Tahaky Na Skusku

-1-

1. STAVBA ATÓMU Atóm sa skladá: - z kladne nabitého jadra v ktorom je sústredená takmer celá hmotnosť atómu. Priemer jadra oproti atómu je 10-14 m a priemer atómu je 10-9-10-10 m. Jadro má skoro celú hmotnosť atómu. - atómového obalu – záporné elektróny s malou hmotnosťou obiehajúce okolo jadra po určitých dráhach Jadro atómu sa skladá: - protóny – hmotnostné častice s jednotkovým kladným nábojom (Z – atómové číslo) - neutróny (N) – o rovnakej hmotnosti ako neutróny, ale bez el. náboja. A=Z+N – hmotnostné číslo. Atómový obal sa skladá: - jeden alebo viac elektrónov obiehajúcich okolo jadra veľkými rýchlosťami. - Môžu sa pohybovať len po určitých energetických hladinách. Pohyb elektrónov v obale sa dá popísať kvantovými číslami –n, l, m, s.

2. ATÓMOVÝ OBAL sa skladá: - jeden alebo viac elektrónov obiehajúcich okolo jadra veľkými rýchlosťami. Môžu sa pohybovať len po určitých energetických hladinách. Pohyb elektrónov v obale sa dá popísať kvantovými číslami –n, l, m, s. Hlavné kvantové číslo – n=1-7. Určuje príslušnú kvantovú dráhu –veľkosť energie C. Označenie: K, L, M, N, O, P, Q – sféry. Počet elektrónov na sfére: m=2.n2 K n=1 2 O n=5 50 L n=2 8 P n=6 72 M n=3 18 Q n=7 98 N n=4 32 Vedľajšie kvantové číslo – l. Označenie: s, p, d, f (eliptické dráhy). Magnetické – m – popisuje priestorovú polohu magn. momentu vytvoreného pohybom v elektrónovom obale. Spinové číslo -s – elektrón vykonáva ešte rotačný pohyb okolo vlastnej osi. Pauliho vylučovací princíp: v obale nemôžu existovať 2 e- s rovnakými kvantovými číslami. Vnútorné sféry – sú plne obsadené s e-. Valenčné sféry – vonkajšie sféry, ktoré nie sú plne obsadené. Elektróny na týchto sférach sa nazývajú valenčné elektróny a určujú chemické vlastnosti atómu. Atóm je navonok elektricky neutrálny. Príklad: Stavba hliníka Al (má 13 elektrónov) K L M 1s2 2s2 2p6 3s2p1 = 13 elektrónov Plne obsadenú sféru majú inertné (vzácne) plyny. Napr. argón – nedokážu sa viazať s inými zlúčeninami. Nereagujú s okolím. Atóm Atóm

+ e- e-

Ak pridáme elektrón vzniká záporný ión. Ak odoberieme elektrón vzniká kladný ión, tzv. katión.

-2-

Kov sa skladá z atómov. Väzby medzi atómami: Reagujúce atómy nekov - nekov nekov - kov kov - kov

Väzba kovalentná iónová kovová

Kovová väzba – kovový kryštál - skupina pravidelne rozložených kladne nabitých iónov, medzi ktorými prúdi elektrónový plyn, takže v každom okamihu sa medzi nimi nachádza esprostredkujúci vzájomnú väzbu atómov (dobrá elektrická a tepelná vodivosť kovov). - Elektrón priťahuje oba jadrá. - Kovová väzba atómov = elektrónový plyn.

- Pokiaľ je e- na spojnici atómov, je e- priťahovaný jadrom. e- môžu obiehať ∝. - Valenčné elektróny (na valenčných sférach) vytvárajú elektrónový plyn.

3. MRIEŽKA KUBICKÁ PLOŠNE CENTROVANÁ Kryštalografická mriežka - udáva v priestore pravidelnosť usporiadania kovov. Základom je kryštálový bunka alebo kryštálový element, ktorý môžeme zaradiť do niektorej kryštalografickej sústavy. K12 – Kubická plošne centrovaná – Al, Cu, Ni, Ag, Pb, Feγ (modifikácia gama) a = b = c, α = β = γ = 90° - dobre tvárne za studena a – parameter mriežky (vzdialenosť jadier atómov) - rohový atóm je spoločný 8 mriežkam - stredný atóm je spoločný 2 mriežkam - každý atóm spája 8 mriežok (v rohoch a strede stien)

4. MRIEŽKA KUBICKÁ PRIESTOROVE CENTROVANÁ Kryštalografická mriežka - udáva v priestore pravidelnosť usporiadania kovov. Základom je kryštálový bunka alebo kryštálový element, ktorý môžeme zaradiť do niektorej kryštalografickej sústavy. K8 – Kubická objemovo centrovaná – Cr,Mo,V, W, Li, Na, K, Feα (modifikácia alfa) - málo tvárne za studena - tvárnime ich za tepla - ďalší atóm je v uhlovom strede (telesná uhlopriečka). - stredový atóm - patrí konkrétnemu atómu. - rohový atóm - patrí aj 8 mriežkam (v rohoch a telesnej uhlopriečke)

-3-

5. KRYŠTALICKÁ STAVBA KOVOV Pravidelnosť usporiadania kovov v priestore udáva kryštalografická mriežka. Jej základom je kryštálový bunka alebo kryštálový element, ktorý môžeme zaradiť do niektorej kryštalografickej sústavy. Kovy z hľadiska tvaru kryšt. bunky môžu vytvárať nasledovné kryštalické štruktúry: Kubická plošne centrovaná – K12 Kubická objemovo centrovaná – K8 Hexagonálna mriežka – H12 VNÚTORNÁ STAVBA KOVOV Dôležitou vlastnosťou kovov je ich kryštalická stavba- častice, z ktorých kov pozostáva (atómy) sú v priestore uložené úplne zákonite v určitých pravidelných priestorových útvaroch. Vlastnosti kovov a zliatin súvisia s ich vnútornou stavbou. Najrozšírenejšia skupina materiálov: Oceľ Liatina

– zliatina Fe + C + Mn, Si, P, S (C<2,08%) (→Cementit) – zliatina Fe + C + Mn, Si, P, S (C>2,08%) (→Grafit)

Vlastnosti: lesk

pevnosť, tvrdosť, tvárnosť, elektrická a tepelná vodivosť, kovový

6. BODOVÉ PORUCHY KRYŠTALICKEJ MRIEŽKY – SCHÉMA, POPIS – – – o o o o

cudzí atóm - B interstitický atóm (medzerový) - C vakancia – D (chýba tam atóm)

poruchy spôsobujú vznik pnutí stúpajú mechanické vlastnosti (pevnosť, tvrdosť). čisté kovy majú najmenšie mechanické vlastnosti deformácia mriežky spôsobuje vznik pnutí.

7. KRIVKA OCHLADZOVANIA ČISTÉHO KOVU, SCHÉMA, POPIS Krivka ochadzovania – ČISTÝ KOV T [°C]

T – čistý kov voľné ochladzovanie taveniny

T – tavenina

T – α – tuhá fáza S L

L – bod liquidus - počiatok kryštalizácie voľné ochladzovanie tuhej fázy

tu prebieha kryštalizácia t [s]

S – bod solidus - koniec kryštalizácie

-4-

8. KRIVKA OCHLADZOVANIA ZLIATINY, SCHÉMA, POPIS Krivka ochadzovania – ZLIATINA T [°C]

T - zliatina voľné ochladzovanie taveniny

L

L – bod liquidus - počiatok kryštalizácie

T → α – tuhá fáza S

tu prebieha kryštalizácia

T – tavenina

α - voľné ochladzovanie tuhej fázy

S – bod solidus - koniec kryštalizácie

t [s]

9. MECHANICKÁ ZMES, DEFINÍCIA, SCHÉMY VÝSLEDNEJ ŠTRUKTÚRY Mechanická zmes – vzniká ak sú tie komponenty v tuhom stave navzájom nerozpustné. Jej stavba je tvorená zrnami jedného i druhého kovu uloženými vedľa seba. Každý má odlišnú mriežku (napr. Fe + Pb, Zn + Cu). A B

10. INTERSTITICKÝ TUHÝ ROZTOK, DEFINÍCIA, SCHÉMA, VÝSLEDNÁ ŠTRUKTÚRA Tuhý roztok – vzniká pri úplnej alebo čiastočnej rozpustnosti komponent. Atómy prísadového kovu sa rozmiestňujú v mriežke základného kovu. Vzniká jednofázová štruktúra. Označujeme: α, β, γ.  =A(B) β=B(A) Interstitický (adičný) – atómy prísadového kovu, ktoré sú malé (C, H, N, O) sú umiestnené v medzerách kryštalickej mriežky základného kovu (FE(C)). A B

-5-

11. SUBSTITUČNÝ TUHÝ ROZTOK, DEFINÍCIA, SCHÉMA, VÝSLEDNÁ ŠTRUKTÚRA Tuhý roztok – vzniká pri úplnej alebo čiastočnej rozpustnosti komponent. Atómy prísadového kovu sa rozmiestňujú v mriežke základného kovu. Vzniká jednofázová štruktúra. Označujeme: α, β, γ.  =A(B) β=B(A) Substitučný tuhý roztok – vzniká ak atómy prísadového kovu nahradzujú v mriežke atómy základného kovu - obmedzený (ohraničený) - neobmedzený

A B

12. PREKRYŠTALIZÁCIA, DEFINÍCIA, KRIVKA OCHLADZOVANIA Prekryštalizácia kovov – zmena kryštalického usporiadania – premena štruktúry v tuhom stave počas ochladzovania kovu (zliatiny), napr. Fe, Be, Sn, Ce, Ti a i. Prekryštalizácia – zmena kryštalickej mriežky v tuhom stave Krivka ochladzovania – je funkcia teploty v závislosti na čase Polymorfizmus – schopnosť kovu kryštalizovať v rôznych sústavách v závislosti od T Altropizmus – schopnosť zliatin kryštalizovať v rôznych sústavách. Proces premeny štruktúry kovu v tuhom stave – zmena kryštalickej mriežky. Polymorfná premena u železa

Tavenina

T [°C]

K8

1535

K 12

1392 magnetický bod

910

nemagnetická K 8

magnetická K 8

768

t [s]

-6-

Kryštalizácia kovov - prechod z tekutého do tuhého stavu a to súvisí s usporiadaním atómov do kryštalickej mriežky. Pozostáva z dvoch etáp: 1. vznik kryštalizačných zárodkov 2. rast zárodkov Zárodky: - stále (ak dosiahnu určitý rozmer) - nestále Kryštalizujúce zárodky: - zo základnej fázy - cudzorodé (Al2O3, TiO2) Priebeh kryštalizácie ovplyvňujú 2 činitele: 1. kryštalizačná schopnosť – rýchlosť tvorby zárodkov vzniknutých v 1 cm-2 za sek. 2. kryštalizačná rýchlosť – rýchlosť rastu kryštálov sa mení

13. DIFÚZIA V KOVOCH A ZLIATINÁCH, DEFINÍCIA, FAKTORY OVPLYVŇUJÚCE JEJ PRIEBEH Difúzia – premiestňovanie (pohyb) atómov v kryštalickej mriežke kovu (zliatiny) v tuhom stave. Súvisí s tepelným pohybom iónov. Faktory ovplyvňujúce difúziu: - teplota - koncentračný spád - veľkosť zrna - polomer atómov - druh mriežky - príroda difundujúceho prvku - množstvo porúch - stupeň deformácie Má veľké praktické uplatnenie. Je dôležitá pri kryštalizácii, prekryštalizácii, TS, ChTS a pod.

14. DIFÚZIA V KOVOCH A ZLIATINÁCH, DEFINÍCIA, MECHANIZMY DIFÚZIE Difúzia – premiestňovanie (pohyb) atómov v kryštalickej mriežke kovu (zliatiny) v tuhom stave. Súvisí s tepelným pohybom iónov. Mechanizmy difúzie: - vzájomnou výmenou miest - kruhovou výmenou - pohybom vakancií - pohybom iónu po medziuzliach Má veľké praktické uplatnenie. Je dôležitá pri kryštalizácii, prekryštalizácii, TS, ChTS a pod.

-7-

15. DEFINÍCIA OCELE Oceľ

– zliatina Fe + C + Mn, Si, P, S (C<2,08%) (→Cementit)

Ocele – zliatiny Fe+C+ďalších prímesí (Mn, Si, P, S) s obsahom uhlíka do 2,08%. Uhlík sa vylučuje vo forme cementitu. Dobre tvárne. Čím väčší obsah uhlíka tým väčšia tvrdosť a pevnosť. Diagram Fe-C -metastabilná sústava Fe - Fe3C T [˚C] 1535

Z1

Z2

1

1

2

Tavenina

T+A 2 B

3

A

3

T

1

2

1147 910

4

E Eutektický bod

A+Cementit

3

Ferit+A

723 Ferit

Z3

4

G

Eutektoidný bod

Ferit+Perlit

100%Fe →100%C

Perlit+Cementit

0,8%C

2,08%C

4,3%C

B-G – obmedzenie rozpustnosti uhlíka v austenite liatiny ocele

A – Austenit (tuhý roztok uhlíka v železe Gama) F – Ferit (tuhý roztok uhlíka v železe Alfa)

trieda ocele význam podľa triedy

A=Feγ (C) F=Feα (C)

XX XXX.XX

stupeň pretvárnenia tepelné spracovanie

poradové číslo príklad: 11 320.33 10 11

- konštrukčná oceľ k hlbokému ťahaniu, pevnosť 280-400 Mpa, žíhaná na mäkko, za studena dovalcovaná

- konštrukčná, uhlíková, stavebná, obvyklých akostí, Rm 200-600 Mpa - konštrukčná, strojná, uhlíková, obvyklých akostí Rm 250-800 Mpa

-8-

12 13 14 15 16 17

- konštr. uhlíková, ušľachtilá, určená na zušľachtenie (cementovanie,) - konštr. legovaná (Mn, Si) - pružinová - konštr. legovaná (Mn, Si, Cr) - ložisková - konštr. legovaná (Mn, Si, Cr, Mo, W, V) pre teploty <600 °C - konštr. legovaná (Mn, Si, Cr, Mo, W, V, Ni) - niklová - vysokolegované - koroziivzdorné (Cr > 4,5%), žiaruvzdorné, žiarupevné, oteruvzdorné podľa %C - nadeutektoidné ocele C<0,8 % (Z1) - eutektoidné ocele C=0,8 % (Z2) - podeutektoidné ocele C>0,8 % (Z3) podľa obsahu uhlíka: <0,25% nízkouhlíkové 0,25 – 0,8% stredneuhlíkové >0,8% vysokouhlíkové podľa obsahu legúr: <2,5% nízkolegované 2,5 – 10% strednelegované >10% vysokolegované Zaručená koroziivzdornosť ocele – minimálne 12% Cr. O c e le

tvá rn e n é

k o n štru k čn é 10 - 17

o b v y k lý c h a k o s tí (n e z a r u č e n é c h e m ic k é z lo ž e n ie ) 10, 11

u h lík o v é 12

o d lia t k y

n á s t r o jo v é 19

u š ľ a c h t ilé (z a r u č e n é c h e m ic k é z lo ž e n ie ) 12 - 17

z lia t in o v é 13 - 16

u h lík o v é z lia tin o v é r ý c h lo r e z n é

v y s o k o le g o v a n é 17

16. PRUŽNÁ DEFORMÁCIA Defomácia – zmena tvaru a rozmerov pôsobením vonkajšej sily - pružná (elastická) – dočasná zmena tvaru a rozmeru, po odstránení vonkajšej zaťaženia sa teleso vráti do pôvodného stavu (je ohraničená medzou pružnosti)

17. PLASTICKÁ DEFORMÁCIA Defomácia – zmena tvaru a rozmerov pôsobením vonkajšej sily - trvalá (plastická) – trvalá zmena tvaru a rozmeru, po odstránení vonkajšieho zaťaženia teleso ostane v zdeformovanom tvare

-9-

medza pružnosti (Re)

celková

Fmax

F Re ()

A

lom

pomerne predĺžená

∆l = l − l0

ε=

∆l l − l0 = l0 l0

A – práca potrebná na porušenie vzorky materiálu

Δl () pružné

trvalé

Mechanizmus plastickej deformácie: - sklzom (sklzová rovina, smer sklzu) - dvojčatením Dôsledky plastických deformácií -

spevnenie materiálu vznik deformačnej textúry anizotropia mechanických vlastností zvýšenie množstva porúch

Odstránenie dôsledkov plastických deformácií a.) ohrevom materiálu a podľa teploty materiálu hovoríme o ozdravení mriežky. Čiastočná obnova vlastností, zníženie pnutí. ohrev na T < Trekr.

Trekr = 0,35 – 0,4 Ttav

b.) rekryštalizáciou ohrev na T > Trekr. Prekryštalizačným žíhaním tieto dôsledky odstránime. Prekryštalizačná deformácia zŕn na nedeformované úplne odstráni dôsledky plastickej deformácie.

18. KREHKÝ LOM, DEFINÍCIA, SCHÉMA Lom – po prekročení medznej hodnoty napätia dochádza k porušeniu materiálu – rozdelenie na 2 čati. lom Druhy lomov: tvárny a krehký tvárny - povrch je matný

krehký - povrch je lesklý, zrnitý

-10-

Krehký – k porušeniu dochádza bez predchádzajúcej plastickej deformácie – tvrdé (kalené) ocele, liatiny. Lom je lesklý, zrnitý.

19. HÚŽEVNATÝ (TVÁRNY) LOM, DEFINÍCIA, SCHÉMA Lom – po prekročení medznej hodnoty napätia dochádza k porušeniu materiálu – rozdelenie na 2 čati. Druhy lomov: tvárny a krehký Húževnatý (tvárny) lom – pred porušením dochádza k výraznej plastickej deformácií, vzniká zúženie (kalíšok) – mäkké ocele, Cu, Al. Lom je matný, vláknitý.

20. DEFINÍCIA NAPÄTIA, SCHÉMA Napätie - pôsobením vonkajšej sily na teleso vzniká napätie v priereze telesa - je to pomer sily a prierezu F  N  δ= = [ Mpa] S 0  mm 2  FN = F . cos α FS = F . sin α F F δ= N τ= S S1 S1 F – normálová zložka N

FS – šmyková zložka normálové napätie

 1  0,5

0

45

90

šmykové napätie