti) za teploty okolí (tj. 20 °C) látky tuhé a krystalické. Z elementárních buněk se jejich pravidelným opakováním vytvoří krystalická struktura. Mřížka krystalické struktury tvoří prostorovou krystalovou mřížku. Z krystalické struktury jsou pak složena jednotlivá zrna.

17

Ideálně vyvinutá zrna se nazývají krystaly, které se v praxi běžně nevyskytují. Vyznačují se rovinnými stěnami, mezi nimiž se zákonitě opakují stejné úhly. Krystaly tvoří polyedrickou strukturu (tj. strukturu, jejíž tvar se blíží tvaru šestiuhelníka) tehdy, když tavenina tuhne volně a ze všech stran rovnoměrně. Monokrystal (krystalový jedinec) je útvar, v němž jsou všechny elementární mřížky orientovány ve stejném smyslu. Monokrystal je uměle vytvořený samotný krystal, který lze laboratorně připravit z taveniny při přesné kontrole podmínek tuhnutí. Monokrystalům se také říká whiskery. Skutečné krystaly kovů se nazývají krystality. Nemají tak dokonale se opakující skladby atomů a vyskytují se v nich různé nedokonalosti a nepravidelnosti. Vznikají již při tuhnutí a jejich množství se zvětšuje plastickou deformací nebo transformacemi při rychlém ochlazení. Jejich náhodným uspořádáním vzniká polykrystal, který má v důsledku této nahodilosti izotropní vlastnosti. Orientace krystalitů může však být tvářením za studena usměrněna. Technické kovy jsou polykrystalické. Při umístnění mřížky elementární buňky do trojrozměrného pravoúhlého souřadnicového systému lze všechny buňky podle velikosti úhlů a délek úseček, které tvoří tvar buňky, zařadit do jedné ze 7 krystalografických soustav. V každé této soustavě mohou existovat až 4 typy základních mřížek: mřížka prostá, bazálně středěná, prostorově středěná a plošně středěná. Elementární buňka prostá (primitivní) je ze všech čtyřech typů nejjednodušší. Přísluší jí 1 atom, protože každý její rohový atom je společný 8 sousedním buňkám. Elementární buňka bazálně středěná obsahuje kromě rohových atomů ještě po jednom atomu ve spodní a horní základně (bázích), který je umístěn ve středu každé podstavy. Každý z nich přísluší svou jednou polovinou i buňce sousední. Jedné elementární buňce bazálně centrované přísluší tedy celkem 8/8 + 2/2 = 2 atomy. Elementární buňka prostorově středěná (stereocentrická) obsahuje kromě rohových atomů ještě jeden atom umístněný ve středu rovnoběžnostěnu. Jedné buňce přísluší pak celkem 1 + 1 = 2 atomy.

18

Elementární buňka plošně středěná (planicentrická) obsahuje kromě rohových atomů ještě ve středu každé stěny jeden atom. Jedné buňce tak přísluší 8/8 + 6/2 = 4 atomy.

Většina technicky důležitých kovů krystalizuje v soustavě krychlové plošně středěné, krychlově tělesně a šesterečné.

Obr. 1. Základní krystalová buňka (Chotěborský, 2006)

Celkem existuje 14 prostorových typů mřížek v 7 krystalografických soustavách: 1. trojklonná (triklinická) – a ≠ b ≠ c; α ≠ β ≠ γ ≠ 90°; existuje jen prostá mřížka 2. jednoklonná (monoklinická) – a ≠ b ≠ c; α = β = 90° ≠ γ; existuje mřížka prostá a bazálně centrovaná 3. kosočtverečná (ortorombická) – a ≠ b ≠ c; α = β = γ = 90°; existují všechny 4 typy mřížek 4. čtverečná (tetragonální) – a = b ≠ c; α = β = γ = 90°; existuje mřížka prostá a prostorově centrovaná 5. trigonální (romboedrická) – a = b = c ; 120° > α = β = γ ≠ 90°; existuje jen mřížka prostá 6. šesterečná (hexagonální) – a = b ≠ c ; α = β = 90°; γ = 120°; existuje jen mřížka bazálně centrovaná. Tato mřížka tvoří kolmý hranol, jehož podstavou je pravidelný šestiúhelník. 7. krychlová (kubická, regulární, teserální) – a = b = c ; α = β = γ = 90°; existuje mřížka prostá, prostorově centrovaná a plošně centrovaná. Tato mřížka tvoří krychli.

19

2.3 Poruchy krystalické mřížky V ideálním krystalu jsou atomy uloženy v místech minimální potenciální energie, to znamená, že každá porucha krystalické mřížky atomy z těchto poloh vychýlí a zvyšuje mřížkovou energii, deformuje průběh potenciálového pole mřížky, vysunuje okolní atomy z jejich středních poloh. Způsobuje tedy distorzi mřížky a vyvolává pnutí ve svém okolí. Z geometrického hlediska lze vady v krystalech rozdělit na: •

Bodové vady

•

Čárové vady

•

Plošné vady

•

Prostorové vady

2.3.1 Bodové poruchy Základní bodové poruchy krystalické mřížky jsou vakance a intersticiály v čistých kovech. V tuhých roztocích k nim přistupují ještě substituční a intersticiální příměsi. Tyto vady mohou tvořit ještě složitější útvary, které rovněž považujeme za bodové útvary: bivakance, párová porucha intersticiál - vakance, substituční příměs - vakance. Vakancí rozumíme neobsazenou uzlovou polohu krystalické mřížky včetně jejího blízkého okolí deformované mřížky. Intersticiál je mřížkový atom umístění v intersticiální poloze mimo uzlový bod. Rovněž intersticiál způsobuje distorzi mřížky. Tvarově podobné jsou poruchy mřížky příměsovými atomy.

20

Obr. 2. Druhy bodových poruch (Chotěborský, 2006)

a - vakance, b - vlastní intersticiál, c - intersticiál příměsi, d - substituční atom příměsi

Vlastnosti bodových poruch Vakance mohou vznikat na povrchu kovu jako tzv. Schottkyho poruchy přechodem atomu základní mřížky do uzlové polohy na povrchu nebo jako tzv. Frankelovy poruchy přechodem mřížkového atomu do intersticiální polohy. Vzniká tak párová porucha intersticiál - vakance. Vakance se rovněž v krystalu tvoří při primární krystalizaci. Jiné zdroje vakancí mohou být např. hranice zrn. Intersticiály vznikají snadno v krystalech s velkou meziatomovou vzdáleností. Všechny intersticiální polohy nemohou být obsazeny z důvodů elastické deformace okolí poruchy. S přechodem atomu do intersticiální polohy je spojena dilatace mřížky, se vznikem vakance komprese mřížky. Aktivační energie vzniku krystalické mřížky se dotuje z energie tepelných kmitů mřížky. Dodáme-li kovovému krystalu další energii z vnějšku, dochází ke generaci bodových poruch, jejichž hustota je větší než rovnovážná koncentrace.

21

2.3.2 Čárové poruchy Čárové poruchy krystalické mřížky vznikají přesunutím (dislokací) určitého množství atomů při skluzovém pohybu vzhledem k vrstvě sousední. Poruchy se nazývají dislokace.

Obr. 3. Burgersova smyčka (Chotěborský, 2006)

A) mřížka bez poruch, B) mřížka s hranovou dislokací, b - Burgersův vektor

Obr. 3 znázorňuje smyčku z translačních vektorů vedenou neporušenou oblastí krystalu tak, že ve dvou směrech je vytvořena stejným počtem kroků v kladném a záporném smyslu (Burgersova smyčka). Je zřejmé, že pro oblast krystalu bez dislokace se smyčka uzavře. Přítomnost dislokace v krystalu vyvolává pružnou deformaci mřížky, které odpovídá napěťové pole okolo dislokace. Napěťové pole hranové dislokace má smykové i normálové složky. Napěťové pole šroubové dislokace má jen smykové složky, je válcově souměrné a napětí τ v kterémkoli místě pole je nepřímo závislé jen na vzdálenosti od dislokační čáry. Napěťová pole dislokací mají dlouhý dosah na rozdíl od napěťových polí bodových poruch. Zasahují celý krystal a navzájem na sebe působí. Významnou vlastností dislokací je schopnost pohybovat se krystalovou mřížkou. Hranové i šroubové dislokace se mohou pohybovat především skluzem ve skluzové rovině, překročí-li skluzové napětí v rovině a směru skluzu určitou mezní hodnotu.

22

Obr. 4. Modely hranové dislokace (a, b) (Chotěborský, 2006)

a) postup určení jejího Burgersova vektoru b) + c) prostorový model

Obr. 5. Model šroubové dislokace a určení jejího Burgersova vektoru b. (Chotěborský, 2006)

2.3.3 Plošné vady Mezi plošné vady řadíme vrstevní chyby, vnitřní rozhraní (hranice subzrn, hranice zrn) a okrajové i volné plochy krystalů. Vnitřní rozhraní mohou oddělovat disorientované oblasti téže mřížky, nebo oblasti mřížky odlišného typu (různé fáze). Jsou tvořeny plošnými sítěmi dislokací a oddělují v rámci téhož zrna úseky mřížky – subzrna, vzájemně odkloněné většinou jen o 1 až 2°. Subzrna vznikají například při žíhání kovu po tváření za studena.

23

2.3.4 Prostorové vady Mají tloušťku jen několik mřížkových parametrů a odklon mřížek je větší než 15°. Z hlediska uspořádanosti je to vysoce poruchová oblast, která má vyšší energii než mřížka uvnitř zrna a je charakterizována určitou energií. Proto se hranice zrna vyznačují specifickými fyzikálními i chemickými vlastnostmi, kterými jsou ovlivňovány některé pochody v polykrystalických stalických materiálech: na hranicích zrn segregují příměsi, příměsi, předn přednostně ostně precipitují sekundární fáze, hranice ovlivňují mez kluzu, houževnatost, korozní odolnost aj.

STUDIJNÍ MATERIÁLY

povinná literatura •


•


•


•

SKÁLOVÁ, J., BENEDIKT, V. a R. KOVAŘÍK, 2000. 2000 Základní zkoušky kovových materiálů. materiálů Plzeň: Západočeská univerzita, 175 s. ISBN 80-7082-623 80 623-1.

•


•




24

OTÁZKY A ÚKOLY 1. Které vazby patří mezi základní vazby mezi atomy? 2. Charakterizujte vazby, které jsou podstatné podstatn pro kovy a jejich slitiny. 3. Charakterizujte 4 typy základních mřížek. 4. Rozdělte vady v krystalech podle geometrického hlediska a charakterizujte je.


25

Kapitola 3 - Základní související termodynamické pojmy

KLÍČOVÉ POJMY látka, složka, fáze, chemická reakce, difuze


Charakterizovat základní termodynamické pojmy Charakterizovat

•

Vysvětlit pojem termodynamická soustava Vysvětlit

•

Charakterizovat složky a fáze termodynamické soustavy

•

Popsat fázové fázové pravidlo (Gibbsův zákon fází)

•

Vysvětlit význam význam a popsat mechanizmy difuze


26

VÝKLAD

3.1 Základní pojmy Látka je chemické individuum (prvek nebo sloučenina) lišící se od ostatních látek sumárním nebo strukturním vzorcem. Příkladem dvou různých látek může být pentan a 22 methylbutan, zatímco rutil a anata jsou dvě různé polymorfní formy (strukturní modifikace) téže látky - oxidu titaničitého TiO2. Této definici odpovídá anglický termín substance. Složka je látka v určitém skupenství či strukturní modifikaci. Pevný, kapalný a plynný křemík jsou tři různé složky, ale stále stejná látka. Termín látka je tak obecnější než termín složka, avšak v případě homogenních systémů jsou termíny látka a složka rovnocenné. Anglickým ekvivalentem jsou termíny species nebo chemical chemical species. Nezávislá složka je termín užívaný ve spojení s Gibbsovým fázovým pravidlem. Jelikož při použití použití tohoto pravidla je důležitý počet nezávislých složek a ne jejich přesná identita, není slovní definice termínu nezávislá složka nezbytná. Je ale možné striktně stanovit základní vlastnosti, které množina "libovolně vybraných" nezávislých složek musí splňovat. sp Anglickým ekvivalentem jsou termíny constituent nebo independent component nebo pouze component. V případě označení jednosložkový systém, dvousložkový systém atd. jsou implicitně uvažovány nezávislé složky, které daný systém tvoří. Fáze je část sytému, sytému, ve které jsou jeho vlastnosti konstantní nebo se mění spojitě. Od jiných fází je oddělena fázovým rozhraním, na kterém se vlastnosti systému sy tému mění skokem. Fáze může být jednosložková, pokud je tvořena jednou látkou (např. pevný Al2O3), či vícesložková, pokud je tvořena homogenní směsí (roztokem) alespoň dvou různých látek vícesložková, (např. Tavenina SiSi-Ge). Fázová přeměna je děj, jehož se účastní jedna nebo více látek, které přecházejí z jednoho skupenství či strukturní modifikace do jiného (např. vypařování, tán táníí nebo fázová transformace v pevném stavu).

27

Chemická reakce je děj, jehož se účastní více látek, u kterých dochází k zániku původních a vytváření nových chemických vazeb. Ačkoliv fázové přeměny a chemické reakce jsou odlišně vymezeny (liší se počtem zúčastněných látek), z hlediska termodynamického popisu jejich průběhu není třeba tento rozdíl uvažovat.

3.2 Termodynamická soustava Termodynamická soustava (systém) je vymezená část prostoru se svou látkovou náplní, která je předmětem termodynamického studia. Oblast vně pozorované soustavy se nazývá okolí. Soustava je od okolí oddělena skutečnými nebo myšlenými stěnami (hranicemi), jejichž vlastnosti určují charakter soustavy. Vlastnostmi hranic rozumíme schopnost propustit látku a energie ve formě tepla a mechanické práce ze soustavy do okolí a naopak.

Z hlediska propustnosti látky hranicemi soustavy rozeznáváme: •

Otevřenou soustavu, přes jejíž hranici může do okolí nebo z okolí energie i látka. Hranice otevřené soustavy je neměnná.

•

Uzavřená soustava, přes jejíž hranici může do okolí nebo z okolí přecházet energie, nikoliv však látka, jejíž množství v soustavě se proto nemění. Hranice uzavřené soustavy se může zvětšovat nebo zmenšovat.

Z hlediska propustnosti energie hranicemi soustavy rozeznáváme: •

Neizolovanou soustavu, v níž dochází k přestupu tepla a mechanické práce ze soustavy do okolí nebo naopak, čímž se mění termodynamický stav soustavy.

•

Izolovaná soustava, mezi níž a okolím nedochází ke vzájemné výměně tepla ani mechanické práce. Tato soustava tedy nepodléhá vnějším účinkům a nepůsobí na okolí. (Poněvadž však veškerá tělesa vesmíru na sebe stále vzájemně působí, žádná izolovaná soustava v přesném slova smyslu v přírodě neexistuje. Můžeme proto tento pojem považovat za pomocnou myšlenkovou konstrukci.)

28

3.2.1 Složky termodynamické soustavy Hovoříme-li o složkách termodynamické soustavy, pojednáváme o její látkové náplni. Složky (komponenty) soustavy jsou vzájemně nezávislá chemická individua – prvky nebo sloučeniny zahrnující atomy nebo molekuly jednoho druhu. Pomocí složek je možné jednoznačně popsat chemickou podstatu (druh látkové náplně) dané soustavy a všech jejích fází. V termodynamice materiálů je termodynamická soustava často představována určitým kovem nebo určitou slitinou. Slitiny jsou materiály složené z několika kovů nebo z kovů a prvků nekovových, které jsou v kapalném kovu rozpuštěny a v tuhém stavu tvoří soudržný celek. Slitiny se od chemických sloučenin liší tím, že vznikají ve vzájemných poměrech nezávislých na atomových hmotnostech. Od mechanických směsí se slitiny liší tím, že jejich složky lze oddělit jen chemicky. Slitiny mají obvykle lepší vlastnosti než čisté kovy, z nichž byly vyrobeny. Podle počtu složek rozlišujeme soustavy: •

Jednosložkové (unární) – například čistá měď

•

Dvousložkové (binární) – například mosaz (slitina Cu – Zn)

•

Trojsložkové (ternární) – například dural (slitina Al – Cu – Mg)

•

Čtyřsložkové (kvaternární) – například žáruvzdorná ocel (slitina Fe – C – Cr – Ni)

•

Vícesložkové (polykomponentní) – například vysokopevná ocel (slitina Fe – C – Ni – Cr – Mo – Ti – Al)

3.2.2 Fáze termodynamické soustavy Fáze soustavy jsou stejnorodé, fyzikálně a chemicky odlišitelné části soustavy tvořené jednou či více složkami a oddělené od ostatních oblastí mezifázovým rozhraním, tj. úzkou oblastí, která se významně liší svými vlastnostmi od jednotlivých fází a na níž se vlastnosti soustavy mění skokem. Fáze může být tvořena jednou, dvěma i více složkami o různém množství. Množství fází vyskytujících se současně v soustavě určuje, zda je soustava homogenní (jedna fáze) nebo heterogenní (směs dvou nebo více fází).

29

Podle fyzikální a chemické podstaty mohou být fáze představovány prvky, roztoky a chemickými sloučeninami. Základním kritériem pro roztřídění fází je jejich skupenství – plynné (g), kapalné (l), tuhé/pevné (s). Plynné fáze – čistý plyn je podle molekulové teorie složen z velkého množství molekul, které se neuspořádaně pohybují v jinak prázdném prostoru. Součet objemů molekul je proti objemu plynu zanedbatelně malý. Hmotnost molekul je tak malá, že vliv zemského gravitačního pole na ně je zanedbatelný. Poněvadž kinetická energie molekul je poměrně značná a vzájemná vzdálenost molekul vzhledem k jejich velikosti je velká, můžeme zanedbat též vliv jejich vzájemných přitažlivých sil. Vlivem vysokého počtu molekul v plynu dochází též k velkému počtu srážek mezi nimi. Srážkami molekul a jejich nárazy na stěny nastává výměna kinetické energie molekul, změna jejich rychlosti co do velikosti a směru, čímž vzniká jejich zcela neuspořádaný pohyb, ve kterém nepřevládá žádný určitý směr, proto se v každém směru pohybuje statisticky týž počet molekul a ty jsou v rovnovážném stavu rovnoměrně rozděleny v prostoru, který plyn zaujímá. Ačkoliv rychlost i směr molekul se stále mění, lze předpokládat, že existuje určitá střední rychlost molekul, která závisí pouze na podstatě plynu a na jeho tepelném stavu. Délky drah molekul mezi srážkami se rovněž neustále mění, mají však též určitou střední hodnotu. Časové trvání srážek je ve srovnání s dobou volného pohybu zanedbatelné. Kapalné fáze – Nejznámějším pozorovatelným rozdílem mezi kapalným a tuhým stavem je tekutost, tj. Schopnost zaplnit prostor, v němž se látka nachází. Tekutost vyplývá z neschopnosti látky odolávat smykovému napětí. Tuto charakteristickou vlastnost kapaliny je možné spojovat s převládajícím účinkem odpudivých meziatomových sil, přičemž vliv přitažlivých sil je velmi slabý. Vzhledem k vysoké hustotě a nezanedbatelnému meziatomovému působení přisuzujeme kapalným kovům do jisté míry pravidelné uspořádání atomů a představujeme si, že každý z nich je obklopen určitým počtem sousedních atomů, které se nacházejí ve vzdálenostech charakteristických pro danou teplotu. Atomy vykonávají kmitavý pohyb o velké amplitudě a vysokém kmitočtu. Kromě toho se bod, kolem něhož kmitají, přesunuje pomalým translačním pohybem.

30

Vlivem intenzivního tepelného pohybu atomů je sousedství atomů proměnné – jednotlivé atomy mění své polohy, avšak vzdálenost mezi nimi se statisticky nemění. Kapalná fáze tedy vykazuje určitou symetrii v uspořádání atomů, ale jen na krátkou vzdálenost. Existují modelové teorie, které se snaží popsat strukturu kapalin. Mezi nimi se zatím jeví nejpříznivěji teorie volných objemů. Jejím hlavním předpokladem je existence statisticky rozděleného volného prostoru uvnitř kapaliny, dostupného pro každou částici. Dále se předpokládá, že pro většinu vlastností kapalin mají význam pouze nejbližší sousedé každého atomu. V souladu s teorií volných objemů je například změna hustoty vakancí při přechodu z krystalického do kapalného stavu, poměr výparného tepla k teplu tání, o několik řádů větší koeficient difuze a podstatně větší rozpustnost atomů cizích složek v kapalině než v tuhé fázi. Teorie volných objemů je však v jistém rozporu se změnou hustoty při přechodu z tuhého do kapalného stavu. Tuhé (pevné) fáze – tuhé fáze jsou většinou krystalické, mohou však být také amorfní (nekrystalické). Například v kovových soustavách mohou tyto fáze tvořit: a) čisté látky (prvky) b) tuhé roztoky •

substituční

•

intersticiální

c) Intermediální fáze – elektrochemické sloučeniny •

s převážně iontovou vazbou

•

s převážně kovalentní vazbou

•

sloučeniny určené velikostním faktorem – intersticiální sloučeniny

•

substituční sloučeniny

•

elektronové sloučeniny

31

Připomeňme dále, že u tuhých krystalických látek jsou v uzlových bodech krystalové mřížky udržovány elementární částice vlivem rovnováhy přitažlivých a odpudivých sil, které mezi nimi působí. Elementární částice vykonávají kolem uzlových poloh prostorový kmitavý pohyb, jehož amplituda roste s rostoucí teplotou.

3.2.3 Fázové pravidlo Největší počet fází, které spolu mohou za určitých vnějších podmínek existovat v rovnováze (tj. mohou vedle sebe existovat beze změny svého složení a množství), není libovolný. Je určen fázovým pravidlem neboli Gibbsovým zákonem fází, vyjadřujícím vztah mezi stupněm volnosti soustavy v, počtem složek (komponent) soustavy k, počtem fází f a počtem n vnějších proměnných činitelů, které uvažujeme, z nich má na rovnováhu soustavy největší vliv teplota a tlak, proto je obecně n = 2. Zákon fází odvodíme pomocí fázového diagramu jednosložkové soustavy, kde proměnnými jsou teplota a tlak.

Obr. 6. Obecný fázový diagram p – T jednosložkové soustavy (Chotěborský, 2006)

Leží-li bod o souřadnicích (p, T) na ploše diagramu označené „plynná fáze“, „kapalná fáze“, „tuhá fáze“, vyznačuje homogenní soustavu tvořenou jen příslušnou fází. Leží-li takový bod na křivce diagramu, znázorňuje rovnováhu dvou fází v heterogenní soustavě: křivka AD značí rovnovážnou směs tuhé a plynné fáze, BD rovnovážnou směs tuhé a kapalné fáze, CD

32

rovnovážnou směs kapalné a plynné fáze. Bod D se nazývá trojný bod a vyznačuje vzájemnou rovnováhu všech tří fází v heterogenní soustavě. Povšimněme si, že trojfázová rovnováha v bodě D nemá žádný stupeň volnosti, tzn., existuje jen při jediné kombinaci teploty a tlaku. Dvoufázové rovnováhy na křivkách AD, BD, CD mají jeden stupeň volnosti: libovolně je možné změnit buď jen tlak nebo jen teplotu, velikost změny druhé proměnné je tím jednoznačně určena (neboť bod musí zůstat na křivce). Existuje-li v soustavě jen jedna ze tří možných fází, má soustava dva stupně volnosti, neboť můžeme měnit v určitých mezích zároveň tlak i teplotu a bod přitom zůstává v příslušné ploše diagramu.

2 (3.1)

Rovnice (3.1) je Gibbsův zákon fází. Odvodili jsme jej pro jednosložkovou soustavu, můžeme však podle něj určit vzájemnou závislost v (stupně volnosti), k (počet složek), f (počet fází), v také u binární soustavy i u soustav vícesložkových za předpokladu, že uvažujeme dvě vnější nezávislé proměnné veličiny - teplotu a tlak.

Fyzikálně-chemické děje probíhají často za podmínky konstantního tlaku. I atmosférický tlak považujeme v prvním přiblížení za konstantní. Doplníme-li obr. 6 vodorovnou přímkou znázorňující p = konst., vidíme, že tím snižujeme stupeň volnosti v soustavě: má-li bod, vyjadřující stav soustavy, zůstat ležet na ploše (např. plynná fáze nebo kapalná fáze) a zároveň na přímce p = konst., můžeme měnit jen teplotu a soustava má proto jen jeden stupeň volnosti. Má-li předmětný bod ležet na křivce tvořící hranici mezi skupenstvími a zároveň na přímce p = konst., je tím jeho teplotní souřadnice pevně určena a soustava nemá žádný stupeň volnosti.

33

Pro podmínku p = konst. platí tedy poněkud změněný Gibbsův zákon fází, a to ve tvaru

1 (3.2)

kde symboly v, f, k mají tentýž význam jako v rovnici (3.1). Číslice 1 na pravé straně rovnice (3.2) se vyskytuje proto, že uvažujeme pouze jednu vnější nezávisle proměnnou veličinu teplotu. Počet termodynamických stupňů volnosti v, stanovený pomocí Gibbsova zákona fází, odpovídá počtu nezávisle proměnných veličin (teplota, tlak, koncentrace), které se mohou měnit, aniž se tím změní počet a druh rovnovážně koexistujících fází.

3.3 Difuze Difuze je jedním ze způsobů přenosu hmoty, při kterém se její částice (atomy, ionty, molekuly), i vakance pohybují vzhledem k sousedním částicím. Protože podstatou difuze je tepelný pohyb částic hmoty, je intenzita difuze výrazně závislá na teplotě. K difuzi dochází v každém skupenství, v tuhé fázi je však jediným způsobem přenosu hmoty.

3.3.1 Základní pojmy a význam V mnohasložkové heterogenní soustavě se difuzí mění chemické složení jednotlivých fází a přenos hmoty se uskutečňuje i přes fázové rozhraní za předpokladu, že difundující prvek je v dané fázi alespoň částečně rozpustný. Přenos hmoty mezi soustavou a okolím může být podmíněn jinými fyzikálně-chemickými ději např. disociací molekul, adsorpcí atomů aj.

34

Difuzí se zpravidla zmenšují koncentrační rozdíly, v opačném případě jde o obrácenou difuzi. Difuze v jednosložkové soustavě nebo fázi se nazývá autodifuze. Autodifuzi můžeme sledovat pouze pomocí radioaktivních izotopů daného prvku. Protože podstatou difuze je tepelný pohyb částic hmoty, je intenzita difuze výrazně závislá na teplotě. Technický význam difuze spočívá jak v prospěšných, tak i ve škodlivých změnách koncentrace a ve fázových či strukturních přeměnách buď jen v povrchových vrstvách výrobků anebo v celém jejich objemu. Příkladem prospěšných koncentračních změn je povrchové zvýšení obsahu vybraných prvků při chemicko-tepelném zpracování konstrukčních ocelí, kdežto třeba oduhličení nástrojových ocelí při jejich zpracování za vysokých teplot je škodlivé. Prospěšné fázové přeměny, ke kterým dochází pomocí difuze v celém objemu výrobku, jsou přeměny při některých druzích žíhání slitin. Naproti tomu k škodlivým strukturním změnám patří difuze vakancí, které se při tečení (creepu) spojují na hranicích zrn polykrystalického materiálu v kavity, čímž začíná mezikrystalový lom. Difuze je rovněž významná při odlévání, tváření za tepla, svařování, pájení, plátování, slinování a v četných dalších technologických procesech. K problematice můžeme přistupovat buď jen fenomenologicky, tj. užívat obecných zákonů přenosových jevů, které popisují jejich kinetiku, aniž by předpokládaly nějaké mechanismy, nebo zvolit přístup fyzikální, který vychází z podrobných představ o pohybu částic hmoty. Tento druhý přístup umožňuje vyjádřit vztahy mezi neuspořádaným, náhodným pohybem částic a jejich makroskopickým tokem a ve shodě s obecnými poznatky o přenosových jevech dojít k popisu koncentračních změn při nestacionárních dějích. Důvodem pro fyzikální přístup je také výrazná závislost kinetiky difuze na poruchách krystalové mřížky, což umožňuje jejich studium.

3.3.2 Mechanizmy difuze Jednoduché představy o mechanizmech difuze jsou založeny na poznatcích o různé pohyblivosti částic v různých skupenstvích hmoty. Neuspořádaný pohyb molekul v plynech je podle kinetické teorie charakterizován velkými hodnotami jejich střední kvadratické rychlosti

35

a volné dráhy. V kondenzovaných fázích je pohyb atomů (iontů) ve srovnání s pohybem molekul v plynech značně omezen a to zejména v tuhé fázi, v níž jsou atomy po delší dobu vázány k určitým polohám. Mechanizmy difuze v krystalických materiálech můžeme rozdělit na individuální, při nichž se pohybuje (migruje) jedna částice či vakance nezávisle na ostatních, a na skupinové, které charakterizuje koordinovaný pohyb více částic: K individuálním mechanizmům patří mechanizmus intersticiální a mechanizmus vakantní (obr. 7), pro které je určující poměr velikosti atomů difundujícího prvku a základního prvku. Pouze malé atomy, splňující podmínku pro vznik intersticiálního tuhého roztoku, mohou difundovat volnými prostory v krystalové mřížce základního prvku, tj. intersticiálním mechanismem (např. ve slitinách železa prvky od vodíku až po kyslík). Intersticiální mechanizmus má nejmenší aktivační energii. Vakantním mechanizmem, při němž atomy využívají ke svému přemístění blízké vakance, difundující atomy při samodifuzi a atom přídavného prvku tvořící se základním prvkem substituční tuhé roztoky. Aktivační energie vakantního mechanizmu difuze je vyšší než u mechanizmu intersticiálního, protože je třeba uvažovat také energii potřebnou na vytvoření a na migraci vakancí.

Obr. 7 Individuální mechanizmy difuze v krystalové mřížce

a) intersticiální, b) vakantní (Chotěborský, 2006) Mezi skupinové mechanizmy řadíme mechanizmus výměnný, kruhový a nepřímý intersticiální. Nejjednodušším koordinovaným pohybem se zdá být výměna míst mezi dvěma sousedními stejně velkými atomy, ale jsou-li tyto na poloviční cestě, dojde k značné distorzi krystalové mřížky. Teoretické výpočty aktivační energie potřebné pro uskutečnění

36

výměnného ného mechanizmu dávají hodnoty několikanásobně větší než pro přeskok atomu do vakance. Proto je pravděpodobnost výskytu výměnného mechanizmu malá. Naproti tomu kruhový mechanizmus ve srovnání s vakantním vakantním mechanizmem je energeticky náročnější jen asi o třetinu.

Obr. 8. Skupinové mechanizmy difuze v krystalové mřížce

a) výměnný, b) kruhový, c) nepřímý intersticiální (Chotěborský, 2006)



•


•


•


•

PLUHAŘ J.,, 1989. Nauka o materiálech – Celostátní učebnice pro skupinu studijních PLUHAŘ, oborů Strojírenství a ostatní kovodělná výroba. výroba 1. vyd. Praha: Praha SNTL,, 549 s.

37

•




OTÁZKY A ÚKOLY 1. Definujte pojmy: látka, složka, fáze, fázová přeměna. 2. Definujte pojem termodynamická soustava, popište typy soustav, které rozeznáváme. 3. Popište fáze termodynamické soustavy. 4. Nakreslete a popište obecný fázový diagram jednosložkové soustavy. 5. Definujte pojem difuze a popište její mechanizmy.


38

Kapitola 4 - Kovy a slitiny za působení vnějších sil

KLÍČOVÉ POJMY Pružná deformace, deformace, plastická deformace, zpevnění, odpevňovací procesy

CÍLE KAPITOLY Po prostudování této kapitoly bude student umět: umět •

Charakterizovat pružnou a plastickou deformaci

•

Popsat houževnatost materiálu

•

Charakterizovat stádia únavy materiálu Charakterizovat

•

Charakterizovat pojmy tečení a relaxace Charakterizovat


VÝKLAD

Působením vnějších sil mění tělesa svůj tvar - jsou deformována. Při překročení mezních podmínek dochází k lomu. Zatímco oblast velmi malých deformací, přípustných pro pracovní režimy strojních konstrukcí je oblastí zájmu konstruktérů, oblast velkých plastických deformací umožňuje technologům realizovat potřebné tvářecí operace.

39

4.1 Elastická deformace Zatěžujeme-li těleso tak, že je jeho deformace vratná, tj. že po odlehčení deformace vymizí (těleso nabývá původní tvar a objem), hovoříme o elastické (pružné) deformaci. Elastická deformace je umožněna relativně malým posunem atomů kolem rovnovážných poloh v krystalové mřížce. Ze zákonitosti pružného chování materiálu (Hooke) vyplývá, že prodloužení tělesa o délce l0 na délku l je přímo úměrné působící síle F. Když má těleso neproměnný průřez S, je poměrné prodloužení:

a působící napětí:

Potom

. kde E je modul pružnosti v tahu.

Analogie Hookeova zákona pro smykové namáhání, např. kroucení, má tvar . kde τ je smykové napětí, G je modul pružnosti ve smyku a γ je poměrná smyková deformace.

V případě monokrystalu jsou hodnoty modulů pružnosti výrazně závislé na orientaci napětí vůči krystalografickým směrům – hovoříme o anizotropii elastických charakteristik. Anizotropii elastických charakteristik vedle monokrystalů vykazují ty materiály, které mají

40

uspořádanou strukturu (preferenční orientace) – uspořádaná molekulární struktura u amorfních plastů, ale také kompozitní materiály, jež obsahují vlákna např. i dřevo. Většina kovových materiálů používaných v praxi má strukturu polykrystalickou. Protože jednotlivá zrna jsou náhodně orientována – elastické charakteristiky polykrystalických materiálů prakticky na směru působícího napětí nezávisí a jsou tedy izotropní. Pro popis mechanické vlastnosti pružnosti existují charakteristiky E (modul pružnosti v tahu), G (modul pružnosti ve smyku), K (objemový modul pružnosti) a μ (Poissonovo číslo). V případě izotropních materiálů mezi těmito charakteristikami platí jednoduché vztahy: 2 . 1 3 . 1 2

Ze vztahů plyne, že elastické vlastnosti izotropního materiálu jsou dány pouze dvěma nezávislými charakteristikami. V případě kovových materiálů bylo experimentálně dokázáno, že moduly E a K jsou si číselně rovny. To znamená, že pro většinu kovů je hodnota Poissonova čísla μ = 0,33. Proto lze říci, že nejčastěji měřenou materiálovou charakteristikou, jež určuje elastické chování případně tuhost součásti, je modul pružnosti v tahu E.

4.2 Anelastická deformace Pružná (elastická) deformace je charakterizována úplnou reverzibilností a platností Hookeva zákona. Uvedené podmínky jsou splněny jen tehdy, když rychlost zatížení je velmi nízká a působící napětí nevyvolá změny v hustotě a rozložení mřížkových poruch popřípadě v rozložení magnetických momentů v materiálu.

Hookeův zákon necharakterizuje časovou závislost mezi napětím σ a deformací ε. Celková elastická deformace tělesa εc je součtem okamžité elastické deformace εe a doplňkové kvazineelastické deformace εd, jejíž rovnovážné hodnoty se dosáhne po určitém času působícího napětí σ.

41

Obr. 9. Schéma pro odvození nerelaxovaného a relaxovaného modulu pružnosti (a), schéma zatížení napětím (přerušovaná čára) a průběh deformace (plná čára) v závislosti na času působení zatížení (b) (Chotěborský, 2006)

Čas potřebný k dosažení rovnovážné hodnoty εd je podmíněn procesy spojenými s přerozdělením atomů, magnetických momentů a tepla v tuhé látce. Tangens úhlu sklonu čáry ON odpovídá hodnotě nerelaxovaného modulu pružnosti En, který charakterizuje stav, kdy v tělese mohla vzniknout pouze okamžitá elastická deformace εe. Sklon čáry OR charakterizuje hodnoty relaxovaného modulu pružnosti Er, při němž dosáhne εc. Rozdíl se označuje jako porucha modulu pružnosti a veličina

se označuje jako stupeň dynamické relaxace. Po zatížení tělesa se neuskuteční odpovídající deformace ihned. Okamžitě se projeví pouze εe. Výsledná hodnota εc se dosáhne až po realizaci doplňkové deformace εd (obr. 9b). V okamžiku odlehčení tělesa se deformace εc nesníží okamžitě na nulu. Jestliže nové zatížení začíná působit dříve, než se dosáhne εc = 0, reakce materiálu na nové zatížení je rozdílná proti prvnímu zatížení.

42

4.3 Plastická deformace a deformační zpevnění Působením dostatečně velkého zatížení mění materiál svůj tvar a rozměry, uskutečňuje se plastická deformace. Povrchové jevy, které doprovázejí plastickou deformaci, svědčí rovněž o rozsáhlých změnách v mikroskopické a submikroskopické stavbě materiálu. Během plastické deformace se projevuje výrazná nehomogenita plastického přetvoření v různých oblastech materiálu a jeho deformačního zpevňování. Společnými vnějšími činiteli, které modifikují proces plastické deformace, jsou teplota a rychlost deformace. Vliv teploty a velikosti napětí jsou zahrnuty do map deformačních mechanizmů. Tyto map sestrojil Ashy v souřadnicích σ-T. Mapy zahrnují možné mechanizmy deformace, popřípadě porušení některých typických materiálů. Jednotlivá pole map obsahují kromě jiného i šest rozlišitelných, nezávislých cest, kterými může být polykrystal deformován a přitom si zachovává krystalickou podstatu.

4.3.1 Plastická deformace monokrystalu Mezi základní mechanizmy, kterými se realizuje plastická deformace kovů a slitin, patří deformace skluzem, tj. pohybem, dislokací ve skluzových rovinách a deformace dvojčatěním. Makroskopické pozorování ukázalo, že i po malých deformacích se na leštěném povrchu objeví skluzové čáry, které jsou v oblasti jednoho krystalu vzájemně rovnoběžné. Skluzové čáry jsou stopy po opakovaném pohybu dislokací na volný povrch. Rovina, v níž proběhne skluzový pohyb dislokací, se nazývá aktivní rovina skluzu. Skluz probíhá v určitých krystalografických rovinách a směrech a je řízen třemi zákony: 1. Směr skluzu je vždy totožný se směrem, který je nejhustěji obsazen atomy. 2. Skluz obyčejně probíhá v nejhustěji obsazených rovinách krystalu. 3. Z možné skupiny rovin a směru v krystalové mřížce je aktivní ten skluzový systém (rovina a směr), v němž má smykové napětí nejvyšší hodnotu.

43

Ke skluzovému pohybu dislokací dochází při relativně nízkých hodnotách kritických skluzových napětí τkr. Souvislost mezi kritickým skluzovým napětím a mezí kluzu monokrystalu σK můžeme určit například tak, že uvažujeme monokrystal namáhaný jednoosým tahem silou F. Ve skluzové rovině, jejíž normála svírá směrem hlavního napětí úhel φ, působí smyková složka sily F ve směru, který svírá se směrem hlavního napětí úhel λ. Potom smykové napětí v rovině skluzu:

. cos . cos . cos " !

Obr. 10. Schéma pro odvození napětí v rovině skluzu monokrystalu (Chotěborský, 2006)

Když se mění sklon skluzové roviny vzhledem ke směru hlavního napětí, mění se též velikost smykového napětí. Když je skluzová rovina kolmá na směr hlavního napětí, je smykové napětí τ=0. V rovině se nerealizuje skluz, ale krystal se poruší křehkým lomem. Největší hodnoty dosáhne τ v dané skluzové rovině tehdy, když úhel mezi skluzovou rovinou a směrem hlavního napětí je 45°. Položíme-li normálové napětí σ rovno mezi kluzu σK, potom # $ . cos . cos "

44

mez kluzu je určena rovnicí

$

# %

kde součinitel m se označuje jako Schidův faktor s maximální hodnotou m = 0,5 pro φ = 45°.

Plastická deformace skluzem vzniká, když projde krystalem nejméně jedna dislokace. Přímá pozorování ukázala, že plastická deformace kovu souvisí vždy s pohybem velkého množství dislokací, které způsobí viditelnou makroskopickou deformaci. Kromě prostého skluzu se při plastické deformaci může uplatnit i dvojčatění, při němž vznikají mechanická dvojčata. Dvojčatění se projevuje náhlým přeskupením celého úseku krystalové mřížky. Nová mřížka má pravidelné uspořádání, stejné jako průvodní mřížka, je však symetricky přetočena vzhledem ke své původní rovině. Dvojčata mohou vzniknout při plastické deformaci, ale i vlivem napětí při ohřevu nebo fázové přeměně. V soustavě mohou vzniknout při plastické deformaci, ale i vlivem napětí při ohřevu nebo fázové přeměně. V soustavě krychlové tělesně středěné vznikají žíhací dvojčata, kdežto mechanické dvojčatění při plastické deformaci při teplotě okolí se v této mřížce nevyskytuje. Rychlost šíření dvojčete v krystalu je vysoká a může dosahovat rychlosti zvuku v kovu.

4.3.2 Plastická deformace polykrystalu Základní mechanizmy deformace monokrystalů se uplatňují i při deformaci polykrystalů, avšak jsou tu závažná omezení. Plastická deformace se uskutečňuje, když se dosáhne napětí potřebné pro hromadný pohyb dislokací. To obsahuje napětí potřebné pro činnost Frank-Readova mechanizmu a též jiných zdrojů dislokací a napětí mezi místními poruchami a pohybujícími se dislokacemi. Polykrystal se nedeformuje tak, že každé zrno mění tvar jako neomezený monokrystal. Polykrystalický kov je agregát náhodně orientovaných krystalů (zrn) obr. 11 různé velikosti, které jsou propojeny společnými hranicemi. Orientace skluzových čar a pásů v každém zrnu po realizované plastické deformaci polykrystalu je funkcí orientace krystalové mřížky.

45

Obr. 11. Orientace zrn v polykrystalu (Chotěborský, 2006)

Na hranicích sousedních krystalů se setkávají různě orientované skluzové roviny, přičemž vzájemný úhel má různé hodnoty. Hranice je místem mnohých poruch v pravidelném uspořádání krystalové mřížky. Jsou to vakance, segregované atomy příměsí apod. Je tu velké distorze atomových mřížek sousedních krystalů, která zasahuje do určité vzdálenosti (pásma). Když se dislokace blíží k hranici, působí na dislokaci síly krátkého dosahu, a to ze strany hranice i ze strany sousedního zrna. Uspořádání atomů hranice je natolik porušeno, že když přibude další porucha (dislokace), energie uspořádání se nezmění. Dislokace bude přitahována hranicí, ale též bude od ní odpuzována následkem rozdílné orientace sousedních zrn.

4.4 Zpevňování kovu Čisté kovy jsou velmi tvárné a plasticky se doformují již při velmi malých mechanických napětích. Existují čtyři důležité způsoby zvyšování meze průtažnosti slitin, aby pak odolávaly smykovým napětím až 10-2 G. Jde o: mechanické blokování pohybu dislokací zachycováním dislokací rozpuštěnými atomy, precipitáty, zamezení pohybu dislokací uspořádáním na krátkou vzdálenost a zvětšením hustoty dislokací tak, aby docházelo k provázání dislokačních smyček. U všech těchto mechanizmů zpevňování závisí jejich úspešnost na omezení pohybu dislokací. Pátý mechanizmus - odstranění všech dislokací z krystalu může být účinné v případě jemných vlasových krystalů (whiskerů).

46

Mechanické blokování pohybu dislokací lze nejjednodušeji dosáhnout zavedením drobných částic jiné fáze do krystalové mřížky. Tento proces nastává při zpevňování oceli, kdy se v železe vylučují částice karbidu železa, nebo při zpevňování hliníku, kdy precipitují částice Al2Cu. Při zpevňování dodáním malých částic se musí uvažovat dva případy: buď částice může být deformována spolu s matricí a pak může být dislokací překročena, nebo jí dislokace nemůže přejít. Důležitým faktorem při mechanickém zpevnění není celková hustota dislokací, ale jejich uspořádání. U většiny kovů se projevuje tendence ke vzniku buněk – oblastí prostých dislokací, jež mají rozměry řádu 1 μm. Pokud nedosáhneme homogenní velké hustoty dislokací, nemůžeme mechanicky zpevnit kov až k teoretické hodnotě, protože v oblastech neosahujících dislokace existuje skluz. Homogenním rozložením hustoty dislokací lze dosáhnout při explozivním tváření nebo speciálním tepelně mechanickým zpracování. Každý z mechanizmů zpevňování krystalů může vést ke zvýšení meze průtažnosti na hodnoty 10-3 až 10-2 G. Všechny tyto mechanizmy ale přestávají být účinné při teplotách, při nichž se začíná projevovat difúze. Při rychlé difúzi se vyloučené částice znovu rozpouštějí, shluky atomů se pohybují společně s dislokacemi při jejich postupu, uspořádání na krátkou vzdálenost se za pomalu se pohybujícími dislokacemi samo obnovuje a dislokace šplhají vzhůru a vyžíhání vede k poklesu jejich hustoty. Výsledná časově závislá deformace se nazývá tečení (creep). Tento nevratný proces následuje po dosažení meze pružnosti. Pátrání po slitinách použitelných při vysokých teplotách je hledáním, jak snížit rychlost difúze, aby uvedené mechanizmy zpevňování přežili i tyto teploty.

4.5 Houževnatost materiálu Z inženýrského hlediska je významnou vlastností konstrukčních materiálů jejich houževnatost, kterou lze obecně definovat jako schopnost absorpce energie. K absorpci

47

energie dochází v zatíženém tělese jak v etapě předcházející porušování, tak v průběhu vlastního lomového procesu. Z hlediska lomové mechaniky houževnatost materiálu úzce souvisí zejména se schopností plastické deformace, která je dána pohyblivostí dislokací. Klesá-li tato pohyblivost, klesá schopnost plastické deformace a tedy i schopnost absorpce energie – houževnatost materiálu se snižuje. Houževnatost konstrukční slitiny je mimo jiné ovlivněna rovněž typem krystalové mřížky základního kovu a přítomností intersticiálních či substitučních atomů v této mřížce. Houževnatost materiálu ovlivňuje do značné míry lomový proces a tedy i charakter lomové plochy porušeného tělesa. Je-li houževnatost materiálu malá, jde o lom křehký, provázený relativně malou plastickou deformací, zatímco u materiálů s velkou houževnatostí jde o lom houževnatý, charakterizovaný plastickou deformací většího rozsahu. Členění lomů na lomy křehké a houževnaté je založeno na hledisku energetické náročnosti. Postačuje-li k lomu relativně malé množství energie, jde o lom křehký. Druhým extrémním případem je lom houževnatý. Charakter mikromechanismu porušování odpovídá určitý soubor mikrofraktografických znaků.

4.6 Únava materiálu Jen malá část strojních dílců a konstrukcí je namáhána v provozu stálými nebo pomalu měnícími se silami. Většinou jde naopak o opakující se proměnné namáhání. Takto namáhané součásti se někdy po určité době provozu porušují při napětích, která jsou značně nižší, než je pevnost i mez kluzu materiálu zjištěná statickou zkouškou. V takovém případě mluvíme o únavě materiálu a o únavovém lomu. Čistě pružná cyklická deformace nezpůsobí ani po libovolně velkém počtu kmitů vnitřní změny materiálu. Únavový proces je podmíněn střídavou plastickou deformací, která vede ke zvyšování poruchovosti mřížky, interakci poruch a vzniku poškození. Poškozování kovových materiálů únavou je složitý proces, který je možno rozdělit na tři stádia: 1. Změny v mikrostruktuře a poruchovosti mřížky, spojené se změnami vlastností.

48

2. Vznik zárodků trhlin. 3. Šíření trhlin. Proces končí lomem, který se někdy označuje za čtvrté stádium.

První stádium únavy je charakterizováno zvětšováním hustoty mřížkových poruch a nerovnoměrnosti jejich rozložení. Zároveň se mění strukturně citlivé vlastnosti až do určité hodnoty, která pro dané podmínky odpovídá stavu nasycení. Významná je zejména změna mechanických vlastností materiálu a tedy i odporu proti deformaci. Druhé stádium únavy vyznačují zárodky mikrotrhlin, které vznikají téměř vždy v povrchové vrstvě dílců v místech nakupení poruch. Příčinou je jednak negativní ovlivnění povrchu předchozím zpracováním, popřípadě jeho znehodnocení korozí a opotřebováním. K tomu přistupuje i to, že při zatěžování ohybem a krutem jsou maximálně namáhána právě povrchová vlákna tělesa.

Třetí stádium únavy je charakterizováno počátečním růstem četných mikrotrhlin, který se však brzy zastaví. Dále roste jen hlavní trhlina, která se šíří většinou transkrystalicky ve směru kolmém na normálové napětí. Postupně se tím zmenšuje průřez součástí a posléze dojde k lomu.

4.7 Tečení a relaxace 4.7.1 Tečení a lom při tečení Deformace těles jsou důsledkem sil, které na ně působí. Aby bylo možno deformace různých těles navzájem porovnávat, musí být převedeny na bezrozměrnou veličinu. V případě jednoosého tahu lze poměrné prodloužení vypočítat z délkové změny zatíženého tělesa. Existují tři druhy deformace jako odezvy na přiložené napětí. Elastická deformace se uskuteční v okamžiku aplikace napětí a po odtížení okamžitě mizí, je tedy časově nezávislá,

49

vratná a je funkcí vloženého napětí. Anelastická deformace je rovněž vratná, ale je časově závislá, obecně také závisí na rychlosti zařezování a struktuře. Plastická deformace, která vede k trvalé deformaci namáhaného tělesa, je nevratná. Je tvořena časově nezávislou složkou a časově závislou, která se nazývá creep. Creep se často definuje i jako plastická deformace uskutečňující se při konstantní teplotě a konstantním napětí v závislosti na čase. Grafickou závislost na čase nazýváme creepovou křivkou (obr. 12).

Obr. 12. Křivka tečení (Creepová křivka)

Oblast I + II - primární creep, III - sekundární creep a IV - terciální creep. (Chotěborský, 2006)

Na této křivce lze rozeznat tři stádia creepu. Když rychlost creepu po okamžitém prodloužení s časem klesá, toto stádium se nazývá primární nebo tranzitní creep. V některých případech se uskutečňuje stádium inverzního creepu, kde rychlost creepu roste z nulové hodnoty do maxima, a pak teprve nastává normální primární creep. V dalším stádiu zvaném sekundární či stacionární se rychlost creepu s časem nemění. Toto stádium se vyskytuje při dostatečně vysokých homologických teplotách, kdy zotavení kompenzuje

50

účinek deformačního zpevnění. V třetím stádiu zvaném terciální creep rychlost deformace s časem vzrůstá, přičemž růst rychlosti plyne buď z růstu napětí nebo souvisí se změnou struktury materiálu, která nastává v průběhu creepu. Terciální creep končí lomem.

4.7.2 Relaxace Relaxací rozumíme časově závislou přeměnu pružné deformace na plastickou, která probíhá za vyšších teplot při stálé celkové deformaci.

Vzhledem k přímé úměrnosti mezi pružnou deformací a napětím, projeví se zmenšování pružné deformace časově závislým poklesem napětí. Pochody, kterými se uskutečňuje nárůst plastické deformace při relaxaci, jsou obdobné jako při tečení, probíhají však při měnícím měnícím se napětí a dosahují podstatně menších plastických deformací. Proto má relaxace jen dvě stádia, odpovídající primárnímu a sekundárnímu tečení. Také podíl jednotlivých mechanizmů na plastické deformaci vzniklé relaxací nemusí být stejný s poměry při tečení. Relaxace se projevuje nežádoucím způsobem např. u nalisovaných spojení, u přírubových spojů a u pružin pracujících za vyšších teplot. V těchto případech se požaduje co největší odolnost materiálu proti relaxaci napětí.



•


51

•

FREMUNT, P. a T. PODRÁBSKÝ, 1996. 1996 Konstrukční oceli.. Brno: CERM.

•


•

PLUHAŘ J.,, 1989. Nauka o materiálech – Celostátní učebnice pro skupinu studijních PLUHAŘ, oborů Strojírenství Strojírenství a ostatní kovodělná výroba. výroba. 1. vyd. Praha: Praha SNTL,, 549 s.

•




OTÁZKY A ÚKOLY 1. Charakterizujte pružnou a plastickou deformaci. deformaci 2. Definujte pojem houževnatost materiálu. 3. Popište stádia únavy materiálu. 4. Definujte tečení a popište křivku tečení. 5. Co rozumíte pod pojmem relaxace?


52

Kapitola 5 - Čisté kovy a slitiny, stavba kovových soustav

KLÍČOVÉ POJMY Stavba kovových soustav, tuhý roztok, intermediární fáze


Charakterizovat čisté kovy a slitiny

•

Popsat stavbu kovových soustav

•

Charakterizovat tuhé roztoky r

•

Popsat intermediální fázi


53

VÝKLAD

5.1 Čisté kovy Mezi kovy se řadí téměř 3/4 všech známých prvků. prvků Ostrá Ostrá hranice mezi kovovými a nekovovými prvky však neexistuje. Význam různých kovů pro průmyslovou výrobu je velmi rozdílný. Železo, měď, hliník, křemík, mangan, chrom, nikl, wolfram, molybden, vanad, kobalt, olovo, cín, zinek, hořčík a titan jsou kovy, bez bez nichž je vyspělá průmyslová výroba nemyslitelná. Z velkého množství kovových materiálů je nejdůležitější železo, jehož slitiny mají v inženýrské praxi stále rozhodující význam. Význam jednotlivých kovů se ale postupně mění. Tak např. hliník, hořčík a titan titan patřili ještě v první polovině minulého století mezi vzácné kovy. V posledních 50 letech se však jejich spotřeba prudce zvyšovala. Při výrobě a zpracování každého materiálu je nutno řešit nejen problémy technické, ale zároveň také ekonomické a ekologické. ekologické. V souvislosti s tím byl proto podobně jako u slitin železa růst výroby hliníku od poloviny 70. let let výrazně zpomalen. Tento pokles dynamiky růstu souvisí zároveň s rostoucím významem materiálů nekovových. V přírodě se volné kovy vyskytují jen zřídka. Většinou Většinou se jedná o ušlechtilé kovy, dále měď a meteoritické železo. Obvykle jsou kovy v přírodě vázané v rudách na kyslík nebo síru. Takto chemicky vázané nemají typický kovový charakter. Pro získání kovu je třeba rudy zpracovat, což se provádí buď redukcí kyslíkatých rud, elektrolýzou taveniny nebo vodných roztoků nebo termickým rozkladem kovových sloučenin. Nejpřístupnějšími užitkovými kovy na zemi jsou hliník, hořčík hořčík,, železo, nikl, cín, molybden. Vlastnosti kovových prvků jsou velmi rozmanité. Některé kovy jsou pevné a houževnaté, některé jsou tak křehké, že se dají rozbít na prach. Jiné jsou tak měkké, že se dají krájet nožem.

54

Slévání dvou nebo více kovů, případně kovů a nekovů, vznikají slitiny, které mají oproti svým složkám - kovům základním - jiné vlastnosti. Často jsou např. tvrdší, pevnější, lépe se zpracovávají apod. Vzhledem k tomu, že u slitin lze v závislosti na chemickém složení vlastnosti dále měnit způsobem zpracování (tváření a tepelné zpracování), je spotřeba samotných čistých kovů v porovnání s obrovským sortimentem nejrůznějších slitin nepatrná. Jsou však obory, kde je použití čistých kovů nezbytné. Jako příklad je možno uvést použití čistého železa, které díky svým fyzikálním vlastnostem (vodivost, magnetismus) nachází uplatnění v elektrotechnice a v elektronice. Je třeba vědět, že výroba čistých kovů je velmi nákladná a nepatrné množství přísady podstatně vlastnosti mění. V železe se již množství 0,01 % uhlíku projevuje velmi nepříznivě. Většina vlastností čistých kovů je dnes již prakticky poznaná, i když se stále doplňují informace o závislosti na čistotě, teplotě a jiných vnějších podmínkách. Vlastnosti kovů a slitin se mění se stavem materiálu. Stavem přitom rozumíme výslednou strukturu, tedy množství, tvar a uspořádání fází, které bylo dosaženo souborem předcházejících technologických operací. Během zpracování se mění nejen tvar a rozměr zrn, ale může se měnit i uspořádání atomů, typ fází, hustota i typy mřížkových poruch apod.

5.2 Slitiny Technicky používané kovy je nutno považovat za slitiny, neboť i tzv. čisté kovy obsahují ještě další prvky, které pocházejí ze surovin nebo z výrobního procesu. Označují se jako prvky doprovodné. Pro dosažení požadovaných vlastností se některé prvky přidávají záměrně jako prvky legující. Pro posouzení vlastností je důležité vědět, v jaké formě jsou doprovodné nebo legující přísady přítomné. Pokud je mřížka základního kovu schopna přijímat cizí atomy, které se v mřížce pravidelně nebo nepravidelně rozmístí, vzniká tzv. tuhý roztok. V tomto případě nelze dvě složky, tvořící tuhý roztok, od sebe ani pod mikroskopem rozlišit. Pokud však má druhá složka jinou krystalovou formu, vytvoří se samostatné fáze, které jsou při mikroskopickém

55

pozorování rozlišitelné. V tomto případě tedy vznikne směs, která se v nauce o kovech označuje jako heterogenní slitina.

Krystalická stavba kovů a slitin, tj. uspořádání jejích atomů, molekul v prostoru, má zásadní vliv na jejich mechanické a fyzikální vlastnosti. Až do dvacátých let tohoto století byly krystaly a jejich vnitřní struktura posuzovány podle jejich vnějšího vzhledu. Teprve objev difrakce rentgenového záření na krystalické mřížce pokládá krystalografii za exaktní základ. Fyzikální metalurgie se zabývá studiem chování kovových krystalů za různých podmínek, a to jak čistých kovů, tak jejich slitin i nekovů, které mají zvlášť významné místo v technické praxi. Krystalické formace slitin jsou ovlivňovány jednak geometrickými podmínkami, jednak povahou a druhem vazebných sil. Faktory, které určují krystalovou strukturu fází, byly formulovány jako: 1. Velikostní faktor 2. Elektronová koncentrace 3. Elektrochemický faktor

Klasifikace fází kovových soustav vede na základě vlivu těchto faktorů ke dvěma základním skupinám: 1. Tuhé roztoky 2. Intermediální fáze

Obě tyto skupiny zahrnují fáze různého typu. Patří sem neuspořádané tuhé roztoky a chemické sloučeniny s precisním stechiometrickým poměrem, ale i různé přechodové stavy mezi těmito dvěma extrémy.

56

5.3 Tuhé roztoky Roztok je chápán jako homogenní kapalná fáze, která je tvořena nejméně dvěma komponentami. Tuhý roztok je možno definovat obdobně. Jedná se o pevnou fázi krystalického typu. Jedna z komponent je základní kov a do ní je dosazován v různých koncentracích kov přídavný. Atomy přídavného kovu se při krystalizaci tuhého roztoku ukládají v krystalické mřížce vzhledem ke svým vlastnostem tak, aby potenciální energie mřížky byla co nejnižší. Z tohoto hlediska se tuhé roztoky rozdělují na: 1. Tuhé roztoky substituční 2. Tuhé roztoky intersticiální

5.3.1 Substituční tuhé roztoky Substituční roztoky tvoří krystaly, ve kterých atomy rozpuštěného kovu B zaujímají místa atomů kovu základního A. Toto může být splněno za předpokladu, že velikost atomů a typ krystalické mřížky obou komponent jsou podobné. V případě malých rozdílů mezi velikostí atomů a mřížkou obou komponent mohou být postupně atomy kovu A nahrazeny atomy kovu B.

Obr. 13. Substituční tuhý roztok (Chotěborský, 2006)

57

Jsou-li rozdíly mezi atomy a mřížkami větší, rozpouští se atomy kovu B v kovu A jen do určité koncentrace. S rostoucí koncentrací přísadového kovu se mění mřížkový parametr krystalů tuhého roztoku, je-li atomový poloměr přísadového prvku větší než základního kovu, mřížkový parametr tuhého roztoku roste, v opačném případě se zmenšuje. Dalším aspektem pro klasifikaci substitučních tuhých roztoků může být i geometrie obsazování uzlových bodů mřížky atomy rozpuštěného kovu. Rozmístění může být zcela náhodné, částečně nebo úplně uspořádané. Uspořádaný tuhý roztok nebo uspořádané atomy přídavné komponenty v základním kovu se označují nadmřížka (hyperstruktura).

5.3.2 Intersticiální tuhé roztoky U

intersticiálních

tuhých

roztoků

se

atomy

rozpuštěné

složky

ukládají

do intersticiálních poloh mřížky základního kovu. Tyto prostory jsou podstatně menší než vlastní atomy kovů a je možno v nich umístit pouze atomy nekovů (uhlíku, dusíku, boru a vodíku), které mají atomový poloměr menší než 0,1 nm. Rozpuštěné atomy způsobují distorzi a s ní spojená pnutí mřížky základního kovu, takže všechny intersticiální prostory nelze obsadit. Jejich rozpustnost je vždy omezená. Řídícím faktorem pro tvorbu intersticiálních tuhých roztoků je velikostní faktor. Intersticiální tuhé roztoky vznikají, jestliže nepřekročí poměr poloměru přísadového a základního atomu hodnotu 0,59. Mezi atomy kovu a atomy rozpuštěného nekovu nesmí být příliš velký rozdíl v elektrochemickém chování, což je dobře splněno u transitivních kovů. V případě kovů silně elektropozitivních mají výše zmíněné nekovy tendenci tvořit chemické sloučeniny.

Obr. 14. Intersticiální tuhý roztok (Chotěborský, 2006)

58

5.4 Intermediální fáze V binárních i vícesložkových soustavách, ve kterých nenastane stav úplné rozpustnosti nebo úplné nerozpustnosti, dochází ke vzniku intermediálních fází. Tyto fáze tvoří přechod v binárním rovnovážném diagramu od jedné čisté složky (Cu) popř. jednoho primárního tuhého roztoku α k druhému primárnímu tuhému roztoku η a druhé čisté složce Zn ve směru osy koncentrací. Typ vazby vyskytující se u těchto fází může být různý, jeho charakter se mění od kovové vazby až po vazbu iontovou. Fáze, které se vyskytují v intermediálních oblastech stavových diagramů, je možno rozdělit na: 1. Elektrochemické sloučeniny 2. Sloučeniny určené velikostním faktorem 3. Elektronové sloučeniny 4. Sekundární tuhé roztoky

5.4.1 Elektrochemické sloučeniny Je-li prvek silně elektropozitivní a druhý elektronegativní, dochází ke vzniku elektrochemické sloučeniny. Elektrochemické sloučeniny můžeme rozdělit z hlediska vazby na dva typy: 1. Sloučeniny s převážně iontovou vazbou 2. Sloučeniny s převážně kovalentní vazbou

Ad 1. Elektronegativita prvků v periodické soustavě roste zleva doprava v každé periodě a zdola nahoru v každé grupě. Takže intermetalické sloučeniny budou vznikat při spojení např. Hořčíku s prvky podgrup IVb, Vb a VIb (tab. 1). Krystalická struktura je podobná strukturám krystalů iontových sloučenin, platí zde stejná pravidla pro koordinaci atomů.

59

Ad 2. Intermetalické sloučeniny s převážně kovalentní vazbou se tvoří mezi prvky umístněnými vlevo od podgrupy IVb a prvky umístněnými vpravo od této podgrupy o stejný počet míst, krystalizují v kubické diamantové struktuře (sfalerit ZnS α) nebo hexagonální struktuře uspořádané (wurtzit ZnS β). Poměr valenčních elektronů na atom je 4:1 jako v případě diamantu.

Tab. 1: Elektrochemické sloučeniny (Ptáček, 2003)

IV b

Vb

VI b

Mg2Si

Mg3P2

MgS

Mg2Ge

Mg3As2

MgSe

Mg2Sn

Mg3Sb2

MgTe

Mg2Pb

Mg3Bi2

5.4.2 Sloučeniny určené velikostním faktorem V případě, že se atomové poloměry prvků soustavy značně liší, dochází ke vzniku intersticiálních a substitučních sloučenin. Intersticiální sloučeniny se tvoří mezi přechodovými kovy a nekovy s dostatečně malým poloměrem. Jedná se podobně jako u intersticiálních tuhých roztoků o uhlík, dusík, bor a vodík. Intersticiální sloučeniny jsou tedy zejména karbidy, nitridy, hydridy a boridy přechodových kovů. Atomy nekovu lze umístit v oktaedrických a tetraedrických intersticiálních polohách. Potom atom nekovu s poloměrem velkým 0,41 r kovu může obsadit největší intersticiální polohy a nevyvolá ještě distorsi mřížky. U karbidů a nitridů, u kterých leží velikostní faktor v rozmezí 0,41 - 0,59, dochází k distorsi nejtěsnějšího uspořádání. Atomy kovu tvoří převážnou většinou těsně uspořádané struktury.

60

Vytvoří se, když všechny oktaedrické polohy těsně uspořádané struktury jsou obsazeny atomy nekovu. Charakteristická struktura těchto sloučenin je typu NaCl. Vazby ve třech navzájem kolmých směrech způsobují vysokou stabilitu stabilitu těchto sloučenin. U substitučních sloučenin převládá vliv velikostního faktoru nad vlivem elektronové koncentrace. Nejvýznamnějším představitelem těchto slitin jsou Lavesovy fáze s obecným vzorcem AB2, kde A je větší a B menší poloměr atomu sloučeniny. sloučeniny. Rozdíl v poloměrech atomů A a B je 20 až 30 %.

5.4.3 Elektronové sloučeniny Vedle sloučenin, jejichž tvorba se řídí výhradně nebo zčásti velikostním faktorem, faktorem má u elektronových sloučenin nejvýraznější vliv faktor elektronové koncentrace. Elektronové Elektronov sloučeniny se vyskytují jako intermediální fáze ve slitinách Cu, Ag, Au a některých dalších transitivních kovů s kovy skupin B. Typickým představitelem těchto fází je slitina CuZn. Krystalická stavba jednotlivých elektronových sloučenin je závislá na moc mocenství enství kovů ve slitině. Elektronové sloučeniny existují v rovnovážných diagramech vždy v určitém rozmezí koncentrací. Rozsah rozpustnosti je závislý na teplotě. Mají poměrně nízké teploty tání. Jsou tvrdé a málo tvárné.




•


61

•

FREMUNT, P. a T. PODRÁBSKÝ, 1996. 1996 Konstrukční oceli. oceli. Brno: Brno: CERM.

•


•


•




OTÁZKY A ÚKOLY 1. Charakterizujte čisté kovy a slitiny. 2. Vyjmenujte faktory určující krystalovou strukturu fází. 3. Popište rozdíl mezi substitučními a intersticiálními tuhými roztoky. 4. Definujte vznik intermediální fáze. 5. Popište fáze, fáze, které se vyskytují v intermediálních oblastech stavových di diagramů.


62

Kapitola 6 - Fázové přeměny v kovových soustavách

KLÍČOVÉ POJMY Krystalizace, nukleace, fázové přeměny, alotropie, polymorfie


Charakterizovat krystalizaci a nukleaci

•

Popsat jednotlivé fázové přeměny

•

Charakterizovat alotropii a polymorfii


VÝKLAD

6.1 Krystalizace kovů Většina technických kovů se vyrábí pyrometalurgickou technikou, což znamená, že v určitém stádiu výroby prochází kov kapalným stavem. Rovněž druhotné zpracování kovů slévárenskou technologií předpokládá ohřev do oblasti tavenin.

63

Výsledné vlastnosti takto zpracovávaných kovů závisí na řadě faktorů, z nichž významné místo zaujímají krystalizace, tj. přeměna kapalné fáze ve fázi tuhou. Krystalizace je fázová přeměna s růstem řízeným přenosem tepla. Mechanizmus krystalizace je charakterizován vznikem stabilních zárodků a jejich následným růstem. Základní podmínkou pro uskutečnění tohoto mechanismu je dostatečně velké přechlazení taveniny.

6.1.1 Krystalizace čistých kovů 1. Homogenní nukleace Homogenní nukleace je proces, kdy v tavenině vznikají shluky atomů, které mají vzájemnou polohu, jaká odpovídá jejich krystalickému uspořádání. Tyto shluky se mohou rozpadat nebo se stabilizovat a dále růst. Stabilní zárodky vzniknou, když jejich volná entalpie je nižší než volná entalpie kapalného stavu. Označme ΔGZ změnu volné entalpie spojené s vytvořením zárodku. Tato hodnota bude záviset na rozdílu volných entalpií tuhé a původní kapalné fáze ΔGV a na specifické energii fázového rozhraní γ. )

& ' (' * kde

V je objem zárodku, ΔGV je změna chemické volné entalpie, Η je tvarový součinitel.

Za předpokladu, že vznikající zárodky budou mít kulový tvar, lze změnu volné entalpie vyjádřit rovnicí 4 ∆& -. / ∆0 4-. 1 3

64

Teorie homogenní nukleace byla zpracována pro transformaci pára-kapalina a později rozšířena i pro krystalizaci z taveniny. Za běžných podmínek však dochází v taveninách k nukleaci heterogenní. Homogenní nukleace při krystalizaci kovů se uskutečňuje pouze při extrémních podmínkách (velké přechlazení taveniny).

2. Heterogenní nukleace V běžných podmínkách metalurgických procesů se uskutečňuje heterogenní nukleace, která je katalyzovaná přítomností cizích povrchů v tavenině (stěny formy, částice cizích tuhých fází). Heterogenní nukleace je tedy proces energeticky výhodnější než homogenní nukleace a změna olné entalpie spojená s tvorbou zárodků při heterogenní nukleaci je menší než tatáž veličina při nukleaci homogenní. Proces nukleace je řízen zejména měrnou energií nově vznikajícího fázového rozhraní. Při vzniku zárodků dojde k těmto změnám volné entalpie: a) Vytvoří se povrch mezi fázemi krystal a tavenina, čemuž odpovídá přírůstek povrchové energie. b) Mezi fázemi podložka a tavenina vymizí povrch kruhového tvaru o ploše odpovídající základně kulové úseče. Stejný povrch se vytvoří mezi fázemi podložka a krystal. c) V objemu kulové úseče je fáze tavenina nahrazena fází krystal, což způsobí změnu volné entalpie.

Heterogenní nukleace usnadňuje proces krystalizace. U stěny formy dochází k nukleaci při relativně malém přechlazení 0,98 Tt (Tt je teoretická teplota tání), zatímco homogenní nukleace potřebuje přechlazení 0,8 Tt.

65

3. Růst krystalů Zárodek nadkritické velikosti je schopen růstu, protože jeho volná entalpie se snižuje se zvětšením jeho poloměru. Proces růstu je závislý na několika faktorech: velikosti přechlazení, difuzi, povrchovém napětí a dalších. Rychlost růstu je závislá na velikosti přechlazení, které rovněž udává velikost hnací síly procesu růstu krystalů. Tvar rostoucího krystalu je závislý na tepelných podmínkách v okolí fázového rozhraní. Růst probíhá z tohoto hlediska buď za pozitivního teplotního gradientu taveniny nebo za negativního teplotního gradientu taveniny. Uskutečňuje-li se růst za pozitivního teplotního gradientu, je latentní teplota tuhnutí z rozhraní tuhá fáze-tavenina odváděna tuhou fází. Je-li teplotní gradient taveniny negativní, bude latentní teplo tuhnutí odváděno jak tuhou fází, tak taveninou. Analýza tepelných podmínek na rozhraní tavenina-rostoucí krystal poskytuje informace o typu krystalizace (dendritická, celulární). U vícesložkových systémů závisí přechlazení nejen na teplotě, ale i na chemickém složení. Typ krystalizace bude záviset tedy i na koncentraci přísad. Proces růstu spočívá v připojování jednotlivých atomů z taveniny na povrch krystalu. Pro silové připoutávání atomu je výhodné, když povrch krystalu je členitý.

4. Možnosti ovlivňování krystalizace Řízenou krystalizací lze dosáhnout významně odlišnou morfologii struktury a s tím spojené rozdíly v mechanických vlastnostech. Zjemnění struktury lze dosáhnout zvýšením rychlosti nukleace, tj. zvýšit počet krystalizačních zárodků. Významný vliv na rychlost nukleace má rozsah přechlazení. Vysokého přechlazení dosáhneme zvýšením rychlosti ochlazování taveniny. Zvýšení počtu zárodků dosáhneme rovněž pomocí přísad, které vytvoří cizí částice (katalyzátory) heterogenní nukleace. Jinou, doposud málo používanou formou zjemňování zrna jsou vibrace formy při krystalizaci. Účinek tlakových vln zmenšuje kritický rozměr zárodku.

66

6.2 Fázové přeměny v tuhém stavu Fázové přeměny v tuhém stavu probíhají buď jako homogenní (chybí stádium nukleace a nevznikají fázová rozhraní) nebo častěji jako heterogenní (formou nukleace a růstu za vzniku nových fázových rozhraní). Tyto přeměny možno rozdělit na přeměny s tepelně aktivovaným růstem a na přeměny, u kterých tepelná aktivace růstu není významná (atermální růst). Do přeměn s tepelně aktivovaným růstem se řadí polymorfní přeměny, masivní přeměny, rozpad přesyceného tuhého roztoku (precipitace), eutektoidní a bainitické přeměny. Přeměny s atermálním růstem jsou přeměny martenzitické.

6.2.1 Fázové přeměny s tepelně aktivovaným růstem Nukleace u přeměn v tuhém stavu je popsána energetickým vztahem vyjadřujícím změnu volné entalpie ΔGZ spojenou se vznikem zárodku )

∆& 2'3 1 ∆0 ' ' *

kde

ΔGV je změna volné entalpie vztažená na objemovou jednotku (závisí na složení), V je objem zárodku, e je konstanta závislá na elastických vlastnostech mřížek obou fází, η je měrná energie fázového rozhraní, δ je parametr nesouhlasu (diference) mřížek.

Vedle změny chemického uspořádání nové fáze bude hrát roli při nukleaci i energie vzniklých fázových rozhraní a energie napjatosti krystalové mřížky. Roste-li koherentní zárodek, zvyšuje se rovněž energie napjatosti krystalické mřížky. V určitém stádiu růstu zárodku se koherence porušuje a nadále se stupeň koherence snižuje. Se snižováním koherence však vzrůstá povrchová energie rozhraní.

67

1. Polymorfní přeměny kovů Polymorfní přeměny jsou fázové přeměny, při kterých se mění typ krystalické mřížky. Schopnost kovu měnit krystalickou stavbu se označuje polymorfie, změna krystalické mřížky bývá označována překrystalizace (alotropní přeměna). Polymorfní přeměny jsou vratné, reverzibilní. Přejde-li kov z modifikace α při ohřevu do modifikace β, vrátí se při ochlazení do původní modifikace. K alotropickým přeměnám dochází v řadě čistých kovů a v mnoha tuhých roztocích i v intermediálních fázích. Polymorfní přeměny jsou způsobeny změnou charakteru meziatomových sil nebo změnou typu vazby, což má za následek změny některých fyzikálních vlastností. Mechanizmus masivní transformace je nukleace na hranicích zrn původní fáze a následující růst zrn nové fáze. Růst probíhá pohybem rozhraní i přes několik zrn výchozí fáze. Vzhledem k tomu, že u masivní transformace dochází k přenosu hmoty na krátkou vzdálenost, je rychlost růstu relativně vysoká. Z těch důvodů bývá někdy masivní transformace zařazována mezi přeměny řízené smykovým mechanizmem, i když je zřejmé, že růst je procesem tepelně aktivovaným. Masivní transformace se vyskytuje u řady čistých kovů nebo slitin (například u mosazí CU-38,7 % Zn), rovněž u železa a některých jeho slitin (s křemíkem, molybdenem, wolframem, chrómem) nebo u ocelí legovaných prvky uzavírajícími austenitické pole.

2. Eutektoidní transformace Perlit vzniká z austenitu, když je termodynamicky možné, aby se z této fáze vylučoval jak ferit, tak cementit současně a jestliže je přitom teplota tak vysoká, že je možná jak difuze intersticiální, tak difuze substituční. Při rovnovážné teplotě může transformovat na perlit pouze austenit, jehož složení odpovídá přesně eutektoidnímu bodu. Čím je teplota níž pod eutektoidním bodem, tím je širší rozmezí koncentrací austenitu, při kterých vzniká perlitická struktura. Perlit, jaký dostaneme v běžných ocelích, se skládá z lamel feritu a cementitu, které jsou uloženy střídavě vedle sebe a jsou při dostatečném zvětšení rozlišitelné mikroskopem. Skupinky lamel jsou uspořádány navzájem rovnoběžně – takové oblasti se stejnou orientací lamel v prostoru se nazývají perlitické kolonie, skupiny takových

68

perlitických kolonií tvoří tzv. perlitickou noduli, která v průběhu transformace austenitu na perlit roste jako kompaktní perlitická oblast, obklopená v první etapě transformace ze všech stran austenitem. Teprve v pozdějším stádiu transformace se rostoucí nodule perlitu setkávají. Aby se mohl tvořit perlit, musí vzniknout jak zárodek feritu, tak zárodek cementitu; jeden z těchto dvou zárodků přitom vzniká jako první a vlastně zahajuje perlitickou reakci – nazývá se proto aktivní zárodek perlitu. Základním znakem, který charakterizuje perlitickou reakci, je její stacionárnost, projevující se nezávislostí lineární rychlosti růstu na čase: podmínky na rozhraní austenit/perlit se v průběhu reakce nemění. Jednou z okolností, která umožňuje udržení těchto konstantních poměrů na hranici mezi rostoucím perlitem a okolním austenitem, je nekoherentní povaha této hranice: při pohybu hranice se proto nezvětšuje deformační energie v jejím okolí a ani rozdíly specifických objemů austenitu a perlitu. Stav austenitu ani perlitu v průběhu reakce neovlivňují, protože jejich důsledky se díky vysoké teplotě a snadné difuzi rychle likvidují. Druhým základním faktorem, který umožňuje stacionárnost reakce, je okolnost, že průměrné chemické složení perlitu je právě rovno chemickému složení austenitu; složení austenitu se proto během reakce nemění.

3. Bainitická transformace Bainitická transformace se považuje za reakci smíšené povahy. Starší hypotézy ji považovaly za přechod mezi difuzní perlitickou a bezdifuzní martenzitickou přeměnou. Podle novějších názorů se jedná o kombinaci semikoherentní mřížkové transformace a precipitace karbidů. Základem bainitické reakce je difuze uhlíku uvnitř austenitu, martenzitická transformace ochuzených oblastí austenitu a precipitace karbidů - buď přímo z austenitu nebo přesyceného tuhého roztoku vzniklého předtím martenziticky. Podle reakční teploty rozlišujeme tzv. horní bainit, vznikající při vyšších teplotách, je charakterizován vyloučením na hranici feritických částic, a tzv. spodní bainit, ve kterém je větší část karbidů vyloučena uvnitř desek feritu.

69

Protože bainit vzniká při teplotách, kdy je rychlost substituční difuze nízká, neobsahuje v legovaných ocelích karbidy legujících prvků, ale jen karbidy železa. U horního bainitu je to cementit, u spodního bainitu se setkáváme též s méně stabilními karbidy železa, jaké jsou charakteristické pro strukturu nízko popuštěného martenzitu. Mechanické vlastnosti bainitických struktur mají některé výhody jak proti strukturám vzniklým při vysokých teplotách, tak proti martenzitické struktuře zakalené oceli. V prvním případě je výhodnou větší stejnorodost a disperznost bainitické struktury, která dává vyšší pevnost při dobré tvárnosti, ve druhém případě se neobjevuje u bainitických struktur takový pokles tvárnosti a houževnatosti jako po zakalení na martenzit.

4. Martenzitická transformace Ochlazujeme-li vzorek z oblasti teplot stabilního austenitu dostatečně rychle, transformuje při nízkých teplotách martenziticky. Teploty martenzitické reakce jsou tak nízké, že při nich v ocelích není prakticky možná ani substituční difuze, ani difuze intersticiální. Proto je chemické složení vznikajícího martenzitu totožné se složením původního austenitu a přesuny atomů při transformaci jsou možné jen na vzdálenost kratší, než je meziatomová vzdálenost v mřížce. Mluvíme proto o bezdifuzní přeměně. Martenzitická transformace je podobně jako jiné reakce při tepelném zpracování kovů podmíněna existencí zárodků a jejich růstem. Na rozdíl od jiných reakcí se však martenzitická reakce v ocelích vyznačuje velmi velkou rychlostí růstu částic. Jakmile proto některá částice martenzitu začne růst, vyroste do své konečné velikosti prakticky okamžitě. Průběh reakce je proto dán střední velikostí částic martenzitu a nukleace. Transformace spočívá v homogenním smyku sousedních rovin proti sobě, případně ve změně vzdálenosti mezi nimi. Taková transformace je svou povahou podobná deformaci a pro její uskutečnění budou platit podobné podmínky jako pro vznik tohoto druhu deformace: může probíhat obrovskou rychlostí a k jejímu vyvolání není nutná tepelná aktivace – stačí, aby na atomy v polohách staré mřížky působili dostatečně velké síly.

70

Ve skutečných podmínkách není obvykle koherence mřížky austenitu a martenzitu v rovině styku dokonalá a pouhá homogenní deformace mřížky k transformaci nestačí. Tato deformace je proto doprovázena ještě nekoherentní nekoherentní deformací, která vyrovnává rozdíly mezi změnou mřížky a skutečnou změnou tvaru transformačního objemu. Můžeme si to představit tak, že okolní okol í části vzorku kladou odpor změně tvaru transformujícího objemu, vyvolávají v něm napětí a ta t posléze vedou vedou k plastické deformaci. Podle povahy slitiny se tato plastická deformace nejčastěji uskutečňuje skluzem nebo tvorbou dvojčat, v některých případech též tvorbou vrstevních chyb. Vzniká tak substruktura martenzitu, charakterizovaná podle povahy nehomogenní nehomogenní deformace buď spletí dislokačních čar, velkým počtem jemných dvojčat nebo vrstevními chybami. Vysoká hustota poruch, které takto v martenzitu vznikají, odpovídá struktuře slitin po velké plastické deformaci. Také mechanické vlastnosti martenzitických struktur struktur jsou tím spoluurčeny: tvrdost a pevnost je zvýšena, tvárnost a houževnatost je snížena.



SKÁLOVÁ, J., KOUTSKÝ, J. a V. MOTYČKA, 2000. 2000 Nauka o materiálech materiálech.. 2. vyd. Plzeň: Plzeň Západočeská univerzita, 232 s. ISBN 80-7082 7082-677-0.

•


•


•


•


71

•




OTÁZKY A ÚKOLY 1. Definujte pojem krystalizace kovu. 2. Vysvětlete rozdíl mezi homogenní a heterogenní nukleací. 3. Popište mechanizmus masivní transformace. 4. Popište mechanizmus eutektoidní, bainitické a martenzitické transformace.


72

Kapitola 7 - Rovnovážné diagramy binárních soustav

KLÍČOVÉ POJMY Fázový a strukturní rozbor soustav, rozpustnost složek, pákové pravidlo


Vykonat kvalitativní a kvantitativní popis fází v binárních soustavách

•

Sestrojit a popsat rovnovážné diagramy

•

Vysvětlit princip použití pákového pravidla


VÝKLAD

Rovnovážné diagramy podávají kvalitativní i kvantitativní popis fází, které jsou v rovnováze v kovových soustavách o dvou a více složkách v závislosti na teplotě. Jak plyne z fázového pravidla, stačí u kondenzovaných soustav při jedné složce k po popisu pisu jeden údaj tj. teplota. U dvou složek jsou nutné dva údaje - teplota a koncentrace. To je nejčastější případ rovnovážných diagramů běžných slitin. Zobrazujeme je v souřadnicích teplota – koncentrace.

73

Pro sestrojování rovnovážných diagramů je nutno zjistit teploty, při nichž dochází k přeměnám fází, ať je to přechod z kapalného stavu do tuhého stavu nebo přeměny probíhající v tuhém stavu. Vzhledem k velkému počtu různých binárních soustav existuje řada rovnovážných binárních diagramů. Mají ovšem mnoho společných znaků, takže pro jejich systematiku je lze seskupit do několika souborů. Nejčastěji se rovnovážné diagramy třídí podle rozpustnosti obou složek v kapalném a tuhém stavu na: •

S úplnou rozpustností v tuhém i kapalném stavu

•

S úplnou rozpustností v kapalném a omezenou rozpustností v tuhém stavu

•

S úplnou rozpustností v kapalném stavu a úplnou nerozpustností v tuhém stavu

•

S úplnou nerozpustností nebo neúplnou rozpustností v kapalném stavu

Vzhledem k polymorfii některých prvků jsou jejich rovnovážné diagramy dále komplikovány fázovými přeměnami v tuhém stavu, popřípadě u složek s částečnou rozpustností nebo úplnou nerozpustností v tuhém stavu vznikem zvláštních fází, které označujeme jako fáze intermediální.

7.1 Diagramy s úplnou rozpustností složek v kapalném i tuhém stavu Dokonalá mísitelnost je zachována i v tuhém stavu, slitina je tuhým roztokem v celé koncentrační oblasti. Binární slitiny tohoto typu lze znázornit jednoduchým rovnovážným diagramem.

74

Obr. 15. Rovnovážný diagram binárních slitin dokonale rozpustných v tuhém i kapalném stavu. (Chotěborský, 2006)

Diagram má dvě křivky spojující teploty počátku krystalizace čistých složek (A,B). Horní křivka - likvidus udává teploty počátku krystalizace binárních slitin a zároveň i složení kapalné fáze, která je v rovnováze s vyloučenými krystaly. Spodní křivka – solidus udává složení vznikající tuhé fáze – tuhého roztoku. Nad křivkou likvidu je termodynamicky stabilní fází tavenina a soustava má dva stupně volnosti. V oblasti mezi likvidem a solidem existují vedle sebe dvě fáze – tavenina a krystaly tuhého roztoku a soustava má jeden stupeň volnosti. Pod čarou solidu je jediná fáze – tuhý roztok, soustava má opět dva stupně volnosti. Krystalizace libovolné slitiny např. o koncentraci dané bodem M začne vyloučením prvních krystalů při dosažení teploty t1 dané čarou likvidu. Složení prvních krystalů je značně odlišné od složení taveniny a odpovídá koncentraci c1. Při poklesu teploty na t2 vzniká z taveniny další podíl krystalů, jejichž složení je c3. Přitom složení taveniny je c2. Při teplotě t3 je krystalizace ukončena a slitina za předpokladu rovnovážného ochlazování, kdy je zajištěn dokonalý průběh difúze, je tvořena krystaly tuhého roztoku výchozího složení.

Jak je patrno z diagramu, mění se při krystalizaci plynule jak složení krystalů (od c1 do c0), tak složení taveniny (od c0 do c4). Pokud ochlazování probíhá poměrně rychle –

75

nerovnovážně, je ovšem nutno počítat se značnými odchylkami koncentrace vznikajících krystalů tuhého roztoku. V praxi dojde k rovnovážné krystalizaci jen v málo případech. Složení vznikajících krystalů tuhého roztoku není difúzí vyrovnáno dostatečně rychle, to vede k odchylnému složení jednotlivých vrstev rostoucího krystalu, které nesleduje čáru solidu, ale leží níže, jak je naznačeno čárkovaně na obr. 15. Nerovnoměrné složení krystalů označujeme jako dentritickou segregaci. Je příčinou zhoršení mechanických vlastností odlitého materiálu.

7.2 Pákové pravidlo V praxi často musíme zhodnotit množství vyloučených krystalů a zbylé taveniny v teplotním intervalu mezi likvidem a solidem. Takovou úlohu můžeme řešit za použití pákového pravidla. Předpokládejme slitinu o složení c0 a hmotnosti m0, která má teplotu t2 (viz obr. 15). Jsou v ní přítomny krystaly tuhého roztoku o hmotnosti mL a koncentraci c2. Bilance jedné ze složek např. B, je dána vztahem: %4 . 5/ %6 . 51 % . 5 %4 7 7%6 . 5 Jehož upravením dostaneme: %6 . 5 7 751 %4 . 5/ 7 75 %4 ⁄%6 5 7 751 ⁄5/ 7 75 tj. poměr množství tuhé fáze a taveniny je úměrný poměru délek úseček c0 - c2 a c3 - c0.

7.3 Diagramy s omezenou rozpustností složek v tuhém stavu Poměrně velká řada slitin je charakteristická tím, že obě složky jsou navzájem v tuhém stavu do určité míry rozpustné; jak složka A rozpouští až do určité koncentrace složku B, tak i naopak. Vznikají tak tuhé roztoky α, β, jejichž oblast navazuje na čisté složky A a B (viz obr. 16), který znázorňuje soustavu Cu-Ag.

76

Obr. 16. Rovnovážný diagram binárních slitin s omezenou rozpustností složek v tuhém stavu. (Chotěborský, 2006)

Teploty tuhnutí čistých složek A a B jsou přísadou druhé složky snižovány, takže křivky likvidu mají klesající tendenci. Obě větve likvidu se protínají v bodu E, který představuje slitinu s nejnižší teplotou tání tE. Označujeme ji jako teplotu eutektickou. Při ní jsou v rovnováze tři fáze: krystaly α, β a kapalná fáze, takže soustava je invariantní. Snížením teploty pod tE musí zmizet kapalná fáze – proběhne krystalizace, při níž vznikají krystaly tuhého roztoku α a β jako mechanická směs, která je označována jako eutektikum. Teplota, při níž eutektikum krystalizuje současně s teplotou solidu všech slitin, jejichž koncentrace leží v rozmezí cC až cD. Solidus slitin tohoto typu se skládá ze tří čar: čáry AC, horizontály (eutektikály) CD a čáry DB. Krystalizace slitin, jejichž složení leží mezi složkami A a B a bodem E, tj. AE a ED, začíná vznikem krystalů příslušného tuhého roztoku α nebo β. U slitin v koncentrační oblasti cC - E a cD - E vznikají primárně krystaly tuhého roztoku α, popř. Β. Zbytek taveniny, která při konstantní teplotě dosáhla koncentrace bodu E, krystalizuje při teplotě jako eutektikum. Sledujme např. krystalizaci slitiny o složení M. Krystalizace slitiny začne při teplotě t1 vznikem krystalů tuhého roztoku α, o složení c1. S poklesem teploty krystalizace pokračuje, až při teplotě tE jsou v této soustavě v rovnováze krystaly α a tavenina. Soustava je invariantní a při dalším odvodu tepla krystalizuje eutekticky. Krystalizace proběhne při určitém podchlazení Δt vznikem zárodků té fáze, jejíž nukleace vyžaduje menší stupeň podchlazení než fáze druhé. Takovou fázi označujeme za fázi vedoucí.

77

Vzniklá směs krystalů α a β – eutektikum má obvykle strukturu destičkovitých, vedle sebe uložených krystalů, kterou označujeme jako eutektikum lamelární. Podle podmínek krystalizace a charakteru slitiny může však mít jedna z fází tvar tyčinek, zrn (globulí) nebo jehlic. Mluvíme potom o eutektiku tyčinkovitém, globulárním (zrnitém), jehlicovitém. Při eutektické teplotě je vzájemná rozpustnost obou složek obvykle největší. S klesající teplotou se rozpustnost zmenšuje. Tuhý roztok o koncentraci cC nebo cD se proto při ochlazování pod teplotu danou čarou rozpustnosti v tuhém stavu (solvus) stává přesyceným. V našem diagramu jsou to čáry CA a DB. Při pomalém ochlazování se z něho segregací vylučuje fáze bohatá na jednu složku. Podobně jako u slitin s úplnou rozpustností složek probíhá i zde krystalizace podle popsaného schématu pouze za velmi pomalého, přibližně rovnovážného ochlazování. Při rychlejším poklesu teplot dochází i zde k nerovnovážné krystalizaci. Projevuje se tím, že krystaly tuhého roztoku, které vznikají primárně, nemají homogenní složení odpovídající koncentracím udaným čárami solidu (AC a BD). Jsou nehomogenní a jejich složení je posunuto směrem naznačeným v diagramu na obr. 16. Čarou nerovnovážného solidu (čárkovaná čára c1c). Ohledně složení krystalů při nerovnovážné krystalizaci je příčinou, že při eutektické teplotě tE není krystalizace ukončena, ale zbývá určitý podíl kapalné fáze, která při dalším ochlazování krystalizuje jako eutektikum. Proto se eutektikum může objevit i u slitin, které by za rovnovážných podmínek ochlazování krystalovaly jako homogenní tuhý roztok.

7.4 Diagram slitin s úplnou nerozpustností složek v tuhém stavu Úplná nerozpustnost v tuhém stavu (obr. 17.) je u binárních slitin poměrně vzácná. Téměř vždy můžeme zjistit, třeba jen malou vzájemnou rozpustnost složek. Ideální soustava s úplnou nerozpustností v tuhém stavu se vyznačuje tím, že: •

Struktura je v tuhém stavu tvořena směsí krystalů čistých složek

•

Přísada druhé složky snižuje teplotu tání základní složky

78

•

Obě křivky likvidu se protínají v eutektickém bodě E představující představujícím mechanickou směs krystalů čistých složek

•

Eutektikála prochází celou koncentrační oblastí od jedné čisté složky k druhé a tvoří čáru solidu

Obr. 17. Rovnovážný diagram binárních slitin s úplnou nerozpustností v tuhém stavu. stavu. (Chotěborský, 2006)

Při krystalizaci jakékoli jakékoli slitiny vznikají krystaly jedné čisté složky (a nebo B podle koncentrace). Složení taveniny se mění podle čar likvidu AE a BE. Slitina v tuhém stavu obsahuje v rozmezí koncentrace A - E krystaly čisté složky A a eutektikum, v rozmezí E - B krystaly čisté složky B a eutektikum.




•


•


79

•


•


•



PTÁČEK, L. a kol., kol., 2003. Nauka o materiálu II. II. Brno: Brno: CERM.

OTÁZKY A ÚKOLY 1. K čemu slouží rovnovážné diagramy? 2. Uveďte členění rovnovážných diagramů podle rozpustnosti obou složek. 3. Popište pákové pravidlo; k čemu slouží? 4. Nakreslete rovnovážné diagramy podle rozpustnosti obou složek a stručně je popište.


80

Kapitola 8 - Technické slitiny železa

KLÍČOVÉ POJMY Fázový a strukturní rozbor soustav, rozpustnost složek, pákové pravidlo


Popsat vlastnosti čistého železa

•

Charakterizovat vliv doprovodných prvků na vlastnosti slitin železa

•

Popsat hlavní důvody legování železa


VÝKLAD

Slitiny železa představují nejvýznamnější skupinu kovových materiálů, které nacházejí široké uplatnění v nejrůznějších oborech lidské činnosti. Jednotlivé druhy těchto slitin od surového vysokopecního železa a litin přes uhlíkové oceli až ke speciálním vysokolegovaným materiálům jsou produktem mnohaletých zkušeností, vycházejících z výsledků výzkumu a ověřovaných v provozních podmínkách.

81

Veliká rozmanitost užitných vlastností těchto materiálů vychází z jejich chemického složení a výrobní technologie. Kombinací legujících prvků a vhodným tepelným zpracováním lze získat oceli s vysokými pevnostními hodnotami i dostatečnou houževnatostí pro práci za extrémních podmínek. Široký sortiment ocelí se přitom neustále mění, a to nejenom vznikem inovovaných značek s vyššími parametry, ale také nových skupin ocelí, které jsou schopny nahradit slitiny jiných kovů. Přesto, že se ocelí jako technických materiálů užívá již po tisíciletí, teprve druhá polovina devatenáctého století znamená začátek jejich výraznějšího rozvoje. Do té doby se rozlišovaly prakticky pouze dva základní typy ocelí, a to uhlíková ocel s nízkým obsahem uhlíku (tzv. měkké železo) a tvrdší kalitelná ocel s vyšším obsahem uhlíku, pro niž bylo vyhrazeno označení ocel. Teprve po roce 1880 se začala rozšiřovat výroba prvních legovaných ocelí. Rozvoj hromadné výroby ocelí podnítil zájem o strukturu a vlastnosti slitin železa. Pokroky experimentální fyziky umožnily získat hodnoty fyzikálních vlastností slitin železa, základní

teoretickou

disciplínou

při

konstrukci

rovnovážných

diagramů

se stala

termodynamika. Teprve v roce 1929 byl přijat spolkem německých hutníků diagram železouhlík, který byl dále upřesňován. Technické slitiny železa zaujímají v celkové světové výrobě kovů nejvýznamnější postavení. Uplatnění těchto slitin téměř ve všech průmyslových odvětvích souvisí s mnohostranností fyzikálních i mechanických vlastností železa a jeho schopností tvořit s četnými kovy i nekovy slitiny nejrůznějších vlastností. Při zpracování základních surovin v železárnách není snahou vyrobit železo ve formě čistého kovu, ale vyrábí se technické železo, resp. slitiny železa, které obsahují vedle uhlíku ještě další příměsi (mangan, křemík, fosfor, síru). Další prvky se přidávají úmyslně jako legury k úpravě konečných vlastností slitiny.

Hlavní příměsí technického železa je uhlík, který nejvíce ovlivňuje jeho mechanické vlastnosti, možnost tepelného zpracování, obrobitelnost apod. Podle obsahu uhlíku lze rozdělit technické slitiny železa na oceli s obsahem uhlíku pod 2 % a surová železa a litiny, v

82

nichž je obsah uhlíku obvykle vyšší než 2 %. Slitiny s velmi nízkým obsahem uhlíku bývají považovány za technicky čisté železo. Surová železa a litiny se od sebe liší výrobou a použitím. Surové železo jako produkt vysokopecní výroby obsahuje kromě 3 - 4 % uhlíku ještě 0,5 - 2 % křemíku, kolem 1 % manganu, až 0,1 % fosforu a asi 0,05 % síry. Používá se převážně pro výrobu oceli nebo litiny, jen výjimečně se odlévají tvarové odlitky přímo ze surového železa.

8.1 Čisté železo Železo (Fe, atomové číslo 26, teplota tání 1536 °C) má vlastnosti, které jsou značně závislé na množství a druhu příměsí. Příprava čistého železa je poměrně velmi obtížná, proto nelze mluvit o fyzikálně čistém železe. Pro průmyslové účely se běžně používá technicky čisté železo vyráběné průmyslově o čistotě 99,8 - 99,9 %. Rafinací lze dosáhnout čistoty až 99,99 %. Obsah nečistot závisí na způsobu výroby, běžné je elektrolytické, karbonylové a přetavované železo. Dodává se jako prášek a zpracovává se cestou práškové metalurgie. Používá se zejména v elektrotechnice, kde se využívá jeho fyzikálních vlastností. Čisté železo je velmi měkké, dobře tvárné, má malou pevnost a nemá výraznou mez kluzu. Svými mechanickými vlastnostmi se podobá jiným čistým kovům.

83

Tab. 2. Vybrané vlastnosti čistého železa (Skálová a kol., 2008)

Vlastnost

Hodnota

Měrná hmotnost (kg.m-3)

7874

Střední měrné teplo v rozmezí teplot 0 až 100°C (J.kg-1.K-1)

465

Tepelná vodivost (W.m-1.K-1)

55,7

Součinitel tepelné roztažnosti v rozmezí teplot 0 až 100°C (K-1)

12,5.10-6

Měrný elektrický odpor pro 20°C (Ω.m)

89.10-5

Modul pružnosti v tahu E (MPa)

210 000

Modul pružnosti ve smyku G (MPa)

78 000

Poissonovo číslo

0,28

Mez pevnosti Rm (MPa)

180 až 250

Mez kluzu Re (MPa)

80 až 140

Tažnost A10 (%)

50

Kontrakce Z (%)

až 90

Tvrdost HB

45 až 55

Železo je alotropickým kovem se dvěma krystalograficky odlišnými modifikacemi α a γ. Modifikace α je stabilní ve dvou teplotních intervalech (do 911 °C a nad 1392 °C), vysokoteplotní modifikace se označuje jako železo δ. V existenční oblasti nízkoteplotní modifikace se rozlišuje feromagnetické železo α a paramagnetické železo β, které vzniká ohřevem nad Curieho teplotu 768 °C. Modifikace α má kubickou mřížku prostorově středěnou stejně tak jako modifikace β a δ, která se liší pouze mřížkovým parametrem. Železo γ má kubickou mřížku centrovanou plošně.

84

Přeměny alotropických modifikací čistého železa v závislosti na teplotě jsou zřejmé z křivek ochlazování a ohřevu na obr. 18. Teploty přeměny jsou pro zpracování slitin železa velmi důležité, proto bylo zavedeno jejich zkrácené označování. K označení prodlevy písmenem A se připojuje index "r" při ochlazování a index "c" při ohřevu, číselné index označují typ přeměny: 2 znamená přeměnu α-β, 3 přeměnu β-γ a 4 přeměnu γ-δ. Přeměna s indexem 1 se vyskytuje pouze u slitin železa s uhlíkem, u čistého železa neexistuje.

Obr. 18. Křivky chladnutí a ohřevu čistého železa (Skálová a kol., 2008)

Prodleva A3 vykazuje při ohřevu a ochlazování rozdíl 12 °C, který se označuje jako teplotní hysterze, způsobená zpožděním reakcí v tuhém stavu. Tato přeměna je zároveň doprovázena diskontinuální změnou objemu, neboť uspořádání atomů železa γ je hustější. Schopnost přeměn jednotlivých alotropických modifikací železa je tak velká, že ani prudkým ochlazením není možno za normální teploty získat nemagnetickou modifikaci. Překrystalizační schopnost lze ovlivnit přísadou různých prvků, takže alotropie železa je základem tepelného zpracování jeho slitin.

8.2 Vliv doprovodných prvků na vlastnosti slitin železa Aby se zlepšily některé vlastnosti, jako např. zvýšila tvrdost a pevnost při vyhovující houževnatosti, zlepšila prokalitelnost, odolnost proti opotřebení a korozi apod., přidáváme

85

do ocelí nebo litin úmyslně ještě některé další prvky. Jsou to prvky legovací a bývají v množství od několika setin procenta až po desítky procent.

8.2.1 Vliv manganu Mangan tvoří se sírou a kyslíkem sloučeniny s vyšší teplotou tavení než železo a snižuje nebezpečí vzniku nízkotavitelných eutektik pod teplotou solidu. Přítomnost nízkotavitelných eutektik (Fe-S-O) zhoršuje tvářitelnost oceli za vysokých teplot. V koncentraci 0,3 až 1 % ovlivňuje mangan příznivě vyloučení sulfidů typu MnS, tím snižuje jejich nepříznivé působení na houževnatost oceli a tranzitní teplotu. Mangan se rozpouští ve feritu a zvyšuje pevnost a houževnatost oceli při zachování plastických vlastností. Mangan rozšiřuje oblast austenitu. Snížení teploty A3 působí na zjemnění lamel cementitu v perlitu. Vysokolegované manganové oceli mají austenitickou strukturu.

8.2.2 Vliv křemíku Křemík ovlivňuje složení produktů dezoxidace a jejich morfologii, pokud není ocel dezoxidována silnějšími dezoxidačními prvky (Al). Křemík zvyšuje pevnost a mez kluzu, nad 1 % snižuje plastické vlastnosti feritu. Spolu s manganem podporuje křemík segregaci P, As, Sb, Bi, Sn, Pb za zvýšených teplot.

8.2.3 Vliv fosforu V ocelích je fosfor rozpuštěn ve feritu a netvoří sloučeniny. V litinách se při obsahu fosforu nad 0,08 % tvoří s uhlíkem a železem eutektikum nazývané steadit. Fosfor zvyšuje pevnost a tvrdost. Jeho vliv závisí na obsahu uhlíku. Při nízkých obsazích uhlíku do 0,01 % se uvádí vliv obsahu fosforu i na zvýšení tažnosti. Při vyšších obsazích uhlíku nad 0,05 % zvyšuje fosfor křehkost feritu. Jeho vliv na křehkost je významný již od 0,05 % P. Současně se zvyšuje přechodová teplota. Oceli s obsahem fosforu 0,12 % jsou

86

již křehké i při pokojové teplotě. Vliv obsahu fosforu na popouštěcí křehkost je uveden výše. Oceli odolné popouštěcí křehkosti obsahují méně než 0,01 % P. U vysoce pevných ocelí snižuje fosfor mez únavy a zvyšuje sklon ke vzniku trhlin, prasklin a křehkých lomů. U litin zlepšuje fosfor slévárenské vlastnosti a v některých litinách je jeho koncentrace až 0,5 %. Ve většině ocelí je obsah fosforu nižší než 0,030 %.

8.2.4 Vliv síry Síra tvoří s kyslíkem a železem ternární eutektikum s teplotou tavení 925 °C. V důsledku silného sklonu k odměšování síry dochází v mezidendritických prostorách ke vzniku uvedeného eutektika i při poměrně nízkých koncentracích síry v tavenině. Důsledkem je pak zhoršení tvářitelnosti za tepla a sklon ke vzniku trhlin v ingotech a odlitcích. Při určité koncentraci síry mohou být oceli za tepla ne tvářitelné. Rozpustnost síry v železe při 1365 °C je 0,050 %. V důsledku segregace síry se mezidendritická tavenina obohacuje o síru a po překročení její rozpustnosti v tavenině se síra vylučuje jako sulfidické vměstky, jejichž složení závisí na způsobu dezoxidace, jak bylo výše popsáno. Přítomnost prvků s vyšší afinitou k síře (Mn) než železo působí na vylučování sulfidu při její nižší koncentraci a usměrnění sulfidu do mezidendritických prostor je proto menší. Prvky s nejvyšší afinitou k síře (Ca a prvky vzácných zemin) tvoří sulfidy při teplotách nad teplotou likvidu a vzniklé sulfidy mají kulovitý tvar a jsou po ztuhnutí rovnoměrně rozmístěné v matrici. Jestliže po dezoxidaci kovem Me vznikají tekuté produkty dezoxidace, může síra přecházet do těchto vměstků. Výsledkem jsou potom kulovité oxisulfidy (Mn-SMe). Po dezoxidací slabými dezoxivadly (Mn, Si) se vylučují při tuhnutí oxisulfidy, které jsou při teplotě solidu tekuté a mají proto kulovitý tvar. U uklidněných ocelí (dezoxidovaných hliníkem) s obsahem uhlíku do 0,30 % vznikají sulfidy umístěné v mezidendritických prostorách, které snižují houževnatost a zvyšují tranzitní teplotu. Na metalografickém výbrusu se jeví jako řetízky často protáhlých sulfidů. Tyto vměstky jsou rovněž tvářitelné a tvářením lze jejich nepříznivé působení snížit, ale jen při zkouškách na vzorcích odebraných ve směru tváření. Zejména u výrobků tvářených

87

převážně jedním směrem (plechy, podélné profily) jsou značné rozdíly vlastností ve směru tváření a napříč ke směru tváření. Hodnota vrubové houževnatosti klesá u vzorků odebraných kolmo na směr tváření až na 50 % hodnoty dosažené na vzorcích odebraných po směru tváření.

8.2.5 Vliv kyslíku Maximální rozpustnost kyslíku v železe při teplotě 1600 °C je 0,21 %. V ocelích je během výroby obsah kyslíku omezen přítomností dalších prvků často obsahem uhlíku. Během výroby je maximální obsah kyslíku v roztavených ocelích do 0,05 % a cca 0,005 % v hotové oceli. Podle obsahu kyslíku v oceli při odlévání rozdělujeme oceli na uklidněné a neuklidněné. V neuklidněných ocelích je dostatek kyslíku pro reakci s uhlíkem. Výsledkem reakce jsou bubliny oxidu uhelnatého v ingotech. V uklidněných ocelích je koncentrace kyslíku nižší, než je zapotřebí pro vznik bublin CO. Zavedením technologie plynulého odlévání klesá význam i výroba neuklidněných ocelí. Při výrobě ocelových odlitků se odlévá pouze uklidněná ocel. Kyslík tvoří se silnými dezoxidovadly oxidy stabilní nad teplotami tuhnutí. V uklidněné tekuté oceli po dezoxidaci hliníkem bývá 50 až 80 ppm kyslíku ve formě oxidů a přibližně 5 ppm kyslíku v roztoku. Tvar a distribuce oxidů má podobně jako u sulfidů vliv na vlastnosti ocelových výrobků – tvrdé vměstky zhoršují obrobitelnost. Shluky oxidických vměstků mají průměr až 1 mm a mohou být příčinou iniciace trhliny při cyklickém namáhání a dále jsou nepřípustné při výrobě tenkých plechů. Oceli silně znečistěné vměstky mají sklon k dřevitým lomům. Kyslík při tuhnutí silně segreguje a jeho přítomnost v tavenině ovlivňuje aktivitu ostatních prvků a tím i jejich segregaci. Rozpustnost kyslíku ve feritu s teplotou klesá a vyloučené oxidy spolu s nitridy mohou být u neuklidněných ocelí příčinou zvýšení pevnosti a zkřehnutí oceli. Vylučování oxidů a nitridů z přesyceného feritu probíhá i při pokojové teplotě a ke zkřehnutí dochází po několika měsících (stárnutí oceli). U uklidněných ocelí je

88

kyslík i dusík vázán na oxidy a nitridy hliníku a ke stárnutí nedochází nebo jen v omezené míře. Kyslík a síra jsou hlavními zdroji vměstků v oceli (zhoršené metalografické čistoty). Kyslík významně ovlivňuje vlastnosti litin.

8.2.6 Vliv dusíku Maximální rozpustnost dusíku v nelegovaných ocelích při atmosférickém tlaku a teplotě 1600 °C je 0,04 %. Skutečné obsahy v nelegované oceli jsou obvykle nižší než 0,012 %. Vliv dusíku na vlastnosti oceli je spojován nejčastěji se stárnutím oceli. Hliník tvoří s dusíkem nitrid AlN, který je stabilní za vysokých teplot. Stabilní nitridy dále tvoří titan, zirkon a prvky vzácných zemin. Ve feritu se rozpouští při teplotě 585 °C cca 0,1 % N. Dusík tvoří s železem intersticiální tuhý roztok. S poklesem teploty rozpustnost dusíku ve feritu klesá a při pokojové teplotě činí méně než 10-4 %. Nitridy FE4N se vylučují přednostně na hranicích zrn nebo na skluzových rovinách. Vyloučení nitridů je zvláště nebezpečné v tepelně ovlivněných pásmech kolem svarů a u ocelí pracujících za teplot 200 až 300 °C a je možné jej eliminovat vázáním dusíku zejména na hliník, titan a zirkon. U ocelí v litém stavu je dusík příčinou lasturových lomů zejména u odlitků s větší tloušťkou stěn.

8.2.7 Vliv vodíku Největší rozpustnost vodíku v kapalném železe při atmosférickém tlaku a teplotě 600 °C je 0,0024 % (24 ppm). Nelegované oceli obsahují při odlévání obvykle méně než 5 ppm vodíku. Vodík je absorbován ocelí jak při výrobě v pecních agregátech, tak také při povrchové úpravě (moření, galvanické pokovení) a při svařování. Vodík může přecházet do oceli i z

89

atmosféry chemických reaktorů. Ze všech prvků má v oceli nejvyšší difúzní rychlost. I při pokojové teplotě dochází k poklesu vodíku v kovu a podle velikosti výrobku po několika měsících klesá jeho koncentrace pod 2,5 ppm. Vodík tvoří s železem intersticiální tuhý roztok. Při změně modifikace se snižuje rozpustnost vodíku v oceli. Při teplotách 200 °C až 400 °C vyvolává vyloučený vodík silné pnutí, které může způsobit až porušení materiálu. Vzniklé trhlinky se jeví na lomu jako vločky a tomuto zkřehnutí se říká vločkovitost. Na vločkovitost jsou náchylné pevné a vysoce pevné oceli. Vodík snižuje plastické vlastnosti oceli, aniž zvyšuje pevnost. Vodík se adsorbuje na dislokacích a brzdí jejich pohyb. Vodíková křehkost se neprojevuje při vysokých rychlostech deformace, kdy se dislokace odtrhnou od adsorbovaných atomů vodíku. V chemických reaktorech se může vodík za vysokých teplot štěpit a atomární vodík reagovat na povrchu reaktoru s uhlíkem v oceli za vzniku metanu a povrchové oduhličené vrstvy (vodíková koroze). Značné koncentrace vodíku obsahují oceli po moření. Po moření vzniklá vodíková křehkost bývá příčinou zpožděných a náhlých křehkých lomů a snížení meze únavy. Obsah vodíku lze snížit ohřevem na 200 °C až 600 °C. Vodíkové korozi se zabraňuje stabilizací karbidů Cr, Mo, Ti, V.

Hlavní důvody legování slitin železa: •

Zvýšení mechanických vlastností, zejména pevnosti a tvrdosti při zachování vyhovující houževnatosti. Nejčastějšími legujícími prvky jsou Mn, Si, Ni, Mo, V, W, Cr.

•

Zvýšení prokalitelnosti legováním prvky, které snižují kritickou rychlost rozpadu austenitu zejména přísadou CR, Mn, Mo, V, Ni, B.

•

Ke zmenšení sklonu oceli k růstu zrna za vyšších teplot a dosažení jemnozrnné struktury vyloučením dispersních částic karbidů nebo nitridů se legují oceli Al, Ti, Nb, Ta, V.

90

•

K dosažení výše uvedených cílů se často leguje přísadou více prvků v koncentracích do dvou procent, v případě Al, Ti, Nb, Ta, Mo nejčastěji do 0,1 % každého prvku.

•

Dosažení některých fyzikálních vlastností u ocelí, např. elektrických nebo magnetických (přísada Si), dosažení určité tepelné roztažnosti nebo výroba nemagnetických ocelí a litin.

•

Vytvoření tvrdých a vůči opotřebení odolných karbidů, případně karbidů stabilních i za vysokých teplot (Cr, Mo, W, V). V).

•

Zvýšení žárupevnosti žárupevnosti oceli vytvořením vhodně dispergovaných karbidů ve struktuře přísadou Cr, Mo, W, V.



•


•


•


•

PLUHAŘ J.,, 1989. Nauka o materiálech – Celostátní učebnice pro skupinu studijních PLUHAŘ, oborů Strojírenství a ostatní kovodělná výroba. výrob . 1. vyd. Praha: Praha SNTL,, 549 s.

•




91

OTÁZKY A ÚKOLY 1. Popište hlavní vlastnosti čistého železa. 2. Popište vliv vybraných prvků na vlastnosti slitin železa (mangan, (mangan, fosfor, síra, kyslík). 3. Charakterizujte hlavní důvody legování slitin železa.


92

Kapitola 9 - Fázový a strukturní rozbor slitin železa s uhlíkem

KLÍČOVÉ POJMY Fázový rozbor, strukturní rozbor, metastabilní a stabilní soustava


Popsat fázový a strukturní rozbor slitin železa s uhlíkem

•

Nakreslit a popsat binární diagram metastabilní soustavy Fe-Fe Fe 3C

•

Nakreslit a popsat binární diagram stabilní soustavy Fe-C Fe C

•

Charakterizovat vliv dalších prvků prvků na vlastnosti vlastnost


93

VÝKLAD

9.1 Uhlík ve slitinách železa Uhlík je nejdůležitější přísadou každého technického železa, neboť rozhodující měrou ovlivňuje jeho vlastnosti. V nižších koncentracích se v železe rozpouští v závislosti na teplotě podle existenčních podmínek jednotlivých modifikací železa. Při vyšších koncentracích nad hranicí rozpustnosti pak tvoří sloučeninu – karbid železa Fe3C.. Tato sloučenina však není termodynamicky stabilní a dlouhodobým žíháním se rozpadá za vzniku chemicky volného uhlíku. Uhlík se rozpouští ve všech alotropických modifikacích železa, s nimiž tvoří interstetické tuhé roztoky, jejichž uspořádání souvisí s velikostním poměrem atomů obou prvků. V železe α se rozpouští rozpouští maximálně 0,02 % C při teplotě 727 °C, s klesající teplotou se rozpustnost snižuje a při 20 °C dosahuje pouze 1,5.10-7 %.. Tento interste interstetický tický tuhý roztok s kubickou prostorově středěnou mřížkou má metalografický název ferit ferit.. Stejným typem tuhého roztoku je také vysokoteplotní fáze δ, která která však v důsledku většího parametru mřížky vykazuje při teplotě 1499 °C maximální rozpustnost 0,1 %. Nejvíce uhlíku rozpouští železo γ, jehožž plošně středěná mřížka poskytuje větší Nejvíce interstetické prostory. Tak vzniká austenit – interstetický tuhý roztok uhlíku v železe γ s kubickou plošně středěnou mřížkou a maximální rozpustností uhlíku 2,11 % při teplotě 1147 °C. Rozpustnost uhlíku se s klesající teplotou snižuje až na 0,8 %. Při této koncentraci se za teploty 727 °C austenit rozpadá. Pokud obsahují slitiny železa více uhlíku než rozpustí uvedené fáze, vzniká karbid železa Fe3C,, který se nazývá cementit. cementit Tato intermediální fáze obsahuje 6,68 % C a krystalizuje v mřížce ortorombické bez alotropických přeměn. Cementit je při nízkých teplotách slabě feromagnetický, nad teplotou 217 °C paramagnetický. Taje při 1360 °C,

94

tvrdost dosahuje 660 až 840 HB. Za přítomnosti dalších prvků ve slitině mohou být atomy železa v mřížce částečně nahrazeny atomy přísadového prvku (Cr, Mo, W, Mn), čímž vznikají komplexní karbidy. Částečnou náhradou uhlíku dusíkem vznikají karbonitridy. Termodynamické podmínky krystalizace mohou vést k vyloučení chemicky volného uhlíku, který je pak ve struktuře přítomen jako grafit s šesterečnou mřížkou. Jako teplota tání této fáze se uvádí 3700 - 100 °C. Tvárnost a pevnost grafitu je v porovnání se železem nepatrná. Jak již bylo uvedeno, vzniká grafit též termickým rozkladem cementitu. Tato reakce je známa pod názvem grafitizace a má značný technický význam zejména u litin. Zároveň je dokladem toho, že ve slitinách železa je stabilní formou uhlíku grafit. Vzhledem k tomu, že se uhlík ve slitinách železa vyskytuje jednak chemicky vázaný jako cementit, jednak volný jako grafit, je třeba při studiu uvažovat z termodynamického hlediska dvě soustavy – metastabilní soustavu železo - karbid železa a stabilní soustavu železo - grafit.

9.2 Metastabilní soustava železo - karbid železa Metastabilní soustava má u slitin železa s uhlíkem mnohem větší technický význam nežli soustava stabilní, neboť ukazuje strukturní poměry při krystalizaci ocelí a surového železa a litiny s bílým lomem. Rovnovážný diagram metastabilní soustavy Fe - Fe3C představují obrázky 19 a 20. Sledujme nejprve pro lepší pochopení celé problematiky fázový diagram na obr. 19.

95

Obr. 19. Diagram metastabilní soustavy Fe - Fe3C s fázovým popisem (Skálová a kol., 2008)

Z obecného hlediska se jedná o diagram s překrystalizací s peritektickou, eutektickou a eutektoidní přeměnou, který ukazuje fázové poměry v termodynamické soustavě o složkách Fe a Fe3C. Sleduje se tedy koncentrační rozmezí obsahu uhlíku od 0 % do 6,68 %, což je koncentrace odpovídající vzniku intermediální fáze Fe3C. Uhlík se rozpouští v jednotlivých alotropických modifikacích železa a tvoří výše popsané tuhé roztoky α (ferit), γ (austenit), δ. S rostoucí koncentrací uhlíku se mění teploty fázových přeměn: teplota A4 stoupá, A3 klesá, pole γ se tedy zvětšuje. Tuhý roztok α s nepatrnou rozpustností uhlíku zahrnuje existenční oblast modifikací Fe α a Fe β. Nejnižší teplota existence taveniny je vymezena křivkou likvidu ABCD. V rozsahu koncentrací daných body AB krystalizuje z taveniny tuhý roztok δ, při vyšších koncentracích až do obsahu uhlíku 4,3 % (eutektický bod C) tuhý roztok γ. U nadeutektických slitin vzniká z taveniny primární krystalizací karbid železa Fe3C. Krystalizace je ukončena na teplotě solidu. Tak, jako se s klesající teplotou mění jednotlivé alotropické modifikace železa, mění se i tuhé roztoky ve slitině s uhlíkem: δ překrystalizuje za teplot daných křivkou NH na austenit γ a ten pak podle GOS na ferit α. Z obecných znalostí o fázových poměrech v rovnovážných diagramech vyplývá, že v teplotním rozmezí ohraničeném eutektikálou (ECF) a eutektoidní čarou (PSK) existují při koncentraci uhlíku nad hranicí nasycení austenitu γ

96

(křivka SE) vedle sebe dvě fáze - austenit a cementit. Po rozpadu austenitu na eutektoidní teplotě je konečné fázové složení všech v celém koncentračním rozsahu dáno feritem a cementitem. Uvedený fázový rozbor diagramu je velmi důležitý při řešení základních termodynamických úloh, jako je např. stanovení počtu stupňů volnosti podle Gibbsova fázového pravidla. Pro hodnocení vlastností materiálu však nestačí znát pouze fázové složení – je třeba vědět, jak jsou příslušné fáze uspořádány, jaký je jejich tvar a velikost v určité struktuře. Vlastnosti materiálu jsou vždy odrazem jeho struktury. Jako příklad je možno uvést uspořádání feritu a cementitu ve výsledné struktuře slitin, jejichž fázové poměry vyjadřuje popsaný diagram železo - karbid železa: nízkouhlíková feritická ocel s malým podílem jemné feriticko cementické směsi, vyznačující se nízkou tvrdostí, má stejné fázové složení jako tvrdá a křehká nadeutektická litina, v níž je cementit vyloučen ve formě velkých souvislých strukturních útvarů. Strukturní poměry v metastabilní soustavě železo - karbid železa ukazuje diagram na obr. 20, z něhož je zřejmé rozdělení slitin podle obsahu uhlíku na oceli a litiny. Oceli s obsahem uhlíku do 2,11 % jsou rozděleny eutektoidní koncentrací 0,8 % na podeutektoidní, eutektoidní a nadeutektoidní. Podobně eutektický bod s koncentrací uhlíku 4,3 % rozděluje litiny na podeutektické, eutektické a nadeutektické.

97

Obr. 20. Diagram metastabilní soustavy Fe - Fe3C se strukturním popisem (Skálová a kol., 2008)

Krystalizace a překrystalizace oceli: Pod teplotou likvidu AB a BC (obr. 21) začíná krystalizace taveniny.

98

Obr. 21. Krystalizace a překrystalizace ocelí (Skálová a kol., 2008)

Klesne-li teplota slitiny I (0,05 % C) na teplotu likvidu (bod a1) začne se z taveniny vylučovat tuhý roztok δ, jehož složení se v průběhu dalšího ochlazování mění podle křivky AH. Za teploty odpovídající bodu a2 ztuhnou poslední zbytky taveniny. Pod touto teplotou je homogenní struktura tvořena krystaly tuhého roztoku δ až do bodu a3, kdy začíná jeho překrystalizace na austenit. Při dalším poklesu teploty přibývá austenitu a mění se složení obou tuhých roztoků: δ podle křivky HN, austenitu podle křivky JN. Pod teplotou odpovídající bodu a4 je struktura sledované slitiny opět homogenní tvořená pouze krystaly austenitu. Ten je stabilní fází v intervalu teplot a4 - a5. Za teploty bodu a5 je austenit nasycen železem a začíná překrystalizace na ferit. První krystaly feritu vznikají na hranicích austenitických zrn a mají velmi nízký obsah uhlíku. Jejich rovnovážné složení se mění při poklesu teploty podle křivky GP, složení austenitu pak podle křivky GOS, takže austenit se obohacuje uhlíkem. Při teplotě Curieho přeměny (760 °C - teplota A3) se dosud paramagnetická slitina stává feromagnetickou. Při teplotě A1, která je teplotou eutektoidní přeměny, má ferit složení

99

dané bodem P. Zbylý austenit dosáhl eutektoidní koncentrace (bod S) a je současně nasycen železem i uhlíkem. Vznikající eutekroid, který je směsí feritu a autektoidního cementitu, má metalografický název perlit. Tato struktura má nejčastěji lamelární charakter - obě fáze jsou vyloučeny v podobě střídavě uložených jemných pásků. Poměr množství obou fází v perlitu za eutektoidní teploty udává pákové pravidlo: 6,68 0,80 2.9: < 0,80 0,02 52%2;:9:

Cementit, který je součástí této eutektoidní směsi, se nazývá perlitický cementit. Výsledná struktura sledované slitiny I je tedy směsí feritu a perlitu. Poměr množství obou těchto strukturních složek lze stanovit pákovým pravidlem nebo použitím Sauveurova diagramu (obr. 20). Slitina II (0,12 % C) začíná krystalizovat za teploty dané bodem b1 (obr. 21), kdy se z taveniny vylučují první krystaly tuhého roztoku. V bodě b2 při teplotě peritektické přeměny jsou v rovnováze tři fáze: tuhý roztok δ o složení bodu H, austenit o složení daném bodem J a tavenina o koncentraci bodu B. Za konstantní teploty probíhá peritektická přeměna. Při peritektické přeměně slitiny II se spotřebuje veškerá tavenina, ale zůstane zachováno určité množství tuhého roztoku δ, který se při dalším poklesu teploty v intervalu b2 - b3 přemění na austenit. V teplotním intervalu b3 - b4 je struktura slitiny homogenní, tvoří ji pouze krystaly austenitu. Na teplotě A3 (bod b4) začíná překrystalizace austenitu na ferit. Při eutektoidní teplotě dosáhne zbývající austenit eutektoidní koncentrace (bod S) a dochází k eutektoidnímu rozpadu austenitu na perlit. Výsledná struktura slitiny II je tvořena feritem a perlitem. V porovnání se slitinou I je podíl ve struktuře větší. Slitina III (0,4 % C) začíná tuhnout na teplotě označené bodem c1. Z taveniny krystalizuje tuhý roztok δ až do teploty peritektické přeměny (HJB). Peritektická přeměna probíhá při této koncentraci za přebytku taveniny, která zůstává zachována i pod teplotou

100

danou bodem c2. V teplotním intervalu c2 - c3 krystalizuje z taveniny austenit, jehož složení se mění podle křivky JE. Tavenina pak mění svoje složení podle křivky BC. Při dalším ochlazování sledované slitiny probíhají fázové přeměny podobně jako u slitin I a II, výsledná struktura je opět směsí feritu a perlitu (obr. 21). Z diagramu na tomto obrázku je zřejmé, že krystalizace podeutektoidních ocelí s obsahem uhlíku do 0,51 % začíná vylučováním krystalů tuhého roztoku δ, u ocelí s vyšším obsahem uhlíku vzniká z taveniny přímo austenit. Slitina o koncentraci IV (0,80 % C) představuje ocel eutektoidní. Její krystalizace začíná na teplotě likvidu (bod d1), kdy se z taveniny vylučují první krystaly austenitu. Výsledkem krystalizace v intervalu teplot (d1 - d2) je homogenní struktura tvořená pouze krystaly austenitu. Další přeměna nastává až při teplotě eutektoidní (A1), kdy se austenit rozpadá na perlit. Pod touto teplotou je výsledná struktura oceli čistě perlitická. Slitina V (1,5 % C) je ocelí nadeutektoidní. Její krystalizace začíná na teplotě likvidu (bod e1), kdy se z taveniny vylučují první krystaly austenitu. Výsledkem krystalizace je opět homogenní struktura tvořená pouze krystaly austenitu. Na teplotě dané křivkou SE (bod e3) je austenit uhlíkem nasycen, takže při dalším poklesu teploty se přebytečný uhlík vylučuje jako sekundární (segregační) cementit. Při teplotě dané bodem 6 je v rovnováze austenit o složení bodu 4 a cementit o složení 6,68 % C (bod 5). Při poklesu teploty se dále snižuje rozpustnost uhlíku v austenitu podle křivky SE, až při eutektoidní teplotě dosáhne hodnoty 0,80 % (eutektoidní koncentrace) a austenit se rozpadne na perlit. Pod eutektoidní teplotou je výsledná struktura nadeutektoidní oceli tvořená směsí perlitu a sekundárního cementitu, který tvoří tenké síťoví na hranicích původních austenitických zrn.

Při popisu fázových přeměn v ocelích nebyla dosud uvažována křivka PQ, která udává změnu rozpustnosti uhlíku ve feritu pod eutektoidní teplotou. Z jejího průběhu je zřejmé, že slitiny s nižším obsahem uhlíku než je mezní rozpustnost (0,018 % C) mají za eutektoidní teploty strukturu čistě feritickou. S klesající teplotou se rozpustnost uhlíku zmenšuje a

101

přebytečný uhlík se vylučuje na hranicích feritických zrn jako terciální cementit. Jeho množství je však velmi malé, což odpovídá velmi malému koncentračnímu rozmezí rozpustnosti. K vylučování terciálního cementitu z feritické fáze dochází i u slitin s vyšším obsahem uhlíku, kde se však ukládá k již existujícímu cementitu perlitickému.

9.3 Stabilní soustava železo - grafit Stabilní formou uhlíku ve slitinách Fe - C je grafit. Ve stabilním diagramu, podle něhož krystalizují šedé litiny a surová železa s šedým lomem, jsou tedy složkami železo a grafit. Uvažujeme-li čistě binární slitinu Fe - C, pak bude její krystalizace probíhat podle stabilní soustavy pouze při malých rychlostech ochlazování (vyšší rychlosti vedou ke vzniku metastabilního cementitu). Pouze v binárních slitinách Fe - C je tedy charakter výsledné struktury ovlivněn výhradně rychlostí ochlazování. V technických slitinách železa, které kromě uhlíku obsahují vždy ještě další prvky, má na strukturu významný vliv také chemické složení. Ve slitinách se zvýšeným obsahem prvků podporujících vznik karbidu železa (Mn, Cr) bude i při velmi pomalém ochlazování odpovídat výsledná struktura metastabilní soustavě Fe - Fe3C. Bude-li naopak převládat vliv grafitizačních přísad (Si), proběhnou fázové přeměny stabilní soustavy i při zvýšené rychlosti ochlazování. Rovnovážný diagram stabilní soustavy železo - grafit je na obr. 22. Pro porovnání je čárkovaně do téhož obrázku zakreslen diagram metastabilní soustavy. Základní rozdíl v obou diagramech je ten, že zatímco diagram metastabilní soustavy je ukončen intermediární fází cementitem, vznikajícím při obsahu 6,68 % uhlíku, je nutno rovnovážný diagram stabilní soustavy uvažovat až do 100 % uhlíku. Tuto skutečnost je třeba vzít v úvahu při aplikaci pákového pravidla. V praxi se však diagram stabilní soustavy v celém rozsahu nevyužívá, protože k rozpuštění tak velkého množství uhlíku v roztaveném železe by bylo třeba teplot, kterých obvykle nedosahujeme. Zabýváme se proto jen částí diagramu na straně železa.

102

Ve stabilní soustavě železo - grafit krystalizuje podle větve likvidu AC´ obdobně jako v metastabilní soustavě podle větve AC z taveniny austenit A. Podle větve likvidu D´C´ se však ve stabilní soustavě z taveniny vylučuje primární grafit GI. Při eutektické teplotě E´F´ (1154 °C) vzniká z taveniny grafitové eutektikum GE, které je tvořeno směsí krystalů austenitu A a grafitu GI. Krystalizace grafitového eutektika začíná vyloučením lupínků grafitu. Tavenina se v okolí vyloučeného grafitu ochudí o uhlík, čímž se vytvoří podmínky pro vznik austenitu. Graf spolu s austenitem tvoří eutektické buňky. Prostor mezi lupínky je vyplněn austenitem. Množství, tvar a velikost eutektických buněk významně ovlivňují vlastnosti slitin železa s uhlíkem krystalizujících ve stabilní soustavě - grafitických litin. Obdobně jako v metastabilní soustavě dochází i ve stabilní soustavě k polymorfní přeměně γ - α. I zde s klesající teplotou klesá rozpustnost uhlíku v železe.

Obr. 22. Rovnovážný diagram stabilní soustavy železo – grafit (Skálová a kol., 2008)

Pod čarou GS´ se proto austenit přeměňuje ve ferit F. Podél segregační čáry S´E´ se z austenitu vylučuje sekundární grafit GII. Při eutektoidní teplotě 738 °C vzniká grafitový eutektoid GE tvořený směsí krystalu feritu F a grafitu G. Vzhledem k tomu, že stabilní

103

soustavu musíme uvažovat až do 100 % uhlíku (bod K´), vyplývá pro složení grafitového eutektoidu GE GE z pákového pravidla, že množství feritu k množství grafitu je v grafitovém eutektoidu tak vysoké, že grafitový eutektoid je prakticky feritem. Při ochlazování grafitických litin v praxi však často nebývá ochlazování natolik pomalé, aby veškeré přeměny proběhly proběhly podle stabilní soustavy. Primární krystalizace potom probíhá ve stabilní soustavě, ale přeměny v tuhém stavu často proběhnou úplně nebo zčásti podle soustavy metastabilní. Matrice šedých litin potom nebude tvořena grafitovým eutektoidem tedy v podstatě podstatě feritem, ale perlitem, případně směsí směsí feritu a perlitu.



•

PTÁČEK, L. a kol., kol. 2002. Nauka o materiálu I. Brno: CERM.

•


•


•


•



PTÁČEK, L. a kol., kol., 2003. 2003 Nauka o materiálu II. II. Brno: CERM.

104

OTÁZKY A ÚKOLY 1. Popište význam uhlíku ve slitinách železa. 2. Nakreslete diagram diagram metastabilní soustavy Fe - Fe3C a fázověě ho popište. šte. 3. Vysvětlete krystalizaci a překrystalizaci ocelí. 4. Popište stabilní soustavu železo - grafit.


105

Kapitola 10 - Základy tepelného zpracování ocelí a litin

KLÍČOVÉ POJMY Ocel, litina, tepelné zpracování, chemicko-tepelné chemicko tepelné zpracování, mechanicko mechanicko--tepelné zpracování ocelí


Popsat metody tepelného zpracování zpracování (žíhání, kalení, popouštění)

•

Popsat

metody

chemicko tepelného chemicko-tepelného

zpracování

(cementování,

nitridová nitridování,

boridování) •

Popsat metody mechanicko-tepelného mechani tepelného zpracování zpracování (nízkoteplotní, (nízkoteplotní, vysokoteplotní zpracování, izoforming, zerolling) zerolling


106

VÝKLAD

10.1 Tepelné zpracování slitin železa Tepelným zpracováním se rozumí řízené využívání fázových a strukturních přeměn v tuhém stavu s cílem získat požadované mechanické, technologické či jiné užitné vlastnosti výrobků nebo polotovarů. V průběhu tepelného zpracování se většinou využívá řízených změn teploty (vlastní tepelné zpracování - TZ), změn chemického složení povrcho povrchových vých vrstev a teploty (chemicko-tepelné (chemicko tepelné zpracování - CHTZ) nebo změn teploty a důsledků plastické deformace (mechanicko-tepelné (mechanicko tepelné zpracování - MTZ). Technologie TZ vycházejí z teorie fázových přeměn. Vlastní technologie TZ však zohledňují i konkrétní velikost velikost a tvar zpracovávaných součástí, požadavky na kvalitu povrchu (okujení, oduhličení apod.), rozměrovou a tvarovou stabilitu včetně jejich integrity. V průběhu TZ totiž např. úroveň vnitřních pnutí může dosáhnout takové úrovně, že dochází k plastické deformaci deformaci součástí až ke vzniku trhlin. Žíháním je zpravidla označován způsob TZ, jehož cílem je dosažení rovnovážného strukturního stavu. Naopak při kalení vzniká silně nerovnovážný stav v důsledku martenzitické popř. bainitické bainitické přeměny. Popouštěním se snižuje snižuje stupeň nerovnovážnosti zakaleného stavu. K ohřevu součástí slouží většinou pece nebo lázně. V průmyslových pecích (komorové, vozové, šachtové) se zpravidla pracuje se vzdušnou atmosférou ((elektrické elektrické pece) nebo s atmosférou tvořenou zplodinami hoření (plynové (plynové pece). Vzdušný kyslík v atmosféře pece vede k oxidaci (tvorba okují) a k oduhličování. Aby se potlačily tyto nežádoucí změny v povrchových vrstvách výrobků, výrobků používají se v kusové výrobě různé druhy nátěrů nebo zábalů, v sériové výrobě se používá dokonalejšího dokonalejšího a nákladnějšího způsobu ochrany, jako jsou ochranné atmosféry nebo ohřev ve vakuu. Menší předměty, zpravidla z legovaných ocelí, se ohřívají v lázních roztavených solí (dusičnany a dusitany, chloridy), roztavených kovů (Pb) nebo slitin (Pb-Sn). (Pb Sn).

107

10.1.1 Žíhání Společným znakem četných způsobů žíhání je snaha po dosažení struktur tvořených rovnovážnými fázemi. Pro žíhání je tudíž charakteristická relativně malá ochlazovací rychlost, zpravidla ne vyšší než odpovídá ochlazování na klidném vzduchu. Nejčastějšími cíli žíhání jsou vytvoření homogenní a jemnozrnné struktury o dobré tvárnosti, houževnatosti a často i obrobitelnosti. Vhodným režimem žíhání lze potlačit chemickou heterogenitu, odstranit nežádoucí prvky a snížit úroveň vnitřních pnutí. Některé druhy žíhání jsou zařazovány do technologických postupů jako operace přípravné nebo jako tzv. mezižíhání (např. k usnadnění obrábění, k obnově plasticity při tváření za studena). Žíhání často bývá i konečnou operací TZ, která určuje materiálové vlastnosti výrobku či polotovaru. Pro polymorfní ocele se dělí postupy žíhání podle výšky použité teploty na žíhání bez překrystalizace a na žíhání s překrystalizací.

1. Žíhání bez překrystalizace Jedná se o způsoby žíhání pod teplotou A1 u polymorfních ocelí, kdy dochází k takovým strukturním změnám (koagulace a sferoidizace karbidů, zotavení, rekrystalizace, růst feritických zrn, segregace), kdy rozsah fázových přeměn lze považovat za nevýznamný (s výjimkou rozpouštění terciálního cementitu či jiných minoritních fází). U nepolymorfních vysocelegovaných ocelí se vždy jedná o žíhání bez překrystalizace. S rostoucí teplotou dochází k rozpuštění karbidů a dalších vytvrzujících fází ve feritu nebo v austenitu těchto ocelí. Žíhání na snížení pnutí se provádí s cílem snížit nebo odstranit vnitřní pnutí, která vznikla ve výrobcích při jejich předcházejícím zpracování jako důsledek místního ohřevu, tváření za studena, rozsáhlého třískového opracování nebo nerovnoměrného ochlazování výrobků složitých tvarů a větších rozměrů.

108

Žíhání se provádí při teplotách 500 až 650 °C, kdy ke snížení vnitřních pnutí, která korespondují s pružnou deformací mřížky, dochází lokální plastickou deformací v důsledku dostatečného snížení meze kluzu při uvedených teplotách. Obecně pro všechny způsoby žíhání platí, že prodleva na žíhací teplotě je závislá na její velkosti, v daném případě při teplotách 600 až 650 °C postačuje doba 1 až 2 h. Rekrystalizační žíhání se provádí k odstranění deformačního zpevnění způsobeného předcházejícím tvářením za studena. Žíhací teploty se volí v intervalu 550 °C až 700 °C u polymorfních ocelí, u nepolymorfních ocelí feritických kolem 800 °C a u austenitických ocelí až 1100 °C. Prodleva na teplotě obvykle bývá 1 až 5 h. Teplota a doba rekrystalizačního žíhání jsou výrazně závislé na stupni deformace a požadovaných vlastnostech výrobku. Zpravidla se žíhá tak, aby došlo ke zjemnění zrna. Žíhání na měkko se provádí za účelem snížení tvrdosti a zejména zlepšení obrobitelnosti oceli. Požadovaných změn se dosahuje sferoidizací perlitického i sekundárního cementitu za teplot v oblasti teploty A1. Podeutektoidní oceli se žíhají v intervalu teplot 600 °C až 720 °C po dobu 4 h i více s následným pomalým ochlazováním v peci. Při tomto režimu žíhání dojde ke změně lamelárního perlitu na perlit zrnitý. U nadeutektoidních ocelí a ledeburitických nástrojových ocelí se většinou používá ohřev nad teplotu A1, kdy dochází k rychlé sferoidizaci sekundárních ledeburitických karbidů. Poté následuje velmi pomalé ochlazování přes teplotní interval A1 až asi 600 °C, při kterém vzniká zrnitý eutektoid.

2. Žíhání s překrystalizací Při žíhání s překrystalizací dochází k úplné nebo k téměř úplné přeměně výchozí feriticko-cementitické struktury v austenit. Podeutektoidní oceli se většinou žíhají nad teplotou A3 nadeutektoidní oceli za teplot nad Acm nebo mezi A1 a Acm. Homogenizační žíhání se provádí za účelem zmenšení chemické heterogenity, která vzniká při tuhnutí odlitků a ingotů zejména v důsledku dendritické segregace. Lokální rozdíly v chemickém složení se vyrovnávají difúzí. Teploty homogenizačního žíhání se volí co nejvyšší, obvykle v rozmezí 1100 až 1250 °C, výdrž na teplotě je určena hrubostí

109

struktury a obvykle postačuje 5 až 15 h. Homogenizačním žíháním lze účinně snížit dendritickou segregaci, avšak úroveň pásmového odmíšení se zpravidla výrazně nezmění. Dlouhodobý vysokoteplotní ohřev vede ke značné oxidaci a oduhličení povrchu a ke zhrubnutí austenitických zrn. Jejich zjemnění se dosahuje tvářením za tepla nebo normalizací. Normalizační žíhání se provádí za účelem zjemnění austenitického zrna a ke zrovnoměrnění sekundární struktury. Je vhodné zejména pro uhlíkové a nízkolegované oceli. Zpravidla se normalizují výkovky, svařované předměty a odlitky. U těchto předmětů se zjemňuje hrubá struktura. U podeutektoidních ocelí se provádí ohřev 30 až 50 °C nad A3 s ochlazením na klidném vzduchu, nebo pozvolným ochlazováním v peci, které zabezpečuje nízkou úroveň vnitřních pnutí. Volbou rychlostí ochlazování v oblasti perlitické přeměny lze rozpadem austenitu získat při malém přechlazení struktury hrubší, tvárnější a měkčí, nebo při větším přechlazení pak struktury jemnější, pevnější a tvrdší. U nadeutektoidních ocelí se homogenizačního žíhání používá ojediněle, zpravidla slouží k odstranění síťoví sekundárního cementitu ohřevem mezi A1 až Acm a následným rychlejším ochlazením, kterým se vznik tohoto síťoví potlačí. Izotermické žíhání spočívá v rychlém ochlazení austenitizované oceli na teplotu izotermického rozpadu austenitu v oblasti perlitické přeměny (obvykle 600 až 700 °C) s následným ochlazením na vzduchu po ukončení přeměny. Aplikace tohoto žíhání u slitinových ocelí vede ke zlepšení obrobitelnosti i jakosti obráběného povrchu za současného možného zkrácení doby tepelného zpracování.

10.1.2 Kalení a popouštění Kalením se označují ty způsoby tepelného zpracování, jejichž cílem je dosažení nerovnovážných stavů ocelí. Podle převažující strukturní složky se kalení rozděluje na martenzitické a bainitické, přičemž většinou je cílem kalení zajistit vznik struktury martenzitické.

110

1. Kalitelnost, zakalitelnost a prokalitelnost Při dostatečné rychlosti ochlazování z aistenitizační teploty, kterou ne vždy lze prakticky realizovat u reálných součástí vyrobených zejména z nízkouhlíkových ocelí, lze u převážné většiny ocelí získat martenzitickou strukturu. Schopnost oceli dosáhnout tohoto strukturního stavu nazýváme kalitelnost a odpovídající oceli označujeme jako kalitelné. Mezi nekalitelné oceli se řadí především vysokolegované nepolymorfní oceli s feritickou nebo austenitickou strukturou. K pojmu kalitelnost je účelné zavést další dva pojmy, a to zakalitelnost a prokalitelnost. Zakalitelnost se zpravidla hodnotí tvrdostí oceli po zakalení a její maximální dosažitelná hodnota je určena tvrdostí martenzitu, která závisí především na obsahu uhlíku v austenitu. Zakalitelnost lze určit na jakémkoliv vzorku, který byl ochlazován nadkritickou rychlostí. Kalitelnost a zakalitelnost jsou materiálové charakteristiky a mimo chemického složení oceli jsou závislé na stavu austenitu před kalením (velikost zrna, homogenita, přítomnost minoritních fází). Jako prokalitelnost se označuje schopnost oceli získat po zakalení tvrdost odpovídající její zakalitelnosti (nebo smluvní hodnotě z ní odvozené) v určité hloubce pod povrchem kaleného předmětu. Hodnota prokalitelnosti je určena vztahem mezi kritickou rychlostí kalení a skutečnou rychlostí ochlazování uvažovaného předmětu, která se zvětšuje s rostoucí intenzitou odvodu tepla použitým kalícím prostředím, se zvětšujícím se poměrem povrchu k objemu kalené součásti a se zvyšující se tepelnou vodivostí oceli.

2. Způsoby kalení Volba způsobu kalení závisí zejména na požadovaných vlastnostech kaleného předmětu, jeho velikosti i tvaru a na druhu použité oceli. Při plynulém ochlazování jsou předměty kaleny (ochlazovány) v prostředí o pokojové teplotě. Při přetržitém kalení se používá buď dvou prostředí o pokojové teplotě, ale s rozdílnou ochlazovací intenzitou, nebo teplé lázně. Cílem různých variant přetržitého ochlazování je snížit úroveň vnitřních pnutí a tím omezit deformace kaleného předmětu popř. zabránit vzniku kalících trhlin.

111

Martenzitické kalení do studené lázně je nejjednodušší a nejčastěji používaný způsob kalení. Mezi hlavní přednosti tohoto způsobu kalení patří jeho technologická nenáročnost a relativně nízká cena. Hlavní nedostatky spočívají ve vysoké úrovni vnitřních pnutí, zejména po kalení do vody a následných deformacích až praskání kalených předmětů. Přerušované kalení spočívá v rychlém ochlazování až na teplotu těsně nad Ms, které zabrání perlitické přeměně, poté se předmět přemístí do mírnějšího ochlazovacího media, ve kterém proběhne martenzitická přeměna. Zpravidla se využívají tyto kombinace ochlazovacích prostředí: voda-olej, voda-vzduch nebo olej-vzduch. Lomené kalení vede ke snížení úrovně strukturních pnutí a využívá se zejména u tvarově složitých a rozměrných výrobků, které vyžadují vzhledem k velikým rozměrům vysokou intenzitu ochlazování v oblasti perlitické přeměny, a které často praskají při kalení do studené lázně. Kalení se zmrazováním je postup, kdy zakalený předmět je v co nejkratší době přenesen do prostředí s teplotou pod bodem mrazu (až -196 °C, teplota kapalného dusíku). Jeho cílem je zmenšit podíl zbytkového austenitu ve struktuře. Zmrazování by mělo následovat bezprostředně po zakalení, aby nedošlo ke stabilizaci zbytkového austenitu. Používá se u výrobků, u nichž důležitým požadavkem je rozměrová stabilita (měřidla, nástroje, přesná valivá ložiska) a které se zpravidla vyrábějí z ocelí s teplotou Mf pod bodem mrazu.

3. Popouštění Popuštění se skládá z ohřevu na teploty nižší než A1, výdrže na teplotě a z následujícího ochlazování vhodnou rychlostí. Protože vnitřní pnutí mohou vést k popraskání zakaleného předmětu i po vyjmutí z kalící lázně, mělo by popouštění následovat ihned po zakalení. Podle výšky popouštěcí teploty, která má rozhodující vliv na rozsah strukturních změn a souvisejících změn mechanických vlastností, se rozlišuje popouštění při nízkých a vyšších teplotách.

112

Popouštění při nízkých teplotách (napouštění) se uskutečňuje zpravidla v rozmezí teplot 100 až 300 °C (u vysokolegovaných nástrojových ocelí až asi 600 °C). Jeho cílem je snížit hladinu vnitřních pnutí, zmenšit obsah zbytkového austenitu a stabilizovat rozměry součástí při zachování vysoké tvrdosti. Používá se zejména u nástrojových ocelí, u konstrukčních ocelí je toto popouštění méně časté - valivá ložiska, některé vysocepevné oceli, součásti po cementaci a po povrchovém kalení. Předměty se popouštějí ve vařící vodě, v teplé olejové lázni, v solných lázních, v elektrických pecích atd. Popouštění při vysokých teplotách (anizotermické zušlechťování), obvykle v rozmezí 400 až 650 °C, se používá k dosažení optimální kombinace pevnostních vlastností houževnatosti a plasticity. V určitých oblastech popouštěcích teplot není doprovázen pokles pevnostních charakteristik odpovídajícím zvýšením hodnot houževnatosti. Tento pokles je označován jako popouštěcí křehkost.

10.2 Chemicko-tepelné zpracování Chemicko-tepelné zpracování je difúzní sycení povrchu, kterým je dosaženo rozdílného chemického složení a tím i vlastností jádra a povrchu.

10.2.1 Cementování Je to nejběžnější způsob chemicko-tepelného zpracování. Při cementování se sytí povrch součásti uhlíkem, aby se zvýšila jeho kalitelnost. Účelem je zvýšit obsah uhlíku na 0,8 - 1 %. Tloušťka vrstvy je kolem 1 mm jen výjimečně více. Provádí se u součástí, u kterých potřebujeme tvrdý povrch a houževnaté jádro (ozubená kola, kalibry). Teplota ohřevu je nad teplotu AC3 (880 - 930 °C). Po cementování provádíme kalení a popouštění, abychom zvýšili tvrdost.

113

Prostředí pro cementování: •

Tuhé prostředí - jde o cementování v prášku (směs dřevěného uhlí a uhličitanu bornatého). Předměty se vloží do krabic, zasypou se práškem a provádí se ohřev. Nevýhody jsou špatná regulace, prašnost a pomalost.

•

Kapalné prostředí - jde o cementování v solné lázni (kyanid sodný, draselný a bornatý). Nevýhodou je vysoká jedovatost lázně.

•

Plynné prostředí - jde o cementování pomocí oxidu uhličitého a uhlovodíků. Je to nejpoužívanější způsob, je rychlý a snadno regulovatelný.

10.2.2 Nitridování Je to sycení povrchu součásti dusíkem. Teplota ohřevu je pod teplotou AC1 (470 580 °C). Vzniká velmi tenká a tvrdá povrchová vrstva nitridů, které zvyšují tvrdost, odolnost proti korozi, opotřebení a únavě materiálu. Po nitridování se díky velké tvrdosti nedá dále obrábět, pouze se provádí leštění. Prostředí pro nitridování: •

Kapalné prostředí - jde o nitridování v solné lázni

•

Plynné prostředí - jde o nitridování pomocí čpavku

10.2.3 Boridování Je to sycení povrchu součásti borem. Teplota ohřevu je nad teplotou AC3. Zvyšuje se trvanlivost nástrojů a odolnost proti otěru a zadírání.

10.3 Mechanicko-tepelné zpracování Vlastnosti ocelí je možné zlepšit kombinovaným účinkem tváření a tepelného zpracování – mechanicko-tepelným zpracováním (MTZ). Tvářením austenitu může dojít k

114

podstatnému zjemnění jeho zrna, tedy i produkty jeho následujících přeměn budou jemnější. Dalším důsledkem tváření je zvýšená hustota dislokací v austenitu, které přecházejí do produktů přeměny austenitu, popř. modifikují i kinetiku a mechanismus jeho přeměn. Mezi nejznámější postupy MTZ patří tyto technologické varianty: •

Nízkoteplotní mechanicko-tepelné zpracování (NMTZ)

•

Vysokoteplotní mechanicko-tepelné zpracování izoforming (VMTZ)

•

Řízené válcování

•

Zerolling vedoucí k transformačně indukované plasticitě - TRIP efekt.

NMTZ spočívá v austenitizaci nad teplotu AC3, v prudkém ochlazení do oblasti metastabilního austenitu (asi 500 °C až 600 °C), kde se ocel plasticky deformuje zpravidla kováním nebo válcováním a poté následuje kalení.

Obr. 23. Průběh vysokoteplotního (čárkovaně) a nízkoteplotního mechanicko-tepelného zpracování (Chotěborský, 2006)

NMTZ lze použít u ocelí s širokou oblastí metastabilního austenitu, je však technologicky náročné zajistit prudké ochlazení na tvářecí teplotu a udržet podmínky tváření

115

tak, aby nedošlo k perlitické či bainitické přeměně. Technologické problémy sebou nese i vysoký přetvárný odpor spojený s nízkou tvářecí teplotou. Při VMTZ se ocel tváří nad teplotu AC3, tedy v oblasti stabilního asutenitu, přičemž stupeň deformace se pohybuje v rozmezí 40 až 90 %. Po tváření následuje kalení. VMTZ lze použít i u uhlíkových ocelí s tím, že limitujícím faktorem pro zlepšení vlastností ocelí je proces rekrystalizace. Úplná rekrystalizace je nežádoucí, protože by došlo ke ztrátě deformačního zpevnění. Polotovary nebo součásti po VMTZ a NMTZ se zpravidla popouštějí při teplotách 200 až 300 °C a výsledná struktura je tvořena velmi jemným popuštěným martenzitem. Izoforming je kombinace izotermické perlitické přeměny a deformace, přičemž se může uskutečnit před nebo v průběhu uvedené přeměny. Izoforming vede ke zjemnění a k částečné sferoidizaci perlitu, jehož mechanické vlastnosti jsou lepší než u perlitu získaného izotermickým žíháním. Po ohřevu na asutenitizační teplotu následuje ochlazení na teplotu "perlitického nosu" křivky počátku přeměny v diagramu IRA. Při této teplotě je ocel tvářena nejen před počátkem rozpadu, ale i během celé přeměny metastabilního asutenitu na perlit.

Obr. 24. Schéma průběhu izoformingu (T-tváření) (Chotěborský, 2006)

Řízené válcování a ochlazování je variantou MTZ, která se používá zejména při válcování mikrolegovaných svařitelných ocelí. Válcovací i doválcovací teplotou a velikostí

116

úběru lze řídit procesy dynamické a statické statické rekrystalizace austenitu. Vhodně zvolenou rychlostí ochlazování austenitu z doválcovací teploty lze ovlivnit transformaci jemnozrnného austenitu na tzv. acikulární (jehlicovitý) ferit anebo na ferit a perlit s výhodnou kombinací pevnosti a ostatních mechanických mechanických vlastností. Teplotou svinování lze ovládat i úroveň precipitačního zpevnění plechů z mikrolegovaných ocelích. Zerolling se uplatňuje u vysocelegovaných ocelí se strukturou metastabilního austenitu, jehož teplota M5 leží pod pokojovou teplotou. Plastická Plastická deformace austenitu usnadňuje vznik zárodků martenzitu, což se projeví zvýšením teploty počátku martenzitické přeměny na teplotu Md. V intervalu teplot Md - M5 (Md > M5) se plastické deformace využívá k přeměně asutenitu na martenzit. Tato přeměna přeměna vede ke zvýšení hodnot meze kluzu, při malé ztrátě houževnatosti a ke značnému zvýšení plasticity (transformačně indukovaná plasticita - TRIP). Tento efekt souvisí s potlačení lokalizací lokalizac plastické deformace v důsledku transformačního zpevnění.



•


•


•


•

PLUHAŘ J.,, 1989. Nauka o materiálech – Celostátní učebnice pro sku PLUHAŘ, skupinu pinu studijních oborů Strojírenství a ostatní kovodělná výroba. výroba. 1. vyd. Praha: Praha SNTL,, 549 s.

117

•




OTÁZKY A ÚKOLY 1. Vysvětlete pojem tepelné zpracování slitin železa. 2. Popište proces žíhání a vysvětlete rozdíl mezi žíháním s a bez překrystalizace. 3. Popište pojmy kalitelnost, zakalitelnost a prokalitelnost. 4. Popište proces popouštění. 5. Vysvětlete princip chemicko-tepelného chemicko tepelného zpracování, popište cementování, nitridování. 6. V čem spočívá princip mechanicko-tepelného mechanicko tepelného zpracování? 7. Popište princip zerollingu.


118

Kapitola 11 - Označování ocelí

KLÍČOVÉ POJMY Uhlíkové a slitinové oceli, žáropevné, žáruvzdorné a korozivzdorné oceli, nástrojové oceli

CÍLE KAPITOLY Po prostudování této kapitoly bude student umět: •

Popsat označování označování ocelí z různých hledisek

•

Popsat vlastnosti vlastnosti jednotlivých tříd ocelí

•

Vysvětlit rozdíl mezi žáropevnými, žáruvzdornými žáruvzdornými a korozivzdornými oceli

•

Charakterizovat nástrojové oceli Charakterizovat


VÝKLAD

11.1 Systémy označování ocelí Technické slitiny železa se nejobecněji dělí na oceli a litiny nebo na slitiny železa určené k tváření a slitiny slitin železa určené k výrobě odlitků. Ke tváření se až na výjimky používají

119

oceli. Z hlediska technické praxe je důležité rozdělení slitin železa podle technických norem. České normy, které jsou v souladu s evropskými předpisy, mají označení ČSN EN a číslo příslušné evropské normy. Pro označování ocelí se používá jednak zkráceného označování (EN 10027-1), jednak systém číselného označování (EN 10027-2). Čísla a písmena značek ocelí jsou volena tak, aby vyjadřovala základní charakteristické znaky (oblast použití, mechanické, fyzikální vlastnosti nebo chemické složení).

11.1.1 Systém zkráceného označování V systému zkráceného označování ocelí se používají dva typy značek ocelí: •

Značky ocelí vytvořené podle jejich použití a mechanických nebo fyzikálních vlastností

•

Značky ocelí vytvořené na základě jejich chemického složení.

Stavba značek vytvořených na základě použití a mechanických a fyzikálních vlastností: Značka je tvořena třemi skupinami znaků (X) a číslic (n) nejčastěji podle následujícího schématu: 1. skupina

2. skupina

(G) X

nnn(n)

3.a skupina X (X)

3.b skupina (X) n

1. skupina znaků obsahuje velká písmena. Symbol G se používá k označení ocelí na odlitky, druhý symbol označuje použití výrobku. 2. skupina označuje nejčastěji mez kluzu nebo pevnosti, popř. tvrdost. U plechů a pásů pro elektrotechniku se udává stonásobek nejvyšších ztrát. U plochých výrobků ke tváření za studena skupina D udává 2. Skupina znaků způsob válcování a prvním znakem je písmeno, následující dva znaky jsou číslice.

120

3.a skupina znaků udává dodatečné vlastnosti (houževnatost, chemické složení, způsob výroby a tepelného zpracování, svařitelnost aj.). 3.b skupina znaků souvisí zejména s použitím oceli.

Stavba značek vytvořených na základě chemického složení oceli: Podle uvedeného způsobu značení se rozdělují na oceli nelegované a legované. Nelegované oceli jsou oceli s obsahem Mn do 1 %. Legované oceli se rozdělují na: •

Oceli s obsahem Mn rovným nebo vyšším než 1 % a legované oceli do 5 % legujících prvků

•

Vysokolegované oceli kromě rychlořezných

•

Rychlořezné oceli

Značka nelegovaných ocelí je tvořena dle schématu: 1. skupina

2. skupina

3. skupina

(G) X

nnn

a...n-n

První znak G označuje opět oceli na odlitky. Značení nelegovaných ocelí s obsahem manganu pod 1%: Značka se skládá z písmene C a čísla udávajícího stonásobek předepsané střední hodnoty obsahu uhlíku, třetí skupina znaků udává obsah síry, druh polotovaru aj. (C60 - nelegovaná ocel se středním obsahem uhlíku 0,6 %). Značení nelegovaných ocelí s obsahem manganu nad 1 % a legované oceli do 5 % legujících prvků:

121

Z první skupiny znaků se využívá pouze G pro ocele na odlitky, druhá skupina znaků udává stonásobek středního obsahu uhlíku, třetí skupina znaků udává chemické značky legujících prvků a střední obsahy příslušných prvků po vynásobení uvedeného čísla koeficienty:

Prvek

Koeficient

Cr, Co, Mn, Ni, Si, W

4

Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr

10

Ce, N, P, S

100

B

1000

Čísla udávající střední obsahy legur se oddělují pomlčkami a jsou zaokrouhlena na nejbližší vyšší číslo. 10CrMo 9-10 je ocel se středním obsahem C = 0,10 %, Cr = 3 %, Mo = 0,1 % 17CrNi 6-6 je ocel se středním obsahem C = 0,17 %, Cr = 1,5 %, Ni = 1,5 %

Značení vysocelegovaných ocelí vyjma rychlořezných s obsahem jednoho legujícího prvku vyšším než je 5 % je podobná předcházející skupině, kde první písmeno je X, druhá skupina znaků udává stonásobek obsahu uhlíku a třetí skupina obsahuje značky legur a čísel udávajících střední obsah zaokrouhlený na nejbližší vyšší číslo a jsou oddělena pomlčkami. X2CrNiMo 17-13-2 je ocel s C = 0,02 %, Cr = 17 %, Ni = 13% a Mo = 2 %

Rychlořezné oceli mají dvě skupiny znaků, z nichž první je HS a druhá skupina udává obsah legujících prvků v následujícím pořadí: W-Mo-V-Co. HS 10-4-3-10 je rychlořezná ocel se středním obsahem W= 10 %, Mo= 4 %, V= 3 %, Co= 10 %

122

11.1.2 Systém číselného označování (EN 10027-2) Stavba čísel ocelí:

1.nnn(nn)

První číslo před tečkou je hlavní číslo skupiny materiálu 1 = ocel. První dvojčíslí za tečkou udává číslo skupiny materiálu. Další dvojčíslí udává pořadové číslo oceli ve skupině. Čísla v závorkách jsou připravena pro budoucí použití.

11.2 Konstrukční ocele Při volbě konstrukčních materiálů jsou rozhodujícím kritériem mechanické vlastnosti, které odpovídají buď tepelně nezpracovanému stavu, nebo jich může být dosaženo vhodným tepelným zpracováním. Podle provozních podmínek je nutno v některých případech uvažovat také další vlastnosti, např. korozní odolnost, odolnost proti opotřebení, mechanické vlastnosti za vyšších nebo nízkých teplot a pod. Také technologické vlastnosti mohou mít významný vliv při výběru materiálu, neboť každou součást požadovaného tvaru je třeba vhodnou technologií vyrobit v dobré jakosti s co možná nejnižšími náklady.

K výrobě součástí strojů a zařízení se užívá konstrukčních ocelí převážně tvářených, menší podíl tvoří ocelové odlitky. Převážnou část z celkové produkce ocelí tvoří ocele obvyklých jakostí třídy 10 a 11, které se jako běžné konstrukční materiály používají nejčastěji ve stavu tepelně nezpracovaném, žíhaném nebo normalizovaném. Oceli obvyklých jakostí nemívají zaručeno v hotovém výrobku předepsané chemické složení, čímž se liší od ocelí ušlechtilých, u nichž toto složení zaručeno je. Mimoto mívají ušlechtilé oceli menší obsah fosforu a síry. Uhlíkové i slitinové ušlechtilé oceli se většinou používají po tepelném zpracování.

123

Ušlechtilé konstrukční oceli jsou buď uhlíkové - oceli třídy 12, nebo slitinové - oceli třídy 13 až 16, nebo slitinové oceli s vysokým obsahem přísadových prvků třídy 17.

Třídy 13 až 16 jsou rozlišeny podle legujících prvků takto: Třída 13: Mn, Si, Mn - Si Třída 14: Cr, Mn - Cr, Si - Cr, Cr - Al, Cr - Mn - Si Třída 15: Cr - Mn, Cr - V, Mn - Cr - Mo, Mn - Cr - V, Cr - Mo - V, Cr - Mo - Al Třída 16: Ni, Cr - Ni, Cr - Ni - Mo, Ni - Cr - W Oceli třídy 17 jsou:

Korozivzdorné Žáruvzdorné Žárupevné Speciální

Konstrukční slitinové oceli jsou poměrně drahé materiály, k jejichž výrobě se používá mnohdy deficitních přísad. Proto se při návrhu konstrukční oceli vychází vždy od ocelí uhlíkových a teprve v těch případech, kde tyto oceli požadovaným hodnotám nevyhovují, navrhují se oceli nízkolegované a v nejnáročnějších případech vysokolegované.

11.2.1 Konstrukční oceli obvyklých jakostí Oceli obvyklých jakostí jsou většinou uhlíkové oceli s vyšším obsahem síry a fosforu, některé z nich mohou mít poněkud zvýšený obsah manganu, případně mohou obsahovat určité množství chromu, mědi apod. Tyto oceli se zpravidla u spotřebitele tepelně nezpracovávají s výjimkou event. tepelného zpracování po svařování.

124

Pro běžné konstrukční účely ve stavebnictví a ve stavbě strojů a zařízení se většinou používá tvářených ocelí obvyklých jakostí třídy 10 a 11. Velmi důležitou vlastností těchto materiálů je jejich svařitelnost. Oceli třídy 10 představují nejlevnější druhy ocelí pro hromadnou spotřebu. Užívají se nejčastěji na mostní a jeřábové konstrukce a pro účely stavební. Mají většinou nízký obsah uhlíku, stupeň čistoty a chemické složení se nezaručuje. Zpracovávají se většinou tvářením za tepla, mají vesměs dobrou svařitelnost i obrobitelnost. U některých druhů se poněkud zvyšuje obsah Mn a Cr (pro zvýšení pevnosti) nebo Cu (pro zvýšení korozní odolnosti). S ohledem na ostatní vlastnosti nelze tyto druhy počítat mezi ocele slitinové. Používá se jich ve stavu tepelně nezpracovaném. Zaručenými vlastnostmi jsou pevnost v tahu, tažnost a nelámavost za studena i za červeného žáru. Mechanické hodnoty jsou vztaženy ke stavu nežíhanému. Nejběžnější z těchto ocelí jsou oceli řady 00 (ocel obchodní jakosti), u nichž se nezaručuje ani přesná hodnota pevnosti (obvykle nepřesahuje 500 MPa). Další řady mají zaručenou pevnost v tahu, která vzrůstá s obsahem uhlíku za současného poklesu tvárnosti. Patří sem také oceli pro kolejnice (10 500, 10 650). Oceli třídy 11 jsou konstrukční oceli, které mají zaručený stupeň čistoty (přípustný obsah P a S). Mají zaručenou pevnost v tahu, mez kluzu, tažnost a také nelámavost za studena a za červeného žáru. Z ocelí těchto jakostí se vyrábějí důležité polotovary jako jsou bezešvé trubky, kotlové plechy a plechy tloušťky pod 3 mm pro tažení. Oceli třídy 11 jsou důležitým konstrukčním materiálem a počet jejich druhů s ohledem na rozmanitost požadovaných vlastností je značný. Používají se ve stavu normalizačně žíhaném, někdy se ještě dále tepelně zpracovávají. Oceli třídy 11 se vyrábějí do obsahu uhlíku asi 0,65 %. Jejich vlastnosti jsou odstupňovány podle obsahu uhlíku od nejmenší pevnosti v normalizačně vyžíhaném stavu 340 MPa (ocel 11 340) do 900 MPa (ocel 11 901). Úměrně s pevností roste i tvrdost a odolnost proti opotřebení a klesá tažnost, kontrakce, vrubová houževnatost a tvárnost. Na obsahu uhlíku závisí i svařitelnost a kalitelnost. Dobře svařitelné jsou oceli řad 34, 37 a 42. Ocelí s vyšší pevností (řady 50, 60, 70) se užívá pro namáhané strojní součásti. Tyto oceli je

125

možno zušlechťovat. Oceli řady 70, 80, 90 jsou vhodné také pro jednoduché nástroje (kladiva, protahovací trny, jednoduché zápustky). Nejběžnějšími ocelemi pro strojní součásti jsou zušlechtitelné oceli s obsahem uhlíku 0,03 % s minimální pevností v normalizačně vyžíhaném stavu 500 MPa (11 500).

11.2.2 Konstrukční ocele ušlechtilé Ušlechtilé oceli jsou uhlíkové a slitinové oceli, které mají ve srovnání s ocelemi obvyklé jakosti větší čistotu, zaručené chemické složení a stejnoměrnější a lepší vlastnosti. To vše je zaručeno výběrem surovin, dokonalejším způsobem výroby a důkladnější kontrolou. Výsledné vlastnosti ušlechtilých ocelí se zaručují ve větším rozsahu než u ocelí obvyklých jakostí, což vyžaduje většinou vhodné tepelné zpracování. Ušlechtilé konstrukční oceli představují skupinu velmi důležitých materiálů, jejichž vlastností je třeba plně využít vhodným zpracováním. Jejich cena je pochopitelně vyšší než u ocelí běžné jakosti, což souvisí jednak se způsobem výroby, jednak s přísadami. Jejich použití je tedy opodstatněné pouze v těch případech, kdy nelze požadovaných vlastností výrobků dosáhnout ocelemi uhlíkovými nebo ocelemi úsporněji legovanými. Pojmem ušlechtilé oceli se označují jednak uhlíkové oceli třídy 12, jednak slitinové oceli třídy 13 až 16 s celkovým obsahem přísadových prvků nejvýše okolo 6 %. Mezi konstrukční slitinové ocele patří i oceli třídy 17, obsahující většinou více než 10 % přísadových prvků. Většina přísadových prvků ve slitinových ocelích má mnohostranný vliv. Je-li v oceli přítomno větší množství přísadových prvků, je jejich vzájemné působení značně složité. Obecně platí, že s rostoucím množstvím přísadového prvku klesá jeho poměrný účinek. Nejúčinnější jsou tedy malá množství legujících prvků. Hlavní cíle, které se legováním ocelí sledují, jsou u jednotlivých tříd ocelí různé. U konstrukčních slitinových ocelí třídy 13 až 16 pro práci v běžných podmínkách se jedná většinou o ovlivnění pochodů kalení a popouštění a získání určitých mechanických vlastností.

126

Proto je třeba posuzovat oprávněnost volby slitinové oceli a vhodnost určitého typu legování především z této stránky. S ohledem na výrazný vliv uhlíku na vlastnosti oceli se posuzují odděleně slitinové oceli s malým obsahem uhlíku (max. do 0,25 %), které jsou vhodné k cementování, a oceli s větším obsahem uhlíku (většinou nad 0,35 %), které se zpravidla zušlechťují.

1. Oceli cementační Pro cementaci se užívá ocelí s nízkým obsahem uhlíku (do 0,2 %), a to jak ocelí uhlíkových, tak i slitinových. Volba ocele se řídí požadovanou tvrdostí povrchové vrstvy a pevností jádra pro tepelné zpracování. Použití slitinových ocelí je oprávněné při požadavku vysoké pevnosti i vysoké vrubové houževnatosti jádra, vyšší tvrdosti povrchové vrstvy nebo při větší tloušťce stěny cementované součásti s většími tloušťkami stěn. Z uhlíkových ocelí jsou pro cementaci vhodné především ušlechtilé konstrukční oceli 12 010 a 12 020 se středním obsahem uhlíku 0,1 nebo 0,18 %. Pro méně důležité součásti vyráběné tvářením nebo svařováním se užívá také ocelí tř. 11. Po tepelném zpracování se dosahuje tvrdého povrchu a houževnatého jádra, jehož tvrdost se příliš neliší od tvrdosti ocelí v normalizovaném stavu. S ohledem na nízký obsah uhlíku jsou tvárné i za studena a dobře svařitelné. Pevnost jádra je však poměrně nízká. Chromové nebo chrommanganové ocele třídy 14 mají větší pevnost jádra i tvrdost vrstvy než ocele uhlíkové. Vrubová houževnatost a tažnost je však menší. Používají se pro tvarově složitější součásti, kde se požaduje vyšší pevnost jádra, než mají uhlíkové ocele. Chromniklové ocele se užívají pro nejvíce namáhané součásti, od nichž se požaduje nejvyšší spolehlivost. Přísada niklu nebo niklu a chromu zlepšuje u těchto ocelí třídy 16 mechanické vlastnosti v celém průřezu a zvyšuje prokalitelnost. Dalšího zlepšení vlastností tohoto typu ocelí lze dosáhnout přísadou silného karbidotvorného prvku (W, Mo). Ocele tohoto druhu (16 720 a 16 521) představují materiál s nejlepšími mechanickými vlastnostmi.

127

2. Oceli k zušlechťování Zušlechtěním, tj. kalením a popouštěním, lze získat nejvhodnější kombinaci pevnosti a houževnatosti. Konstrukční oceli k zušlechťování mají zpravidla obsah uhlíku nad 0,3 %. Vliv přísad se projeví výrazně teprve v zušlechtěném stavu, kdy se zejména zvyšuje poměr meze kluzu k mezi pevnosti. Změna vlastností se týká jen omezeného průřezu v závislosti na prokalitelnosti oceli. Hlavním důvodem volby slitinových ocelí k zušlechťování je dosažení požadovaných mechanických vlastností v celém průřezu součásti, tedy určitá prokalitelnost. Uhlíkové ocele mají malou prokalitelnost a zušlechtilé jsou proto jenom malé průřezy. Tam kde nepostačuje uhlíková ocel, je nutno uvažovat podle povahy namáhání o výběru oceli od třídy 13 do 16. Dalším důvodem pro volbu slitinové oceli může být požadavek snížení teploty přechodu ke křehkému lomu a zjemnění zrna oceli (přísada V, Nb, Mo), dosažení pomalého a plynulého poklesu vrubové houževnatosti až do velmi nízkých teplot (Ni), potlačení vývoje popouštěcí křehkosti (Mo, W), dosažení rovnoměrných vlastností v celém průřezu a malé citlivosti vůči přehřátí (zejména Ni). V souladu se snahami o zvyšování výkonových parametrů a snižování hmotnosti strojů se v poslední době věnuje pozornost především vývoji ocelí o velmi vysokých pevnostech (nad 1500 MPa). Vedle základních pevnostních hodnot se stávají důležitým kritériem volby materiálu další charakteristiky, jako např. poměr meze pevnosti, resp. meze kluzu k měrné hmotnosti. Tento poměr je významným ukazatelem při volbě materiálu pro součásti pohybových mechanismů, namáhané setrvačnými silami, pro namáhané letecké konstrukce atd. V oblasti vysoce pevných ocelí představují další možnosti oceli tepelně mechanicky zpracované a martenziticky vytvrditelné oceli, které přinášejí další zvýšení pevnosti bez zhoršení plastických vlastností a houževnatosti. Martenzitický vytvrditelné oceli patří k nejpevnějším kovovým slitinám vůbec. Jedná se o vysokolegované oceli s celkovým obsahem přísad asi do 35 % a s velmi malým obsahem uhlíku (nejvýše 0,03 %). Základní přísadou je nikl, dále jsou to Co, Mo, Ti, Al, Cr. Vzhledem k

128

vysokému obsahu přísad vzniká i při ochlazování z austenitizační teploty na vzduchu nízkouhlíkový martenzit o pevnosti do 1 000 MPa, který je houževnatý a ještě dobře obrobitelný. Při následujícím vytvrzování (450 až 500 °C) se vylučují z přesyceného tuhého roztoku intermediální fáze přísadových prvků a pevnost těchto ocelí vzrůstá až na 3 000 MPa. Cennou vlastností těchto ocelí je vzhledem k nízkému obsahu uhlíku svařitelnost a nepatrné deformace, které vznikají v průběhu vytvrzování.

11.2.3 Oceli a slitiny se zvláštními vlastnostmi Oceli se zvláštními vlastnostmi jsou konstrukční materiály určené pro práci za zvláštních podmínek. Vedle mechanických hodnot se u nich sledují i jiné vlastnosti (odolnost proti korozi, okujení, opotřebení, magnetické vlastnosti, elektrické vlastnosti atd.). Někdy jsou tyto vlastnosti dokonce rozhodující. Nejvýznamnější skupinu těchto materiálů představují tvářené slitinové oceli s vysokým obsahem přísadových prvků (třída 17). Význačné mechanické vlastnosti, které se projevují za vysokých a za nízkých teplot, nebo některé význačné vlastnosti fyzikální či chemické vykazují však i některé nízkolegované a střednělegované konstrukční oceli ve třídách 13 až 16.

1. Korozivzdorné a žáruvzdorné oceli a slitiny Odolnost proti korozi je schopnost materiálu odolávat chemickému působení prostředí. Tato vlastnost je velmi důležitá zejména u těch druhů materiálů, kterých se užívá v chemicky aktivním prostředí. Zvýšená teplota korozní děje většinou urychluje. Zvláštním případem koroze je oxidace za vysokých teplot, která se projevuje vznikem okují. Oceli podléhají poměrně snadno korozi atmosférické, korodují ve vodě i jiných prostředích. Korozní odolnost ocelí lze zlepšit přísadou některých prvků, především chromu. Korozivzdorné oceli obsahují minimálně 11,5 % Cr v tuhém roztoku. Další přísady zvyšují korozní odolnost v některých prostředích (Mo, Cu), potlačují náchylnost k mezikrystalové korozi (Ti, Nb) nebo současně zvyšují mechanické vlastnosti.

129

Žáruvzdorné oceli jsou proti oxidaci v plynné atmosféře při teplotách nad 600 °C. Žáruvzdornost je závislá na vlastnostech vrstvy oxidů vznikajících na povrchu kovu v určitém prostředí při určité teplotě. Souvislá vrstva dobře lpící na povrchu zabraňuje další oxidaci. Takové vlastnosti mají oxidy Cr2O3, jejichž ochranný charakter se s rostoucím obsahem Cr zvyšuje. Základní legurou žáruvzdorných ocelí je tedy opět Cr, a to v množství 6 až 30 %, případně v kombinaci s Ni a dalšími prvky.

2. Žárupevné oceli a slitiny Některé strojní součásti jsou při zatížení vystaveny působení vysokých teplot, aniž dochází k podstatným rozměrovým a tvarovým změnám. V těchto podmínkách vysokoteplotního creepu by mohla přispět k porušení i vysokoteplotní oxidace a koroze. Žárupevné materiály musí tedy být v oblasti pracovních teplot zároveň žáruvzdorné. Kromě žárupevnosti rozhodují o volbě materiálu pro určitou součást pracující za tepla, obvykle i další požadované vlastnosti, zejména odolnost proti únavě za tepla a vhodné vlastnosti technologické, např. svařitelnost. Při použití materiálu za zvýšených teplot dochází k poklesu pevnostních hodnot a k tečení materiálu při konstantním zatížení za vyšších teplot (creep). Jako žárupevné kovové materiály se označují kovy a slitiny se zaručenými, dostatečně vysokými hodnotami meze tečení. Jsou to jednak žárupevné oceli, jednak slitiny hlavně na bázi niklu nebo kobaltu a některé kovy (W, Mo). Volba vhodného materiálu závisí především na výšce pracovní teploty: Do 400 °C: uhlíkové oceli s obsahem uhlíku do 0,2 % (12 021). Jsou svařitelné a tvárné, výhodné jsou i cenově. Do 560 °C: nízkolegované feriticko-perlitické oceli (Cr, Mo, W, V) - např. 15 110, 15 224. Jsou svařitelné a žáruvzdorné do teploty 570 °C. Do 600 °C: chromové oceli s vyšším obsahem chromu a dalšími legurami (W, Mo, V) např. 17 132, 17 126. Jsou korozivzdorné a žáruvzdorné, mají horší svařitelnost.

130

Do 700 °C: austenitické nevytvrditelné oceli (17 247) a austenitické komplexně legované vytvrditelné oceli (17 341, 17 332, 17 335). Jsou to oceli stabilizované nebo s nízkým obsahem C. Mají horší svařitelnost, komplexně legované typy jsou obtížně tvářitelné a obrobitelné. Do 850 °C: niklové slitiny typu nimonic (AKN 21, AKN 30). Nejsou tvářitelné, obrobitelnost je špatná. Některé typy jsou použitelné až do teploty 1 000 °C. Do 1 000 °C: legované kobaltové slitiny. Jsou špatně obrobitelné. Nad 1 000 °C: kovokeramické materiály s TiC, Ni a Co. Mají malou houževnatost, jsou velmi křehké.

Konstrukční keramika na bázi Al2O3 nebo SiC s nízkou houževnatostí je použitelná až do teplot 1400 °C. Slitiny na bázi vysokotavitelných kovů (W, Mo, Ta), použitelné až do 2000 °C, je třeba s ohledem na malou žáruvzdornost chránit proti koroznímu prostředí. Nevýhodou žárupevných materiálů pro vysoké teploty je jejich křehkost. Tak např. kovokeramické materiály, tzv. cermety, vyráběné slinováním teplotně stálých karbidů a oxidů s kovovou žárupevnou matricí se uplatňují pro nepatrnou houževnatost na strojní části jen zcela omezeně. V posledních letech se věnuje velká pozornost konstrukční keramice na bázi Al2O3 nebo SiC. Dalším sledovaným problémem je ochrana povrchu proti vysokoteplotní oxidaci a korozi, kde nacházejí uplatnění plazmové technologie (nástřiky Co, Cr, Al aj.). Jako perspektivní materiály pro práci za vysokých teplot se jeví některé materiály kompozitní.

11.3 Nástrojové oceli Při výrobě součástí požadovaného tvaru mají velký význam nástroje, jejichž vlastnosti ovlivňují jak výrobní proces, tak i kvalitu vlastního výrobku. Proto se na materiály nástrojů kladou vysoké požadavky (vysoká tvrdost, pevnost, dostatečná houževnatost, stálost vlastností za tepla, odolnost proti opotřebení atd.). Optimální kombinace vlastností určitého

131

nástroje s ohledem na jeho namáhání je možno dosáhnout správnou volbou materiálu a tepelným zpracováním. Nástrojových ocelí se užívá též k výrobě pomocných zařízení jako jsou upínací přípravky, vodící lišty apod., neboť tato zařízení musí mít určitou tvrdost a odolnost proti opotřebení. Nástrojovým ocelím je vyhrazena třída 19, kde se podle chemického složení rozlišují oceli uhlíkové, slitinové a rychlořezné. Samostatnou skupinu ve třídě 19 tvoří slitinové oceli na lité nástroje. Základním požadavkem kladeným na nástrojové materiály je vysoká tvrdost (nad 60 HRC). Oceli proto ve většině případů obsahují větší množství uhlíku (nad 0,6 %). Výjimkou jsou cementační oceli, používané k výrobě nástrojů pro tváření, které mají houževnaté jádro a tvrdý povrch po cementaci. Zvětšením obsahu uhlíku nad 0,8 % tvrdost oceli po zakalení sice nevzrůstá, přesto se však často užívá i ocelí nadeutektoidních, neboť karbidy přítomné ve struktuře zvyšují odolnost proti opotřebení. Houževnatost je však nižší. U řezných nástrojů přesných tvarů a rozměrů nelze připustit objemové změny a pnutí spojené s rozpadem zbytkového austenitu, a proto se jeho obsah snižuje zmrazováním. Životnost nástroje je ovlivněna také jakostí povrchu, jehož úprava (nitridování, chromování, povlakování pomocí plazmatických technologií aj.) může životnost prodloužit.

11.3.1 Uhlíkové nástrojové oceli Většina uhlíkových nástrojových ocelí má obsah uhlíku od 0,7 do 1,5 %. Mangan se přitom udržuje do 0,4 % a křemíku bývá max. 0,35 %. Uhlíkových ocelí se užívá na výrobu nástrojů, které nejsou vystaveny vlivu vyšších teplot: pro méně namáhané řezné nástroje (nože, frézy, vrtáky), pro nástroje namáhané rázem (oceli s nižším obsahem uhlíku) a na ruční nástroje a nářadí. Oceli s nejnižším obsahem uhlíku (0,55 až 0,7 %) s relativně dobrou kovatelností a malými objemovými změnami při kalení jsou vhodné i pro výrobu nástrojů velkých rozměrů.

132

Prokalitelnost uhlíkových nástrojových ocelí zvyšují již poměrně malá množství Mn, Si a Cr. Obsah těchto prvků musí být nízký zejména v případě drobných nástrojů, kde je potřebná vyšší houževnatost a prokalení v jádře nástroje je nežádoucí. Nástroje z uhlíkových ocelí mají většinou martenzitickou strukturu jen v povrchové vrstvě, jádro je tvořeno jemným perlitem.

11.3.2 Slitinové nástrojové oceli U řezných nástrojů pracujících při vysokých řezných rychlostech a u nástrojů pro tváření za tepla musí být zaručena stálost vlastností za tepla. Tento požadavek uhlíkové oceli nesplňují. Nedají se použít ani pro velmi namáhané nástroje větších rozměrů a složitých tvarů, neboť nemají dostatečnou prokalitelnost. Teplota, kterou může dlouhodobě snášet nástroj z uhlíkové oceli bez poklesu tvrdosti, je kolem 150 až 200 °C. Vhodnými přísadami lze požadované vlastnosti zajistit a pozitivně ovlivnit i další vlastnosti jako houževnatost, odolnost proti teplené únavě, rozměrovou stálost atd. Slitinové oceli na nástroje se dělí na oceli na nástroje pracující za studena a na nástroje pracující za tepla. Hlavními legurami ve slitinových nástrojových ocelích jsou prvky, které tvoří tvrdé karbidy stálé za vysokých teplot (Cr, Mo, W, V). Tím se zvyšuje nejen tvrdost oceli, ale také odolnost proti popouštění a stálost břitu za vysokých teplot. Celkové množství přísad bývá 3 až 5 % v některých zápustkových ocelích i vyšší. Vlivem přísad se u těchto ocelí snižuje eutektoidní koncentrace i maximální rozpustnost uhlíku v austenitu, proto se ve struktuře objevuje ledeburit, i když je obsah uhlíku nižší než udává rovnovážný diagram.

133

11.3.3 Rychlořezné oceli Slitinové oceli s vyšší odolností proti popuštění umožnily určité zvýšení pracovních Slitinové parametrů při obrábění. Podstatné zvýšení umožnili však teprve rychlořezné oceli a slinuté karbidy. Rychlořezné oceli vynikají stabilitou vlastností za tepla, neboť až do 650 °C nedochází k poklesu tvrdosti a zhoršení řezných vlastností. vlastností. Obsahují 0,7 až 1,3 % C a jsou legovány W, Cr, V, příp. i Co v celkovém množství nad 20 %. Klasické složení představuje 18 % W, 4 % Cr a 1 % V při 0,8 % C. Ve struktuře mají více než 25 % vysoce stabilních karbidů. Dalšího zlepšení řezných vlastností vlastností se dosahuje přísadou Co do 10 %, příp. náhradou části W molybdenem. Vlivem účinku vysokého obsahu přísadových prvků je rozpustnost uhlíku v rychlořezných ocelích jen asi do 0,7 %. Proto mají většinou ledeburitickou strukturu.




•


•

FREMUNT, P. a T. PODRÁBSKÝ, 1996. 1996 Konstrukční oceli.. Brno: CERM.

•


•

PLUHAŘ J.,, 1989. Nauka o materiálech – Celostátní učebnice pro skupinu studijních PLUHAŘ, oborů Strojírenství Strojírenství a ostatní kovodělná výroba. výroba. 1. vyd. Praha: Praha SNTL,, 549 s.

•


134



OTÁZKY A ÚKOLY 1. Charakterizujte konstrukční ocele. 2. Popište vlastnosti cementačních ocelí a ocelí k zušlechťování. 3. Charakterizujte korozivzdorné, žáruvzdorné a žárupevné oceli. 4. Vysvětlete význam nástrojových ocelí ve výrobním procese. 5. Popište rozdělení nástrojových ocelí podle chemického složení a charakterizujte jednotlivé typy nástrojových ocelí.


135

Kapitola 12 - Neželezné kovy a jejich slitiny

KLÍČOVÉ POJMY Cín, olovo, měkké pájky, kompozice, zinek, zine hliník, měď, měď

CÍLE KAPITOLY Po prostudování prostudován této kapitoly bude student umět: um •

Charakterizovat jednotlivé neželezné kovy a jejich slitiny

•

Popsat význam měkkých pájek a kompozic

•

Definovat rozdíl mezi mosazí a bronzem Definovat


VÝKLAD

12.1 Měď a její slitiny Měď není korozně napadána v celé řadě roztoků, které nepůsobí oxidačně. V roztocích, které obsahují kyslík, dochází ke korozi mědi kyslíkovou depolarizací. Je proto obtížné určit jednoznačně odolnost mědi v kyselém prostředí.

136

Za přítomnosti volného kyslíku odolává měď jen slabým roztokům kyselin, jako je kyselina fluorovodíková, solná, sírová, fosforečná a octová. Za nepřítomnosti vzduchu odolává měď i silným roztokům těchto kyselin. V kyselině dusičné se však velmi snadno rozpouští, nepříznivě na ni působí oxidační látky, jako persírany, kyselina chromová apod. Také roztoky rtuťových solí měď napadají. Z plynů působí na měď např. volný chlor. Z alkálií, které měď většinou nerozpouštějí, působí na měď intenzívně čpavek. Nepříznivě na měď působí také síra a sirné sloučeniny, které ji poměrně snadno korodují. Proto použije-li se měď na vodiče kryté ochranným gumovým obalem, je nutno měděné dráty cínovat. Velmi důležité je, že při působení koroze neklesá mez únavy mědi na rozdíl od většiny ostatních kovů. V technické praxi se používá několik druhů mědi, které se liší především způsobem rafinace. Rozlišujeme hlavně měď hutnicky rafinovanou a elektrolyticky rafinovanou. Podle čistoty a použití se měď dělí na měď elektrovodnou E Cu 99,9 %, měď vhodnou pro svařování 99,85 % a 99,75 %. Další druhy mědi mají čistotu nižší 99,5 % popřípadě 99,2 %. Měď hutnicky rafinovaná je vyrobena buď ze starého materiálu nebo je vyrobena z rud. Ve srovnání s předešlou mědí E Cu 99,9 % je méně čistá. Vedle těchto normovaných druhů lze v současné době získat pro zvláštní účely měď o čistotě až 99,999 %.

12.1.1 Slitiny mědi se zinkem Binární rovnovážný diagram Cu - Zn (Obr. 25.) je velmi komplikovaný. Pro technickou praxi má však význam jen oblast bohatá na měď až po 50 % Zn a slitiny bohaté zinkem na straně zinku obsahující 4 až 5 % Cu. V kapalném stavu jsou oba kovy měď a zinek dokonale rozpustné. V tuhém stavu je rozpustnost obou kovů omezena. Liquidus skládající se ze šesti větví soustavně klesá od mědi k zinku. Během krystalizace vzniká celkem šest různých fází označených α, β, γ, δ, ε, η. Jednofázové slitiny jsou tvořeny tuhým roztokem α a mohou obsahovat maximálně 39 % Zn. Pevnost mosazí roste až do koncentrace 45 % Zn, kdy převládá fáze β. Vyšší obsah zinku vede k poklesu tvárnosti a pevnosti, a tudíž nemá žádný praktický význam.

137

Obr. 25. Soustava Cu – Zn (Chotěborský, 2006)

1. Mosazi Mosazi pro tváření mají od 5 do 42 % Zn, mohou tedy být homogenní i heterogenní. Jsou zařazeny v materiálových listech ČSN 42 32 xx. Kromě označení číslem se používá také označení Ms doplněnou číslicí, která udává obsah mědi. Mosazi s vyšším obsahem mědi než je 80 % nazýváme Tombaky. Tombaky mají dobrou odolnost proti korozi a velmi dobrou tvárnost. Mosazi s obsahem mědi 68 až 70 % mají nejlepší tvárnost, proto se používají k hlubokému tažení nábojnic, hudebních nástrojů aj. Mosazi obsahující 20 až 40 % Zn tvářené za studena jsou náchylné ke korozi ve vlhké atmosféře při spolupůsobení vnitřního pnutí. Mosazi s obsahem mědi 58 % a přísadou olova jsou tzv. šroubové mosazi. Mosazi pro odlitky mají obvyklý obsah mědi 58 až 63 % a jsou tedy heterogenní. Vyznačují se dobrou zabíhavostí a malým sklonem k odměšování. Mají však velké smrštění.

138

Zvláštní mosazi obsahují kromě zinku přísady dalších kovů zlepšujících vlastnosti. Mosazi s cínem mají výborné akustické vlastnosti, s niklem mají vysokou odolnost proti korozi, s hliníkem jsou vhodné na armatury či ventilová sedla. Zvláštní mosazi s teplotou tavení vyšší než 500 °C patří k tzv. tvrdým pájkám.

2. Bronzy Slitiny mědi s cínem se běžně nazývají cínové bronzy. Název bronz však není jednoznačně vymezen. Cínový bronz je slitina mědi a cínu, v níž Cu + Sn je nejméně 99,3 %. Je-li cín nahrazen úplně jiným kovem, pak bronz dostává název podle tohoto kovu. Cínové bronzy pro tváření jsou homogenní a obsahují do 9 % Sn. Cín stejně jako u mosazí zinek zvyšuje mechanické vlastnosti. Cínové bronzy pro odlévání jsou používány častěji než cínové bronzy pro tváření. Obsahují 10 až 12 % Sn a jsou tedy heterogenní. Mají dobrou pevnost a houževnatost, značnou odolnost proti korozi a výborné třecí vlastnosti. Červené bronzy jsou termální slitiny Cu - Sn - Zn. Vzhledem k nižšímu obsahu cínu je jejich cena nižší. Používají se na odlitky armatur, součásti čerpadel apod. Hliníkové bronzy jsou slitiny Cu - Al s přísadou hliníku až 12 %, jejich charakteristickou vlastností je dobrá žáruvzdornost do 800 °C a vysoká odolnost proti korozi. Jsou to tvrdé slitiny mající dobrou odolnost proti opotřebení a mají dobré kluzné vlastnosti. Křemíkové bronzy se používají jako náhrada za drahé cínové bronzy. Mají větší pevnost a širší teplotní oblast použití.

12.2 Hliník a slitiny hliníku Slitiny hliníku patří vedle ocelí k nejpoužívanějším konstrukčním materiálům. Surovinou pro výrobu hliníku je minerál bauxit, v čistém stavu oxid hlinitý. Z taveniny tohoto oxidu ve směsi s kryolitem se elektrolyticky získává kovový hliník. K přednostem hliníkových

139

slitin lze počítat zejména nízkou měrnou hmotnost a poměrně dobrou pevnost, což znamená, že měrné pevnostní charakteristiky některých slitin hliníku jsou srovnatelné s obdobnými charakteristikami ocelí. Hliník technické čistoty se zpracovává na plechy, tyče a dráty, zejména se pak používá jako elektrovodný materiál.

12.2.1 Slitiny hliníku Slitiny hliníku mají na rozdíl od čistého hliníku podstatně lepší mechanické vlastnosti. Proto ve stále větší míře se uplatňují v konstrukci vedle klasických materiálů dosavadních včetně ocelí. Výrazně se tato dominující převaha hliníku a jeho slitin projevuje v letecké výrobě a v ostatní výrobě dopravních prostředků. Obvykle se slitiny hliníku dělí do dvou základních skupin a to na slitiny pro tváření a na slitiny pro odlévání. Společné pro obě skupiny je, že se v obou skupinách objevují stejné přísadové prvky a že některých slitin, které stojí na hranicích mezi oběma skupinami, můžeme použít jak pro tváření tak i pro odlévání. Teprve slitiny, které se svým složením výrazně odlišují v obou základních skupinách, můžeme pokládat za typické. Slitiny pro tváření bývají obvykle slitiny, které jsou aspoň za vyšších teplot tvořeny homogenním tuhým roztokem, za nižších teplot se následkem změny rozpustnosti objevuje v jejich struktuře další fáze, většinou sloučeniny vzniklé segregací. Slitiny pro odlévání bývají většinou slitiny s větším obsahem přísad, jsou heterogenní a v jejich struktuře se objevuje eutektikum. Takové slitiny jsou méně tvárné a se stoupajícím množstvím eutektika postupně svoji tvárnost, zvláště při vyšších teplotách, ztrácejí. Takové slitiny mají však výborné slévárenské vlastnosti, jsou dobře zabíhavé, jejich zabíhavost se zvětšuje se zvětšujícím se objemem eutektika. Vedle slitin eutektických mívají většinou slévárenské slitiny jen 15 až 20 obj. % eutektika.

140

Hliník se dobře slévá s četnými kovy a tvoří mnoho významných slitin lišících se výrazně vlastnostmi. Slitiny hliníku, používané v technické praxi, jsou téměř vždy slitiny komplexní, je však možné je odvodit z několika základních binárních nebo ternárních slitin. Základní binární slitiny jsou soustavy Al - Cu, Al - Mg, Al - Mn, Al - Si, Al - Zn. V těchto soustavách tvoří hliník s příslušnými komponentami substituční tuhý roztok α, který je při dobré tvárnosti a houževnatosti pevnější a tvrdší než čistý hliník. Rozsah rozpustnosti je u různých soustav rozdílný a ve všech případech se s klesající teplotou zmenšuje. Rovnovážné diagramy jsou vesměs na straně hliníku jednoduchého eutektického typu. Při větší koncentraci přísady jsou však komplikovány intermediálními fázemi (Cu, Mg, Mn) nebo jsou to jednoduché diagramy s omezenou vzájemnou rozpustností obou komponent v tuhém stavu (Si). Za výchozí ternární slitiny hliníku lze považovat soustavy Al - Cu - Mg, Al - Cu - Si, Al Cu - Ni, Al - Cu - Zn, Al - Mg - Si, Al - Mg - Mn, Al - Zn - Mg a další. Komplexní slitiny jsou většinou odvozeny ze základních binárních a ternárních slitin hliníku. V základní hmotě tvárného a houževnatého tuhého roztoku jsou uloženy další fáze, které u většiny soustav jsou tvořeny tuhými a křehkými chemickými sloučeninami hliníku s přísadovými prvky a často vzájemnými sloučeninami přísadových prvků. Proto se struktury jednotlivých slitin vzájemně od sebe liší a jsou strukturně různě komplikované. Další komplikací jsou různé nerovnovážné fáze tvořící se při vytvrzování v průběhu stárnutí, které však při metalografickém rozboru nejsou obvykle zjistitelné. Slitiny Al - Cu - Mg představují nejvíce používané materiály s vysokou pevností. Jsou to zejména duraly AlCu4Mg, AlCu4Mg1 a AlCu4Mg1Mn, které dosahují značné pevnosti po vytvrzení (Rm až 530 MPa). Dural AlCu2Mg se zvýšenou tvárností v důsledku menšího obsahu mědi je určen pro nýty. Slitiny Al - Si - X (Mg, Cu, Mn, Ti, Zn, Ni) nazýváme siluminy. Binární siluminy Al - Si se dělí na podeutektické (pod 11,7 % Si), eutektické (kolem 11,7 % Si) a nadeutektické (11,7 až 24 % Si). Nejlepší slévárenské vlastnosti mají eutektické siluminy. Speciální siluminy obsahují

141

vedle hliníku a křemíku ještě navíc jiné prvky (Mg, Cu, atd.), které se přidávají pro zlepšení mechanických vlastností binárních siluminů.

12.3 Cín Obvyklou modifikací cínu je cín β krystalizující v soustavě čtverečné plošně centrované. Tato modifikace je stálá až po teplotu 13,2 °C. Protože však překrystalizační schopnost cínu β je jen malá, dochází k překrystalizaci až za značného přechlazení. Přechlazení cínu β je zvětšováno některými přísadami, popř. k přeměně vůbec nedochází. Nejúčinnější je v tomto směru bizmut. Už přísada 0,1 % Bi stačí k úplnému potlačení přeměny. Rovněž antimon a olovo ji zabrzďují. Poněkud méně účinné jsou zlato, stříbro a nikl. Naproti tomu zinek, hliník, hořčík, kobalt a telur ji podporují. Prakticky to má malý význam, neboť tyto kovy nejsou v obchodních jakostech cínu přítomny. Modifikace cínu α je šedý prášek, který krystalizuje v kubické soustavě s diamantovým uspořádáním, jeho hustota je jen 5,76 kg.dm-3, což svědčí o objemových změnách souvisejících s přeměnou cínu β v cín α. Modifikace α je v technické praxi téměř neznámá a nemá praktického významu, vyjímaje ovšem případy, kdy přeměna cínu β ohrožuje cínové výrobky. Jde o tzv. cínový mor, který za hlubokých mrazů napadal varhanové píšťaly.

12.4 Olovo Olovo patří k nejstarším kovům, se kterými se člověk setkal. Je to měkký, těžký kov modrošedé barvy. Krystalizuje v soustavě kubické plošně centrované. Mechanické vlastnosti olova závisejí na jeho čistotě a na podmínkách zkoušky, neboť čisté olovo za normální teploty je nad rekrystalizační teplotou a už při malých zatíženích intenzívně teče. Protože rekrystalizační teplota olova leží pod normální teplotou, olovo tvářené za studena rekrystalizuje za poměrně krátkou dobu i za normální teploty. Rekrystalizace při

142

normální teplotě zhoršuje možnosti správného určení pevnostních hodnot. Při pomalém průběhu zkoušky se olovo zpevňuje jen nepatrně, protože vzápětí rekrystalizuje. Olovo k dalšímu zpracování se dodává ponejvíce ve tvaru housek s různou čistotou, která závisí na způsobu rafinace olova a na účelu použití. Olovo s nejvyšší čistotou 99,99 % až 99,95 % je užíváno na výrobu tzv. tvrdého olova (s přísadou Sb) pro akumulátory, na pláště kabelů, na trubky a plechy pro kyselinovzdorné vyložení v chemickém průmyslu. Méně čistého druhu olova 99,9 % se užívá na výrobu pájek, kompozic, kabelových plášťů apod.

12.4.1 Měkké pájky Měkké pájky jsou slitinami olova a cínu s nízkou teplotou tavení a dobrou schopností spájet některé kovy a slitiny. Měkké pájky jsou vhodné na pájení mědi, slitin mědi, zinku, olova, oceli a některých dalších kovů a slitin. Podmínkou dobré přilnavosti je ovšem kovově čistý povrch spájených kovů. Binární soustava olovo cín je poměrně jednoduchá. Za eutektické teploty 183 °C se rozpouští v olovu maximální množství cínu a to 19 %. Za normální teploty se rozpustnost zmenšuje na minimální hodnotu. Jednotlivé technicky důležité slitiny (pájky) pokrývají všechny oblasti rovnovážného diagramu. Pájky s nízkým obsahem cínu do 30 % se používají na různé klempířské práce. Výplňovým materiálem při povrchových úpravách karosérií bývají pájky s obsahem cínu pod 20 %. Takové pájky jsou hůře tavitelné, proto se při pájení ohřívají plamenem. Pájky s vyšším obsahem cínu až do 90 % se při pájení ohřívají měděným pájedlem. Nejlépe zatékají a také nejpevnější jsou pájky asi 62 % cínu, tedy pájky odpovídající eutektické slitině. Pájky s vyšším obsahem cínu jsou poměrně drahé. Používá se jich jen na jemné práce nebo na pájení namáhaných součástí, jako jsou např. chladiče pro motorová vozidla.

143

12.4.2 Kompozice Kluzná ložiska jsou obvykle tvořeny nosnou ocelovou nebo litinovou pánví, na které je nalitím a seříznutím nanesena tenká vrstva kompozice tloušťky 0,1 až 0,5 mm. Dosahuje se tak větší únosnosti a životnosti ložiska. Od materiálu kompozice se žádá pevnost v tlaku, tvrdost, odolnost proti opotřebení, únavě, korozi, zadírání, dobré kluzné vlastnosti, tepelná vodivost, malá teplotní roztažnost, dobrá slévatelnost. Olověné kompozice jsou slitiny soustavy Pb - Sb - Sn. Obsah antimonu bývá v rozmezí 6 až 15 %, cínu 6 až 16 %, mědi do 2 % popřípadě niklu nebo arzénu do 1 %. Zlepšují strukturu slitiny i její vlastnosti. Měď tvoří s cínem intermetalid Cu6Sn5, vylučuje se z taveniny jako primární fáze tvořící kostru, která přispívá k tvrdosti kompozice a zabraňuje gravitačnímu odměšování hmotných krystalů fáze β. Jako poslední tuhne matrice tvořená eutektickou směsí fází α + β. Cínové kompozice jsou slitiny soustavy Sn - Sb obsahující 5 až 11 % Sb. Přísada mědi je 3 až 6 % a vytváří jehlicovou kostru intermetalidu Cu6Sn5, ve které jsou rovnoměrně zadržovány krystaly tvrdé fáze SnSb. Cínové kompozice jsou drahé slitiny a jsou proto určeny jen pro velmi náročné podmínky funkce. S přísadou niklu jsou vhodné pro ložiska rychloběžných motorů.

12.5 Zinek Velmi nepříznivou vlastností zinku je jeho tečení za normální teploty. Tvářený a vyžíhaný zinek teče velmi zvolna již při zatížení asi 20 MPa. Rychlost tečení za vyšších teplot se značně zvětšuje, naopak je tím menší, čím má zinek hrubší krystalickou stavbu. Litý zinek není za studena tvárný, jeho tvárnost se však značně zlepšuje již při teplotě asi 100 °C, kdy kluz probíhá ve více kluzných rovinách. Počáteční tváření z litého stavu je proto třeba provádět nad touto teplotou v rozmezí asi 100 až 150 °C. Další tváření je možné již za studena.

144

Charakteristickou vlastností zinku je jeho dobrá slévatelnost. slévatelnost Odlitků dlitků z čistého zinku, které mají velmi dobrý povrch, se však používá jen málo pro špatné mechanické vlastnosti. Některé organické látky jako benzín, olej, alkohol, zinek nerozrušují. Rozrušuje jej destilovaná voda a velmi nepříznivě na něj působí vodní pára, kyseliny a zásady. zásady Avšak slabým zásaditým roztokům mýdla a vody zinek odolává. Poměrně velmi snadno se zinek rozrušuje elektrochemickou korozí za vlhka ve styku s jinými kovy. Použití zinku jako technického kovu je velmi značné. Nejvíce zinku se spotřebuje otřebuje na pozinkování kovů především oceli a na výrobu slitin. Ze slitin jsou to v prvé řad řadě ě slitiny pro lití pod tlakem. Zbývající část zinku se spotřebovává jednak ve stavu tvářeném jako plechy, pásky a dráty, jednak jako zinkový prach a zinkové sloučeniny sloučeniny (zinková běloba).



•


•


•


•


•




145

OTÁZKY A ÚKOLY 1. Popište význam měkkých pájek a kompozic. 2. Popište rozdíl mezi mosazí a bronzem. 3. Charakterizujte vlastnosti mědi, hliníku a jejich slitin. 4. Vysvětlete pojem cínový mor. 5. Charakterizujte vlastnosti zinku a jeho použití v technické praxi.


146

Kapitola 13 - Kovové materiály pro výrobu částí výrobních strojů

KLÍČOVÉ POJMY Konstrukční oceli, cementační oceli, oceli k zušlechťování, oceli na odlitky, oceli se zvláštními vlastnostmi


Charakterizovat konstrukční oceli třídy 10 a 11

•

Popsat význam cementačních cementačních ocelí a ocelí k zušlechťování

•

Charakterizovat vlastnosti ocelí na odlitky Charakterizovat

•

Popsat využití ocelí se zvláštními zvláštními vlastnostmi v technické praxi


147

VÝKLAD

13.1 Konstrukční oceli K výrobě součástí strojů a zařízení se užívá konstrukčních ocelí převážně tvářených, menší podíl tvoří ocelové odlitky. Převážnou část z celkové produkce ocelí tvoří oceli obvyklých jakostí třídy 10 a 11, které se jako běžné konstrukční materiály používají nejčastěji ve stavu tepelně nezpracovaném, žíhaném nebo normalizovaném. Konstrukční slitinové oceli jsou poměrně drahé materiály, k jejichž výrobě se používá p mnohdy deficitních přísad. Proto se při návrhu konstrukční oceli vychází vždy od ocelí uhlíkových a teprve v těch případech, kde tyto oceli požadovaným hodnotám nevyhovují, navrhují se oceli nízkolegované a v nejnáročnějších případech vysokolegované vysokolegované. Pro běžné konstrukční účely ve stavebnictví a ve stavbě strojů a zařízení se většinou používá tvářených ocelí obvyklých jakostí třídy 10 a 11. Velmi důležitou vlastností těchto materiálů je jejich svařitelnost. Oceli třídy 10 představují nejlevnější druhy druhy ocelí pro hromadnou spotřebu. Užívají se nejčastěji na mostní a jeřábové konstrukce a pro účely stavební. Mají většinou nízký obsah uhlíku, stupeň čistoty a chemické složení se nezaručuje. Zpracovávají se většinou tvářením za tepla, mají vesměs dobrou svařitelnost i obrobitelnost. U některých druhů se poněkud zvyšuje obsah Mn a Cr (pro zvýšení pevnosti) nebo Cu (pro zvýšení korozní odolnosti). S ohledem na ostatní vlastnosti nelze tyto druhy počítat mezi ocele slitinové. Používá se jich ve stavu tepelně nezpracovaném. Zaručenými vlastnostmi jsou pevnost v tahu, tažnost a nelámavost za studena i za červeného žáru. Mechanické hodnoty jsou vztaženy ke stavu nežíhanému. Nejběžnější z těchto ocelí jsou oceli řady 00 (ocel obchodní jakosti), u nichž se nezaručuje ani přesná hodnota pevnosti (obvykle nepřesahuje 500 MPa). Další řady mají nezaručuje zaručenou pevnost v tahu, která vzrůstá s obsahem uhlíku za současného poklesu tvárnosti. Patří sem také oceli pro kolejnice (10 500, 10 650).

148

Oceli třídy 11 jsou konstrukční oceli, které mají zaručený stupeň čistoty (přípustný obsah P a S). Mají zaručenou pevnost v tahu, mez kluzu, tažnost a také nelámavost za studena a za červeného žáru. Z ocelí těchto jakostí se vyrábějí důležité polotovary jako jsou bezešvé trubky, kotlové plechy a plechy tloušťky pod 3 mm pro tažení. Oceli třídy 11 jsou důležitým konstrukčním materiálem a počet jejich druhů s ohledem na rozmanitost požadovaných vlastností je značný. Používají se ve stavu normalizačně žíhaném, někdy se ještě dále tepelně zpracovávají. Oceli třídy 11 se vyrábějí do obsahu uhlíku asi 0,65 %. Jejich vlastnosti jsou odstupňovány podle obsahu uhlíku od nejmenší pevnosti v normalizačně vyžíhaném stavu 340 MPa (ocel 11 340) do 900 MPa (ocel 11 901). Úměrně s pevností roste i tvrdost a odolnost proti opotřebení a klesá tažnost, kontrakce, vrubová houževnatost a tvárnost. Na obsahu uhlíku závisí i svařitelnost a kalitelnost. Dobře svařitelné jsou oceli řad 34, 37 a 42. Ocelí s vyšší pevností (řady 50, 60, 70) se užívá pro namáhané strojní součásti. Tyto oceli je možno zušlechťovat. Oceli řady 70, 80, 90 jsou vhodné také pro jednoduché nástroje (kladiva, protahovací trny, jednoduché zápustky). Nejběžnějšími ocelemi pro strojní součásti jsou zušlechtitelné oceli s obsahem uhlíku 0,03 % s minimální pevností v normalizačně vyžíhaném stavu 500 MPa (11 500). S ohledem na výrazný vliv uhlíku na vlastnosti oceli se posuzují odděleně slitinové oceli s malým obsahem uhlíku (max. do 0,25 %), které jsou vhodné k cementování, a oceli s větším obsahem uhlíku (většinou nad 0,35 %), které se zpravidla zušlechťují.

1. Oceli cementační Pro cementaci se užívá ocelí s nízkým obsahem uhlíku (do 0,2 %), a to jak ocelí uhlíkových tak i slitinových. Volba oceli se řídí požadovanou tvrdostí povrchové vrstvy a pevností jádra pro tepelné zpracování. Použití slitinových ocelí je oprávněné při požadavku vysoké pevnosti i vysoké vrubové houževnatosti jádra, vyšší tvrdosti povrchové vrstvy nebo při větší tloušťce stěny cementované součásti s většími tloušťkami stěn.

149

Z uhlíkových ocelí jsou pro cementaci vhodné především ušlechtilé konstrukční oceli 12 010 a 12 020 se středním obsahem uhlíku 0,1 nebo 0,18 %. Pro méně důležité součásti vyráběné tvářením nebo svařováním se užívá také ocelí tř. 11. Po tepelném zpracování se dosahuje tvrdého povrchu a houževnatého jádra, jehož tvrdost se příliš neliší od tvrdosti ocelí v normalizovaném stavu. S ohledem na nízký obsah uhlíku jsou tvárné i za studena a dobře svařitelné. Pevnost jádra je však poměrně nízká. Chromové nebo chrommanganové oceli třídy 14 mají větší pevnost jádra i tvrdost vrstvy než oceli uhlíkové. Vrubová houževnatost a tažnost je však menší. Používají se pro tvarově složitější součásti, kde se požaduje vyšší pevnost jádra než mají uhlíkové oceli. Chromniklové oceli se užívají pro nejvíce namáhané součásti, od nichž se požaduje nejvyšší spolehlivost. Přísada niklu nebo niklu a chromu zlepšuje u těchto ocelí třídy 16 mechanické vlastnosti v celém průřezu a zvyšuje prokalitelnost. Dalšího zlepšení vlastností tohoto typu ocelí lze dosáhnout přísadou silného karbidotvorného prvku (W, Mo). Oceli tohto druhu (16 720 a 16 521) představují materiál s nejlepšími mechanickými vlastnostmi.

2. Oceli k zušlechťování Zušlechtěním, tj. kalením a popouštěním, lze získat nejvhodnější kombinaci pevnosti a houževnatosti. Konstrukční oceli k zušlechťování mají zpravidla obsah uhlíku nad 0,3 %. Vliv přísad se projeví výrazně teprve v zušlechtěném stavu, kdy se zejména zvyšuje poměr meze kluzu k mezi pevnosti. Změna vlastností se týká jen omezeného průřezu, a to v závislosti na prokalitelnosti oceli. Hlavním důvodem volby slitinových ocelí k zušlechťování je dosažení požadovaných mechanických vlastností v celém průřezu součásti, tedy určitá prokalitelnost. Uhlíkové oceli mají malou prokalitelnost a zušlechtilé jsou proto jenom malé průřezy. Tam kde nepostačuje uhlíková ocel, je nutno uvažovat podle povahy namáhání o výběru oceli od třídy 13 do 16. Dalším důvodem pro volbu slitinové oceli může být požadavek snížení teploty přechodu ke křehkému lomu a zjemnění zrna oceli (přísada V, Nb, Mo), dosažení pomalého a plynulého poklesu vrubové houževnatosti až do velmi nízkých teplot (Ni), potlačení vývoje

150

popouštěcí křehkosti (Mo, W), dosažení rovnoměrných vlastností v celém průřezu a malé citlivosti vůči přehřátí (zejména Ni). V souladu se snahami o zvyšování výkonových parametrů a snižování hmotnosti strojů se v poslední době věnuje pozornost především vývoji ocelí o velmi vysokých pevnostech (nad 1500 MPa). Vedle základních pevnostních hodnot se stávají důležitým kritériem volby materiálu další charakteristiky, jako např. poměr meze pevnosti, resp. meze kluzu ke měrné hmotnosti. Tento poměr je významným ukazatelem při volbě materiálu pro součásti pohybových mechanismů, namáhané setrvačnými silami, pro namáhané letecké konstrukce atd. V oblasti vysoce pevných ocelí představují další možnosti oceli tepelně mechanicky zpracované a martenziticky vytvrditelné oceli, které přinášejí další zvýšení pevnosti bez zhoršení plastických vlastností a houževnatosti. Martenziticky vytvrditelné oceli patří k nejpevnějším kovovým slitinám vůbec. Jedná se o vysokolegované oceli s celkovým obsahem přísad asi do 35 % a s velmi malým obsahem uhlíku (nejvýše 0,03 %). Základní přísadou je nikl, dále jsou to Co, Mo, Ti, Al, Cr. Vzhledem k vysokému obsahu přísad vzniká i při ochlazování z austenitizační teploty na vzduchu nízkouhlíkový martenzit o pevnosti do 1 000 MPa, který je houževnatý a ještě dobře obrobitelný. Při následujícím vytvrzování (450 až 500 °C) se vylučují z přesyceného tuhého roztoku intermediální fáze přísadových prvků a pevnost těchto ocelí vzrůstá až na 3 000 MPa. Cennou vlastností těchto ocelí je vzhledem k nízkému obsahu uhlíku svařitelnost a nepatrné deformace, které vznikají v průběhu vytvrzování.

13.2 Oceli a slitiny se zvláštními vlastnostmi Oceli se zvláštními vlastnostmi jsou konstrukční materiály určené pro práci za zvláštních podmínek. Vedle mechanických hodnot se u nich sledují i jiné vlastnosti (odolnost proti korozi, okujení, opotřebení, magnetické vlastnosti, elektrické vlastnosti atd.). Někdy jsou tyto vlastnosti dokonce rozhodující. Nejvýznamnější skupinu těchto materiálů představují tvářené slitinové oceli s vysokým obsahem přísadových prvků (třída 17).

151

Význačné mechanické vlastnosti, které se projevují za vysokých a za nízkých teplot nebo některé význačné vlastnosti fyzikální či chemické vykazují však i některé nízkolegované a střednělegované konstrukční oceli ve třídách 13 až 16.

1. Korozivzdorné a žáruvzdorné oceli a slitiny Odolnost proti korozi je schopnost materiálu odolávat chemickému působení prostředí. Tato vlastnost je velmi důležitá zejména u těch druhů materiálů, kterých se užívá v chemicky aktivním prostředí. Zvýšená teplota korozní děje většinou urychluje. Zvláštním případem koroze je oxidace za vysokých teplot, která se projevuje vznikem okují. Oceli podléhají poměrně snadno korozi atmosférické, korodují ve vodě i jiných prostředích. Korozní odolnost ocelí lze zlepšit přísadou některých prvků, především chromu. Korozivzdorné oceli obsahují minimálně 11,5 % Cr v tuhém roztoku. Další přísady zvyšují korozní odolnost v některých prostředích (Mo, Cu), potlačují náchylnost k mezikrystalové korozi (Ti, Nb) nebo současně zvyšují mechanické vlastnosti. Žáruvzdorné oceli jsou proti oxidaci v plynné atmosféře při teplotách nad 600 °C. Žáruvzdornost je závislá na vlastnostech vrstvy oxidů vznikajících na povrchu kovu v určitém prostředí při určité teplotě. Souvislá vrstva dobře lpící na povrchu zabraňuje další oxidaci. Takové vlastnosti mají oxidy Cr2O3, jejichž ochranný charakter se s rostoucím obsahem Cr zvyšuje. Základní legurou žáruvzdorných ocelí je tedy opět Cr, a to v množství 6 až 30 %, případně v kombinaci s Ni a dalšími prvky.

2. Žárupevné oceli a slitiny Některé strojní součásti jsou při zatížení vystaveny působení vysokých teplot, aniž dochází k podstatným rozměrovým a tvarovým změnám. V těchto podmínkách vysokoteplotního creepu by mohla přispět k porušení i vysokoteplotní oxidace a koroze. Žárupevné materiály musí tedy být v oblasti pracovních teplot zároveň žáruvzdorné.

152

Kromě žárupevnosti rozhodují o volbě materiálu pro určitou součást pracující za tepla obvykle i další požadované vlastnosti zejména odolnost proti únavě za tepla a vhodné vlastnosti technologické, např. svařitelnost. Při použití materiálu za zvýšených teplot dochází k poklesu pevnostních hodnot a k tečení materiálu při konstantním zatížení za vyšších teplot (creep). Jako žárupevné kovové materiály se označují kovy a slitiny se zaručenými, dostatečně vysokými hodnotami meze tečení. Jsou to jednak žárupevné oceli, jednak slitiny hlavně na bázi niklu nebo kobaltu a některé kovy (W, Mo). Volba vhodného materiálu závisí především na výšce pracovní teploty: Do 400 °C: uhlíkové oceli s obsahem uhlíku do 0,2 % (12 021). Jsou svařitelné a tvárné, výhodné jsou i cenově. Do 560 °C: nízkolegované feriticko-perlitické oceli (Cr, Mo, W, V) - např. 15 110, 15 224. Jsou svařitelné a žáruvzdorné do teploty 570 °C. Do 600 °C: chromové oceli s vyšším obsahem chromu a dalšími legurami (W, Mo, V) - např. 17 132, 17 126. Jsou korozivzdorné a žáruvzdorné, mají horší svařitelnost. Do 700 °C: austenitické nevytvrditelné oceli (17 247) a austenitické komplexně legované vytvrditelné oceli (17 341, 17 332, 17 335). Jsou to oceli stabilizované nebo s nízkým obsahem C. Mají horší svařitelnost, komplexně legované typy jsou obtížně tvářitelné a obrobitelné. Do 850 °C: niklové slitiny typu nimonic (AKN 21, AKN 30). Nejsou tvářitelné, obrobitelnost je špatná. Některé typy jsou použitelné až do teploty 1 000 °C. Do 1 000 °C: legované kobaltové slitiny. Jsou špatně obrobitelné. Nad 1 000 °C: kovokeramické materiály s TiC, Ni a Co. Mají malou houževnatost, jsou velmi křehké.

153

Konstrukční keramika na bázi Al2O3 nebo SiC s nízkou houževnatostí je použitelná až do teplot 1 400 °C. Slitiny na bázi vysokotavitelných kovů (W, Mo, Ta), použitelné až do 2000 °C, je třeba s ohledem na malou žáruvzdornost chránit proti koroznímu prostředí. Nevýhodou žárupevných materiálů pro vysoké teploty je jejich křehkost. Tak např. kovokeramické materiály, tzv. cermety, vyráběné slinováním teplotně stálých karbidů a oxidů s kovovou žárupevnou matricí, se uplatňují pro nepatrnou houževnatost na strojní části jen zcela omezeně. V posledních letech se věnuje velká pozornost konstrukční keramice na bázi Al2O3 nebo SiC. Dalším sledovaným problémem je ochrana povrchu proti vysokoteplotní oxidaci a korozi, kde nacházejí uplatnění plazmové technologie (nástřiky Co, Cr, Al aj.). Jako perspektivní materiály pro práci za vysokých teplot se jeví některé materiály kompozitní.

13.3 Oceli a slitiny se zvláštními fyzikálními vlastnostmi Materiály pro některé části přístrojů a zařízení musí splňovat také zvláštní požadavky kladené na určité fyzikální vlastnosti (tepelné, elektrické, magnetické). Materiály s určitou teplotní roztažností se používají na součásti některých přístrojů v jemné mechanice, optice a měřicí technice. Velký význam mají zátavové slitiny, které mají v určitém teplotním intervalu stejný součinitel tepelné roztažnosti jako určité druhy skel nebo technického porcelánu. Jsou to slitiny Fe se 40 až 48 % Ni s přísadou Co (kovar) užívané při výrobě žárovek, elektronek, obrazovek. Kombinací materiálů s malou a velkou roztažností vznikají bimetaly - dvojkovy, jichž se užívá jako části termostatu k teplotní regulaci. Materiály s velkým elektrickým odporem se uplatňují zejména na topné odporové články a regulační odpory. Musí být zároveň žáruvzdorné i žárupevné. Materiály se zvláštními magnetickými vlastnostmi splňují požadavky elektrotechniky a dalších oborů, kde se užívá materiálů magneticky měkkých, magneticky tvrdých nebo nemagnetických.

154

Významné jsou magneticky měkké oceli pro transformátové a dynamové plechy s vysokou hodnotou permeability. Jsou to křemíkové feritické oceli s velmi nízkým obsahem uhlíku (do 0,04 %) náročné z hlediska technologického. Na permanentní magnety se užívá jako magneticky tvrdých materiálů většinou nízkolegovaných ocelí s Cr do 6 % a vysokolegovaných ocelí s 36 % Co s Cr a W.

13.4 Oceli na odlitky Odlitky se vyrábějí z obdobných typů ocelí jako tvářené polotovary. Nacházejí uplatnění především tam, kde se jedná o složité tvary. Řada ocelí na odlitky se navíc vyznačuje svařitelností, což umožňuje rozdělit velmi komplikované tvary na jednodušší odlitky a celkový dílec se pak získá jejich svařením. U některých konstrukcí se též užívá svařených kombinací odlitků s tvářenými polotovary. Odlitky se vyrábějí s kusovou hmotností od několika desítek gramů až do 200 tun. O volbě odlitku nebo výkovku rozhoduje vedle technického hlediska také hledisko ekonomické. Po dosažení požadované struktury a vlastností ocelových odlitků je možno počítat pouze s možnostmi změn, které jsou spojeny s tepelným zpracováním. Použitá technologie slévání klade určité požadavky na vlastnosti kovu, proto je většinou chemické složení oceli na odlitky modifikováno v porovnání s obdobnou ocelí tvářenou. Převážně se jedná o uhlíkové oceli s nízkým obsahem uhlíku do 0,5 %. Na rozdíl od ingotové oceli obsahují i nejměkčí oceli 0,25 až 0,35 % Si i více, aby se snížila bublinatost odlitku. Z důvodů slévárenských je zvýšen i obsah manganu. Slitinových ocelí se užívá jen pro zvláštní účely. Nejpoužívanější uhlíkovou ocelí je 42265O obvyklé jakosti. Volí se přednostně v tom případě, postačí-li pevnost nižší než 520 MPa a vystačí-li se s nejmenší tažností 12 %. Tavná svařitelnost je obtížná, ocel je vhodná pro méně namáhané strojní součásti.

155




•


•

FREMUNT, P. a T. PODRÁBSKÝ, PODRÁBSKÝ 1996. 1996 Konstrukční oceli. oceli. Brno: CERM.

•


•


•




OTÁZKY A ÚKOLY 1. Popište vlastnosti konstrukčních ocelí třídy 10 a 11. 2. Vysvětlete význam cementačních ocelí a ocelí k zušlechťování. 3. Vysvětlete pojmy korozivzdornost, žáruvzdornost a žárupevnost. 4. Popište vlastnosti korozivzdorných, žáruvzdorných a žárupevných ocelí. ocelí. 5. Popište využití ocelí se zvláštními fyzikálními vlastnostmi a ocelí na odlitky v praxi.

156


157

Použitá literatura CHOTĚBORSKÝ, R., 2006. Nauka o materiálu. Česká Zemědělská Univerzita v Praze, Katedra Materiálu a Strojírenské Technologie, 134 str., ISBN 80-213-1442-7. PTÁČEK, L. a kol., 2003. Nauka o materiálu I. Akademické nakladatelství CERM, s.r.o., 516 str., ISBN 80-7204-283-1. PTÁČEK, L. a kol, 2003. Nauka o materiálu II. Akademické nakladatelství CERM, s.r.o., 392 str., ISBN 80-7204-248-3. SKÁLOVÁ, J., KOUTSKÝ, J., MOTYČKA, V., 2008. Nauka o materiálech. Západočeská univerzita v Plzni, 231 str., ISBN 978-80-7043-244-0. VELIČKOVÁ, E., 2002. Stroje a zařízení. Nauka o materiálu. VŠB - TU OSTRAVA, Fakulta bezpečnostního inženýrství, 52 str.

158

Nauka o materiálu I. Strojírenství. Ing. Martin Podařil, PhD České Budějovice

Recommend Documents