Základy materiálového inženýrství Křehké materiály Katedra materiálu, Strojní fakulta Technická univerzita v Liberci © Doc. Ing. Karel Daďourek, 2010
Základní charakteristiky křehkých materiálů Křehký lom – bez znatelné trvalé deformace Mez pevnosti má velký rozptyl : kovy – 4 – 8 % křehké materiály – až 100 % není možné použít normální rozdělení ( P(Ru < 0) = 16 %)
Mez pevnosti závisí na velikosti vzorku ( – s rostoucí velikostí klesá) Mez pevnosti závisí na typu zatěžování – pro tah nejmenší, pro tlak největší
Rozdělení Křehké materiály
Amorfní
Kysličníková skla
Polykrystalické (keramika) Kovová skla Jsou amorfní Nejsou křehká
Přírodní skla Vulkanická skla : zásaditá – 45 až 50 % SiO2 – sideromelan kyselá – perlit, obsidián Skla jiného původu : tektity impaktní skla fulgurity frikcionity Lybijské pouštní sklo
Zvětšený paprsek
Historie skel Prvý výskyt asi 3000 let PNL v Babylonii – natronová skla Egyptská skla : 70 % SiO2 + 10 % CaO + 20 % Na2O 100 let PNL – vynález sklářské píšťaly 300 let NL – Římské sklo – přechod k masové produkci s potaší ze dřeva ( K2O místo Na2O)
Struktura kysličníku křemičitého
a …. Krystalický křemen – šestiúhelníky b …. Křemenné sklo – čtyř až osmiúhelníky c …. Silikátové (křemičité) sklo – neuzavřené úhelníky
Křemenné sklo Amorfní struktura čistého SiO2 Teplota tuhnutí 1710 oC, měkne nad 600 oC Špatně zpracovatelné – rychlá změna viskozity. Hustota 2,2 g/cm3 (křemen 2,65) Minimální teplotní roztažnost 5*10-7 K-1 Dokonalý elektrický izolátor, malá tepelná vodivost. Propouští viditelné světlo, UV i IČ. Vynikající chemická odolnost
Tavicí přísady do skla Křemenné sklo - vadí vysoká teplota tuhnutí a vysoká viskozita taveniny. Snížení - tavicí přísada – některý z alkalických kysličníků, sodný nebo draselný. Tím poklesne teplota tuhnutí až na 900 o C, poklesne silně i viskozita taveniny, současně se však sníží silně i chemická odolnost skla a zvýší jeho elektrická vodivost a tepelná roztažnost. Vznikne tzv. vodní sklo. Zlepšení především chemické odolnosti - modifikační přísada – kysličník vápenatý nebo hořečnatý.
Křemičitá skla Ze tří základních složek pak dostáváme běžná křemičitá (silikátová) skla. Mívají okolo 75 % kysličníku křemičitého, zbytek jsou tavicí a modifikační přísady (K2O, CaO). Jejich teplota tuhnutí je okolo 1010 oC, teplota skelného bodu 530 až 560 oC Chemická odolnost je tím větší, čím menší je množství alkalických kysličníků ve skle.
Vlastnosti silikátových skel Velmi pevná (v tlaku) a tvrdá. Vysoké moduly pružnosti, proto jen velmi málo deformovatelná. Při pokojové teplotě jsou velmi křehká, nejsou schopna žádné plastické deformace a nesnášejí rázové zatížení. Tepelná roztažnost je okolo 5.10-6 K-1. Při pokojové teplotě elektrické izolátory, s rostoucí teplotou však vodivost skla roste (od 200 oC velmi silně). Pevnost silně závislá na způsobu namáhání. Běžně pevnost v tlaku 1 GPa, v ohybu 0,1 GPa a v tahu 0,08 GPa. Pevnost v tahu velmi silně závisí na rozměrech. Tyčka ∅ 1 mm má 0,1 GPa, vlákno ∅ 0,1 mm má 0,5 GPa a vlákno ∅ 30 mikrometrů má 1 GPa.
Podmínky vzniku kovových skel – slitina musí obsahovat co nejvíce složek, čím více složek obsahuje, tím snadněji vzniká amorfní fáze - složky nesmějí být snadno vzájemně rozpustné – vzniku amorfní fáze pomáhá, nejsou-li ve slitině čistě kovové vazby. Pomáhá především přítomnost kovalentních vazeb
Typické vlastnosti kovových skel Mají vysokou pevnost – asi 1/50 G ( 1 až 3 GPa). Současně mají značnou houževnatost a korozní odolnost. Neexistuje v nich klasická plastická deformace (nemají dislokace), odlišné mechanizmy trvalé deformace Při trvalé deformaci nevzniká zpevnění Mechanizmus lomu – zpravidla k němu dochází přímo v rovině maximálního kluzu, „potůčkovitý vzhled“. Ohřev nad 200 oC vyvolá zpravidla zkřehnutí. Pak typický křehký lom kolmý na směr hlavního namáhání.
Princip výroby Kovová slitina je nejprve indukčně roztavena Tavenina je vytlačena křemenným ventilem Dopadá na rychle rotující měděný válec, zevnitř chlazený vodou
Indikátory zboží
Tvrdý magnetický materiál – sepnutí/rozepnutí čidla Měkký magnetický materiál (kovové sklo) – vlastní čidlo
CD – RW disky Kovová slitina Ag – In – Sb – Te – je nízkotavitelná a velmi snadno vytváří kovové sklo, teplota tání okolo 600 oC. Při 200 oC snadné odskelnění – vznik krystalické fáze. Krystalická fáze má vysokou odrazivost pro laserové záření, amorfní malou. „Mazání“ CD RW : všude se vytvoří silným ohřátím amorfní fáze. „Zápis“ na CD RW : slabším ohřátím se v některých místech změní amorfní fáze na krystalickou – tato místa pak odráží paprsek laseru.
Děje při změně teploty Výroba z taveniny pomalým ochlazováním – kovy Výroba z taveniny rychlým ochlazením až pod teplotu zeskelnění – skla Výroba bez roztavení, jen ohřátím do oblasti pod teplotu tání - keramika
Základní vlastnosti keramiky Vysoký bod tání, netaje při jedné teplotě Vysoká chemická odolnost- především oxidy Vysoká žáruvzdornost –určí teplota výpalu Tepelný a často i elektrický izolátor Vysoká odolnost opotřebení – tvrdost Vysoká pevnost, především v tlaku Malá odolnost rázům – mechanickým i tepelným Značná křehkost, minimální trvalá deformace
Rozdělení keramiky Podle složení : Kysličníková - oxidová Neoxidová Podle čistoty : Směsná – z přírodních surovin Čistá – stálé vlastnosti, drahá
Nejčastější směsná keramika
Směsná stavební keramika
Speciální metody přípravy CIP – izostatické lisování za studena HIP – izostatické lisování za tepla Reakční slinování : C v parách Si dá SiC, Si v dusíku dá Si3N4 Zirkon na vzduchu při 1200 oC dá ZrO2 Důvod : potlačení pórovitosti
Oxidová keramika
Korundová Zirkoniová Rutilová Ferity
Korundová keramika Je to alfa fáze Al2O3, bod tání 2044 oC Hustota 4 g/cm3 Youngův modul 360 GPa – velký Pevnost 3000 MPa v tlaku, 400 MPa v ohybu, 150 MPa v tahu Tvrdost nad 2000 HV, vysoká otěruvzdornost Elektrický izolátor Žáruvzdorná, použitelná do 2000 oC Vysoká tepelná vodivost 1720 W/mK dává vysokou odolnost tepelným šokům Malá lomová houževnatost - křehký Vysoká chemická odolnost Užití : brusný materiál, biokeramika, řezná keramika
Zirkoniová keramika Alfa fáze ZrO2, teplota tání 2680 oC Hustota 6 g/cm3 Youngův modul 180 GPa – malý Pevnost v ohybu až 500 MPa Elektricky vodivá nad 1000 oC Užití do 2400 oC při stabilizaci CaO – pak kubická gama fáze, jinak do 1000 oC Nízká tepelná vodivost 2 W/mK – tepelný izolátor, neodolává tepelným šokům Střední lomová houževnatost, dá se zvýšit částečnou stabilizací – PSZ. Houževnatá keramika Základní typ konstrukční keramiky
Mechanismus zpevnění PSZ keramiky Partially Stabilized Zirconia – 3 – 5 % MgO bez napětí beta fáze – má menší objem A – iniciace trhliny B – šíření trhliny Kroužky bílé – beta fáze Kroužky černé – alfa fáze Šipky – tlaková napětí zavírající trhlinu
Vlastnosti PSZ keramiky Zvýšení ohybové pevnosti z 500 na 1000 Mpa (jako ocel). Použití do 2300 oC. Na keramiku vysoká lomová houževnatost. Tvrdost 1700 HV (asi jako křemen)
Příklady použití čisté keramiky
Neoxidová keramika Má nižší chemickou odolnost, především proti oxidaci Většinou ji nelze roztavit, při vysoké teplotě dochází k jejímu rozkladu) Spékání při její výrobě musí probíhat v atmosféře bez kyslíku Zpravidla není elektrický izolátor, buď má polovodivé chování, nebo je vodivá jako kovy Ve většině případů jde o karbidy nebo nitridy kovů Vazba kovalentní až kovová.
Karborundová keramika Karbid křemíku SiC Čistý je šedivý, méně čistý zelený Na vzduchu oxiduje od 1000 stupňů, maximální použitelnost 1600 stupňů, bod rozkladu na Si a C je 2700 oC Hustota 3,1 g/cm3 Youngův modul 450 GPa – vysoký Pevnost v ohybu 550 MPa Tvrdost 2400 HV – více než korund Elektricky vodivý – s přebytkem Si silitové topné tyče Tepelná vodivost vysoká – velká odolnost teplotním šokům Lomová houževnatost nízká Užití : brusný materiál, topné elementy
Keramika nitridu křemíku Fáze Si3N4, rozklad 1900 oC, oxidace od 1200 oC Pro lepší odolnost kyslíku přídavek Al2O3 - SIALON Hustota 3,3 g/cm3 Youngův modul 300 GPa – střední Pevnost v ohybu až 1000 MPa Tvrdost 1500 HV Tepelná vodivost středně vysoká, odolává menším tepelným šokům Lomová houževnatost vysoká – má vláknitou strukturu, odolává lomu. Houževnatá keramika Základní typ konstrukční keramiky
Příklady použití keramiky Si3N4
Turbinová kola z keramiky Si3N4
Písty z keramiky Si3N4
Žhavé potrubí z keramiky Si3N4 – nad 1200 stupňů
Keramický spalovací motor
