Tahaky Tm Skuska

STAVBA ATÓMU Atóm sa skladá: a.) 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. Jadro 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. jadra

b.) atómového obalu – záporné elektróny s malou hmotnosťou obiehajúce okolo po určitých dráhach. Atómový obal sa skladá: - 1 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 L M N O P Q

• • •

n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 n=6 n=7

2 8 18 32 50 72 98

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 1s2

L 2s2 2p6

M 3s2p1

= 13 elektrónov

Plne obsadenú sféru majú inertné (vzácne) plyny. Napr. argón – nedokážu sa viazať s inými zlúčeninami. Nereagujú s okolím. Atóm + eAk pridáme elektrón vzniká záporný ión. Atóm - eAk odoberieme elektrón vzniká kladný ión, tzv. katión. Kov sa skladá z atómov. Väzby medzi atómami: Reagujúce atómy

Väzba

nekov - nekov kovalentná nekov - kov iónová kov - kov kovová Kovová väzba – kovový kryštál - skupina pravidelne rozložených kladne nabitých iónov, medzi ktorými prúdi elektrónový plyn, takže v každom okamihu sa medzi nimi nachádza e- sprostredkujúci 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.

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 - rohový atóm je spoločný 8 mriežkam - stredný atóm je spoločný 2 mriežkam - každý atóm spája 8 mriežok (v rohoch a strede stien)´ - a – parameter mriežky (vzdialenosť jadier atómov) 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) H12 - Hexagonálna mriežka –– Mg, Be, Co, Ti, Zn. - nízka tvárnosť za studena aj za tepla - Ti – vynikajúci konštrukčný materiál ale sa ťažko tvárni a je drahý.

REÁLNA STAVBA KOVOVÝCH KRYŠTÁLOV 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 Vlastnosti: lesk

– zliatina Fe + C + Mn, Si, P, S (C<2,08%) (→Cementit) – zliatina Fe + C + Mn, Si, P, S (C>2,08%) (→Grafit) pevnosť, tvrdosť, tvárnosť, elektrická a tepelná vodivosť, kovový

medza pevnosti

V skutočných kovoch sa stretávame s nedokonalosťou stavby kryštalickej mriežky – sú to mriežkové poruchy, ktoré výrazne ovplyvňujú vlastnosti kovov a zliatin.

teoretická pevnosť monokryštalické vlákno materiál so zvýšeným množstvom porúch

Umelým zväčšením počtu porúch získame pevnejšie materiály. žíhaný stav Poruchy delíme do 3 základných skupín: množstvo porúch v mriežke Bodové poruchy – cudzí atóm - B – interstitický atóm (medzerový) - C – vakancia – D (chýba tam atóm) Poruchy spôsobujú vznik pnutí. Navonok sa to prejaví tak, že stúpajú mechanické vlastnosti (pevnosť, tvrdosť). Čisté kovy majú najmenšie mechanické vlastnosti. Deformácia mriežky spôsobuje vznik pnutí. Čiarové poruchy

-

hranová dislokácia - E (vsadená plocha) skrutková dislokácia – F (posunutie mriežky, pri tvárnení)

Hranová dislokácia vzniká vložením nadbytočnej roviny atómov do mriežky Dislokácie sa uplatňujú v procesoch tvárnenia kovov, prostredníctvom nich sa realizuje plastická deformácia. Plošné poruchy – hranice zŕn. Vznikajú pri kryštalizácií kovov.

KRYŠTALIZÁCIA KOVOV Kryštalizácia kovov - je to 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 Schéma rastu dendritu: 1. primárna os 2. sekundárna os 3. terciálna os Dendritickú štruktúru majú odliatky a je nevýhodná. Hranice zrna = oblasť porúch zrná

hranice zŕn Polykryštal – hranice zrna vznikajú v dôsledku, že rastúce kryštály sú rôzne orientované a výsledkom je, že: Ideálne kovy sú monokryštalické.

Bežné kovy sú polokryštalické.

Čím je menšie zrno, tým je viacej porúch a z toho dôvodu rozdeľujeme kovy na: - jemnozrnné

-

hrubozrnné

Jemnozrnný kov má oveľa lepšie mechanické vlastnosti.

KRIVKA OCHLADZOVANIA ČISTÉHO KOVU 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

KRIVKA OCHLADZOVANIA ZLIATINY T [°C]

T - zliatina voľné ochladzovanie taveniny T → α – tuhá fáza L S tu prebieha kryštalizácia

α - voľné ochladzovanie tuhej fázy

PREKRYŠTALIZÁCIA

T – tavenina L – bod liquidus - počiatok kryštalizácie S – bod solidus - koniec kryštalizácie

t [s]

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] 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:

3. kryštalizačná schopnosť – rýchlosť tvorby zárodkov vzniknutých v 1 cm-2 za sek. 4. kryštalizačná rýchlosť – rýchlosť rastu kryštálov sa mení

KRYŠTALICKÁ STAVBA ZLIATIN Zliatina – kovový materiál skladajúci sa z dvoch alebo viac kovov – komponent, alebo kovu a nekovu (binárne, ternárne). Komponenty – základ chemickej časti sústavy, z ktorých sa môžu vytvárať jednotlivé fázy sústavy. Sústava – definovaný súhrn fáz medzi ktorými alebo v ktorých môžu prebiehať chemické fyzikálne alebo fyzikálno-chemické reakcie. Fáza – fyzikálna súčasť sústavy oddelená od iných hranicami. Môže meniť svoje zloženie, vzniknúť alebo zaniknúť. Legúra – prísada v zliatine (napr. uhlík v oceli) Prvky tvoriace zliatinu sú v tekutom stave obvykle navzájom dokonale rozpustené, v tuhom stave môžu byť: - úplne rozpustené - čiastočne rozpustené - nerozpustené Z hľadiska rozpustnosti v tuhom stave rozoznávame 5 hlavných druhov vnútornej stavby:

a.) 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 b.) 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) A • neobmedzený

B



interstitický (adičný) – atómy prísadového kovu, ktoré sú malé (C, H, N, O) sú umiestnené v medzerách kryštalickej mriežky základného kovu (FE(C)).

A B c.) Chemická zlúčenina – vzniká pri určitom vákuovom (stechiometrickom) pomere prvkov, ktorý sa dá vyjadriť stechiometrickým pomerom – napr. Fe3C.

A B

1:1

Chemická zlúčenina má svoju mriežku odlišnú od jednotlivých prvkov a rozloženie atómov má usporiadaný charakter. Intermetalická zlúčenina – chemická zlúčenina medzi dvoma kovmi.

d.) Elektrónové zlúčeniny – CuZn, Cu5Zn8. e.) Intersticiárne zlúčeniny – karbidy, nitridy (W2C, WC, Mo3, VC, Fe4N, FeN). Prítomnosť tvrdých fáz zvyšuje tvrdosť zliatin.

DIFÚZIA V KOVOCH A ZLIATINÁCH 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. Mechanizmy difúzie: - vzájomnou výmenou miest - kruhovou výmenou - pohybom vakancií - pohybom iónu po medziuzliach

VLASTNOSTI KOVOV A ZLIATIN Látky sú charakterizované súborom vlastností determinovaných ich vnútornou stavbou, druhom atómov, kryštálovou mriežkou, štruktúrou a poruchovosťou kryštálov. • •

Fyzikálne vlastnosti: • • • • •

merná hmotnosť [kg.m-3] E (modul pružnosti v ťahu) elektrická vodivosť tepelná vodivosť teplotná rozťažnosť

•

magnetické o diamagnetické´ o paramagnetické o feromagnetické (Fe,Co,Ni)

Chemické vlastnosti: • • •

korózne optické emisné

Technologické vlastnosti: Udávajú vhodnosť materiálu pre danú technologickú operáciu.

Mechanické vlastnosti: • • •

húževnatosť plastičnosť

• • • •

pružnosť pevnosť tvárnosť

zlievateľnosť tvárniteľnosť zvariteľnosť obrobiteľnosť

Vlastnosti materiálu závisia od jeho stavu: Liaty stav – základný stav materiálu, charakterizujúci východiskové materiály pre tavenie a kovové odliatky. Mäkký stav – sa považuje za rovnovážny stav. Dosiahne sa pomalým ochladzovaním, rekryštalizáciou alebo žíhaním. Stav po tvárnení za tepla – po tvárnení za tepla je materiál čiastočne spevnený, má vyššiu pevnosť, nižšie plastické vlastnosti. Stav po tvárnení za studena – materiál je spevnený, má vyššiu pevnosť, nižšiu ťažnosť.

MECHANICKÉ VLASTNOSTI A VPLYV VONKAJŠÍCH SÍL NA KRYŠTÁLY KOVOV Druhy zaťaženia:

-

rázové

F

cyklické

statické (tlak, ťah, ohyb, krut, strih) dynamické o cyklické o rázové

statické t

Druh zaťaženia závisí od časového zaťaženia sily. Základné pojmy zaťaženia: 1. Napätie - pôsobením vonkajšej sily na teleso vzniká napätie v priereze telesa

F  N  = [ Mpa] S 0  mm 2  FN = F . cos α FS = F . sin α

δ=

FN S1

δ =

τ=

FS S1

-

je to pomer sily a prierezu FN – normálová zložka FS – šmyková zložka

normálové napätie

 1

šmykové napätie

 0,5

0

45

90

2. 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) - trvalá (plastická) – trvalá zmena tvaru a rozmeru, po odstránení vonkajšieho zaťaženia teleso ostane v zdeformovanom tvare

medza pružnosti (Re)

celková

Fmax

F Re ()

∆l = l − l0

lom

A

pomerne predĺžená

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

Prekryštalizačným žíhaním tieto dôsledky odstránime.

ε=

∆l l − l0 = l0 l0

Pružnosť

– schopnosť materiálu pred porušením

Pevnosť

– schopnosť materiálu znášať zaťaženie

Ťažnosť

– je pomerné predĺženie skušobného

vrátiť sa do pôvodného stavu

materiálu vyjadreného v percentách Kontrakcia

F0 [ Mpa] S0 F R m = max [ Mpa] S0 Re =

A=

l − l0 .100[ %] l0

Z=

S0 − S [ %] S0

– je pomerné zúženie skušobného materiálu vyjadreného v percentách

Húževnatosť – schopnosť materiálu pred porušením pohltiť prácu (energiu) Tvrdosť

– je odpor materiálu ktorý kladie proti vnikaniu iného tvrdšieho telesa [Brinel HB, Vickers HV, Rockwel HRC]

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

1147

3

4

Tavenina

T+A 2 B

3

A

Ferit+A

T

1

2

910 723 Ferit

Z3

E Eutektický bod

A+Cementit

3 G

4

Eutektoidný bod

Ferit+Perlit

Perlit+Cementit

100%Fe 0,8%C 2,08%C B-G – obmedzenie rozpustnosti uhlíka v austenite →100%C ocele Gama) liatiny A – Austenit (tuhý roztok uhlíka v železe A=Feγ (C) F – Ferit (tuhý roztok uhlíka v železe Alfa)

F=Feα (C)

4,3%C

XX XXX.XX

trieda ocele

stupeň pretvárnenia

význam podľa triedy

tepelné spracovanie

poradové číslo príklad: 11 320.33 10 11 12 13 14 15 16 17

- 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 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. T e c h n ic k é m a t e r iá ly K ovové Ž e le z n é O c e le

T v á rn e K o n š tru k č n á

O b v y k líc h a k o s tí 1 0 -1 1 tr.

N á s t r o jo v á 1 9 tr.

U š la c h t ilá

U h lik o v á 1 2 tr. Z lia t in o v á 1 3 -1 7 tr.

U h lik o v á

Z lia t in o v á

R ý c h lo r e z n á

N e ž e le z n é L ia t in y

N a o d lia t k y U h lik o v á

Z lia t in o v á

N ekovové

S iv á B ie la

Z lia t in y m e d i b ro n z

S n íz k o u h m o tn o s ť o u A l, M g , T i S n íz k o u te p . t a v e n ia P b .S t,Z n ,H g S v y s o k o u te p . t a v e n ia W ,M o ,T a U š la c h t ilé A u ,P t,A g

R á d io a k tí v n e R a ,R n

P la s ty D re v o T e c h n ic k á k e r a m ik a G um a

KREHKÝ LOM 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

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

HÚŽEVNATÝ (TVÁRNY) LOM 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.

ROVNOVÁŽNE DIAGRAMY Princíp konštrukcie RD: RD znázorňujú zmeny, ktoré sa odohrávajú v sústave (závislosti) od zmeny teploty a koncentrácie. Zostrojujú sa experimentálnou-termickou analýzou. Likvidus – udáva zloženie kvapalnej fázy. Solidus – udáva zloženie pevnej fázy. Pomer vylúčenej tuhej fázy a taveniny pri určitej teplote udáva pákové pravidlo. Pákové pravidlo – vieme ním určiť pomer taveniny a množstvo tuhej fázy vzhľadom na úsečky tav/tuh pri každej teplote. Dendritická segregácia sa odstraňuje tepelným spracovaním. V medziosových priestoroch sa udržiavajú nečistoty a medzoos. priestory tuhnú pomalšie. DS spôsobuje heterogenitu.

1) ROVNOVÁŽNY DIAGRAM 2 KOVOV DOKONALE ROZPUSTNÝCH V TUHOM STAVE (CU–NI) T [˚C]

zliatina Z1

Tavenina

T [˚C]

T [°C]

T T→α

1450

Cu Tuhý kov

α

1080

0 100%

20% 80%

40% 60%

60% 40%

80% 20%

α

Ni

t [s]

100% Ni 0 Cu

2) ROVNOVÁŽNY DIAGRAM 2 KOVOV NEROZPUSTNÝCH V TUHOM STAVE (ZN-SN) -

Vytvárajú charakteristický typ diagramu, ktorý sa vyjadruje eutektickým bodom. Eutektická reakcia – prebieha v bode E (eutektický bod) – pri konštantnej teplote sa z taveniny striedavo vylučujú vedľa seba kryštály Zn a Sn (mechanická zmes). Druhy eutektík: - lamelárne, globulárne, tyčinkovité, ihlicovité

Z2

Z1

Z1 T [˚C]

T [˚C]

1

T

T

1

419

T→Zn

T→E 2

0 100% Formy eutektika

Z2

E

232

100% Sn 0 Zn podeutektické zliatiny

nadeutektické zl.

T→E

E

2

t

- lamelárne - globulárne - tyčinkovité - ihlicové Diagram je charakteristický tým, že sa spájajú v jednom bode. E je daný stavbou a vlastnosťami.

Zn+E t

3) ROVNOVÁŽNY DIAGRAM 2 KOVOV ČIASTOČNE ROZPUSTNÝCH V TUHOM STAVE (AG-CU) Z1

T [˚C]

1

Tavenina T+α

2

α

T [˚C]

3

α+E

1

T→ α

T+β β

E

A

Z1

T

β+E

2

α 3

α→β

B 0 100%

100% Cu 0 Ag

Vznikajú 2 druhy tuhých roztokov alfa a beta.

t

β - segregát Segregácia – vylučovanie fázy na hraniciach zŕn. Segregát zhoršuje mechanické vlastnosti zliatiny z hľadiska tvárnosti a húževnatosti. α – Ag(Cu) β – Cu(Ag)

A – maximálna rozpustnosť medi v striebre B – maximálna rozpustnosť pri teplote okolia

ŽELEZO A JEHO ZLIATINY Zliatiny Fe a C a inými prísadovými prvkami majú pre prax mimoriadny význam. Tvoria asi 90% produkcie metalurg. závodov. Na vlastnosti železa má najväčší vplyv uhlík. Komponenty tvoriace sústavu Fe – C:

o Čisté železo – technické Ttav=1535 °C. Vyskytuje sa v 2 modifikáciách. Feα o o o

a Feγ. Je mäkké, tvárne, Rm=150-180 MPa, Re=100-140 MPa, A=50%, Z=85%. Tvrdosť HB =60. Uhlík – rozpúšťa sa v Feα a Feγ, tvorí s nimi interstitické tuhé roztoky. Ferit – interstitický tuhý roztok C v Feγ. Max. rozpustnosť C v Feα je 0,02% pri 723° C. Austenit – interstitický tuhý roztok C v Feγ. Max. rozpustnosť C v Feγ je 2,08% pri 1147 ° C.

Pri obsahoch C nad hranicami rozpustnosti v tuhých roztokoch vytvára so železom samostatné fázy.

o Cementit – Fe3C chem. zlúč. Vzniká pri 6,67% C. Ttav = 1600 °C. Je veľmi tvrdý (800 HB) a krehký – netvárny.

o Grafit – element.uhlík. Kryštalizuje v hexagon. sústave. Je mäkký, pevnosť a tvárnosť v porovnaní so železom je nepatrná. Uhlík so železom tvorí 2 binárne sústavy: - železo – cementit (metastabilná) – ocele a biele liatiny - železo – grafit (stabilbá) – sivé liatiny Cementit je metastabilná fáza a pri vhodných podmienkach sa rozkladá:

Fe3C → Fe + Cgraf = grafitizácia. Zliatiny železa rozdeľujeme na: Ocele – zliatiny Fe + C a ďalších prímesí (Mn, Si, P, S) s obsahom uhlíka do 2,08%. Uhlík sa vylučuje vo forme cementitu. Dobre tvárne. Liatiny – zliatiny Fe + C a ďalších prímesí (Mn, Si, P, S) s obsahom uhlíka nad 2,08%. Uhlík s vylučuje vo forme ?. Obsahujú v štruktúre grafit alebo eutektikum (ledeburit), ktoré prakticky nie sú veľmi tvárne, resp. sú ťažko tvárne.

METASTABILNÁ SÚSTAVA FE – FE3C. Tavenina – roztavené železo a prímesí Ledeborit – eutektikum (4,3% C, 1147 °C) je štrukturálna zložka E=A+C1 Perlit – eutektoid (0,8% C, 723 °C) je mechanická zmes (lamelárna) feritu a cementitu. Štruktúra ocelí: Podľa -

% C: eutektoidné (0,8% C) podeutektoidné < 0,8% F+P nadeutektoidné > 0,8% P+C

Eutektoidná reakcia – rozpad A (z tuhého roztoku) sa rozpadne na mechanické zmes. A=F+C. (F+C je perlit). Od obsahu perlitu závisia vlastnosti ocele. Ak je 0,8% C – 100% Perlit Ak je 0,4% C – 50% Perlit Čím je väčší obsah C tým je väčší obsah cementitu = oce+ je tvrdšia.

ROZDELENIE A DRUHY OCELÍ Vplyv prímesí na vlastnosti ocelí: Okrem uhlíka sú v oceliach prítomné aj ďalšie prvky: - sprievodné o stále (Mn, Si, P, S);  Mn a Si spevňujú ferit – pôsobia pozitívne  P a S pôsobia negatívne, snažíme sa dosiahnuť ich najmenší obsah o náhodilé (Cu, W, Mo, V) o stopové (O, N, H) – v tisícinách % sa machádzajú, nemajú vždy vplyv ale môžu spôsobiť aj lom ocele.

-

prísadové (legujúce) – Cr, Ni, Mn, Si, Mo, W, V, Al, Nb, Ti, B, N

Podľa chem. zloženia sa ocele delia: -

-

uhlíkové Fe + C o nízkouhlíkové C< 0,25% legúr o stredneuhlíkové C=0,25 – 0,6% legúr o vysokouhlíkové C> 0,6% legúr legované (zliatinové) Fe + C a legúry (Si, Cr, Mn, Ni, Mo, W) o nízkolegované do 2,5% legúr

o o

strednelegpvané 2,5 – 10% legúr vysokolegované nad 10% legúr

STN EN 10 027 – 1 (zákl. sybmoly) STN ECISS IC 10 (príd. symboly) Zákl. symboly tvorí písmeno S,P,L,E,B,H S – oceľ pre oceľ. konštr. L – potrubie P – tlakové nádoby E – ocele na strojné súč.

KONŠTRUKČNÉ OCELE OBVYKLEJ AKOSTI -

horšia čistota menej definované mech. a technol. vlastn. sú uhlíkové s . obsahom S A P nie sú určené k tep. sprac.

OCELE -

tr. 10 oceľ pre hrom. spotrebu súnajlacnejšie Rm=320-600 MPa tyče,droty, bet. oceľ, profily, plechy, pásy

OCELE -

tr.11 strojné ocele používané v strojárstve majú zaručované všetky mech. vlastnosti a niekedy aj chem. zlož. Rm=250-850 MPa

KONŠTRUKČNÉ OCELE UŠĽACHTILĚ OCELE tr. 12 -

používané na namáhané stroj. súčiastky

OCELE tr. 13 -

ušľachtilé legované ocele Mn, Si. majú vyššiu pevnosť použitie na stredne namáhané súčiastky – hriadele, čapy, ojnice, pružiny,trafoplechy

OCELE tr. 14 OCELE -

ušľ. leg. Cr (Mn, Si) najpoužív. v strojárstve výhodné mech. vlast. valivé ložiská tr. 15 ušľ. leg. Cr+Mo, V, W, Mn, Si veľmi hodnotný konštr. mat. vysoko namáh. súčasti lietadiel, výkovky rotorov žiaruvzdorné do 600 C kotly, rúrky, súč. parných turbín

OCELE tr. 16

-

ušľ. leg. Ni+Cr, V, Mo, W najkval. ocele na výr. stroj. súč. pre mot. vozidlí, lietadlí Ni je deficitný prvok

OCELE tr. 17 -

ušľ. vysokoleg. ocele Cr, Cr+Ni+ ďalšie prvky – vyznačujú sa špec. vlast. a delia sa na: o antikorozne – Cr > 12% - pasiváciaocele, chrómové ocele, nie sú magn. ani kaliteľ. o žiaruvzdorné – odolné proti oxidácii za vys. teplot. Ziaruvz. do 1200 C o žiarupevné – pracujú za vys. teplot 700 C, schopné prenášať väčšie mech. namáh. o ocele odolné proti opotr. – obvykle austenit. štruktúra, Mn ocele 1,2% C a 12% Mn.

NÁSTROJOVÉ OCELE OCELE -

tr. 19 legované uhlíkové rýchlorezné

ZLIATINY ŽELEZA NA ODLIATKY -

výrobadielov zložitých tvarov

Druhy liatin: - sivá liatina obv. akosti o najpouž. konš. mat. pre odliatky o jednoduchá výroba o malá zmraštiteľnosť o nízkaTtav o Rm=200-350 MPa o HB=120-170 o Obsah C=2,8-4%, Si=1,2-2,4% o uhlík sa vylučuje vo forme lupienkovit. grafitu  Podľa štruktúry: • feritická sivá liatina • perlitická SL • feriticko-perlitická SL - očkovaná sivá liatina - tvárna liatina – Rm=400-650 MPa - zliatinová sivá liatina (legovaná) - tvrdená liatina (povrch biely,vnútro sivé) - biela lliatina (HB=300-500MPa),C=2,4-4,5% - temperovaná liatina – dlhodobým žíhaním 930-1050 C, šuč. poľnohosp. strojov, lokomot. Sivá – C ako grafit Biela – C ako cementit

TEPELNÉ SPRACOVANIE ZLIATIN Fe – C TSZ Fe – C sa v praxi veľmi často používa za účelom dosiahnutia optimálnych mechanických vlastností, resp. špeciálne požadovaných vlastností. Všetky ocele okrem ocelí tr.10 a časti ocelí tr.11 sa musia tepelne spracovať, aby sme ich hospodárne využívali. TS kovov a zliatin sa zakladá na 2 princípoch: o schopnosti kovov a zliatin prekryšt. v tuhomstave = polymorfná premena o eutektoidná T premena austenitickéhá je 723 C Základné spôsoby TS: 1.) dosiahnutie rovnovážneho stavu – žíhanie 2.) dosiahnutie nerovnovážneho stavu – kalenie 3.) zmena chem. zloženia povrch. vrstiev= chem-tep- spracovanie 4.) zmena štruktúry súč. pôsobením plast. deformácie a tep. sprac. = termomech. sprac. Základné druhy tepelného spracovania: a) žíhanie b) kalenie c) popúšťanie

ŽÍHANIE Žíhaním dosahujeme rovnovážnejší štruktúrny stav. Používame dva základné druhy žíhania:

a.) Žíhanie s prekryštalizáciou, pri ktorom polotovar alebo hotový výrobok ohrejeme na žíhaciu teplotu, pri ktorej musí dôjsť k zmene fáz. To znamená, že ferit + cementit sa musí premeniť na austenit ( + → ). Podľa výšky teploty a spôsobu ochadzovania môžeme získať rôzne výsledné štruktúry.

b.) Žíhanie bez prekryštalizácie, ohrev polotovarov alebo hotového výrobku je na teplotu, pri ktorej nedôjde k fázovej premene. Voľba žíhacích teplôt a spôsobu ochladzovania je podmienená účelu žíhania. Normalizačné žíhanie – sa používa za účelom získať jemnú rovnorodú štruktúru. Je to najpoužívanejšie tepelné spracovanie. Homogenizačné žíhanie – difúzne, používa sa na vyrovnanie chemického zloženia cestou difúzie. Používa sa najmä u odliatkov. Žíhanie na odstránenie vnútorných pnutí – slúži na odtránenie vnútorných napätí vzniknutých najmä po tvárnení, zváraní, hrubom obrábaní, rýchlom ochladení a pod. Vnútorné napätia klesajú v dôsledku premeny elastickej deformácie na plastickú (lebo pri zvýšenej teplote 500 650° C výrazne klesá Re danej ocele). Rekryštalitačné žíhanie – slúži na obnovenie deformačnej štruktúry po tvárnení za studena. Protivločkové žíhanie – slúží na zníženie obsahu H v oceli difúziou v dôsledku zmenšovania jeho rozpustnosti v tuhom roztoku (ferite) so

znižovaním teploty. Polotovary sa musia žíhať pri ich ochladzovaní, a to buď pomalým ochladením (~ 5°C h-1), alebo dlhodobou výdržou na predpísanej teplote. Rýchlym ochladením by v dôsledku vysokých napätí vyvolaných vylúčeným H vznikli trhliny a opakovaný ohrev na žíhaciu teplotu už by nesplnil svoju úlohu. Žíhanie na odstránenie krehkosti po morení slúži na odtrsánenie H, ktorý difundoval pri morení ocelí v kyselinách. Žíhanie na mäkko – slúži na zlepšenie obrobiteľnosti ocelí s vyšším obsahom C. Zmäkčenie štruktúry sa dosiahne sferoidizáciou karbidov (Fe3C) a tak napr. lamelárny perlit sa premení na globulárny.

KALENIE Kalením dosiahneme nerovnovážny štrukturálny stav – martenzit. Austenit (Feγ(C)) sa pri podchladení premení na martenzit (Feα(C)) strihovým mechanizmom, pričom difúzia atómov Fe aj C je úplne zabrzdená. Kalením zvyšujeme pevnosť a tvrdosť. Kalenie pozostáva z ohrevu na kaliacu teplotu, výdrž na tejto teplote (austenitizácia) a ochladenie rýchlosťou vyššou ako kritická rýchlosť kalenia (zabrzdenie difúzie). Rozpad austenitu pri konštantnej teplote nám udáva diagram IRA (izotermického rozpadu austenitu). Pri plynulom ochaldzovaní diagram ARA (anizotermického rozpadu austenitu). Podľa spôsobu ochladzovania kalenie môže byť:

a.) Martenzitické – výsledná štruktúra je tvorená prevažne martenzitom a po tomto kalení musí nasledovať popúšťanie. Podľa spôsobu ochladzovania môže byť:

a. nepretržité b.

(obyčajné kalenie) sa používa najčastejšie, je najjednoduchšie, ale je nevhodné pre tvarovo náročné súčiastky vyrobené z legovaných ocelí. pretržité – znižujeme ním vnútorné napätia a takto kalíme zložitejšie strojné súčiastky vyrobené najmä z legovaných ocelí, ktorách krivky v diagrame IRA a ARA sú posunuté do prava, resp. sa rozpadávajú. Do tejto skupiny patrí: - lomené kalenie (ochladz. prostredie napr. voda a potom olej) - termálne kalenie (prvé kaliace prostredie s teplotou nad MS)

b.) Bainitické kalenie – výsledná štruktúra je tvorená prevažne bainitom. Môže byť: a. nepretržité – pričom štruktúra je tvorená bainitom a martenzitom a preto b.

po tomto kalení nasleduje popúšťanie izotermické – po tomto kalení nenasleduje popúšťanie, štrzktúra je tvorená bainitom, ktorý má optimálne mechanické vlastnosti.

Ak chceme zakaliť len povrch súčiastky, používame povrchové kalenie. Kaliteľnosť – schopnosť ocelí dosiahnuť pri kalení martenz. štrukt. o vysokej tvrdosti ocele do0,2% sú nekaliteľné,nad 0,35 C sú dobre kaliteľné Prekaliteľnosť – schopnosť ocelí dosiahnuť po kalenímarten. štrukt. do určitej hĺbky pod povrchom súčiastky. Závisí od leg. prvkov. Povrchové kalenie (ocele s C > 0,35%) - plameňom - indukčné s nasled. zakalením vodnou sprchou. Hrúbka vrstvy 1,5-10 mm.

POPÚŠTANIE Popúšťanie nasleduje po martenzitickom, resp. nepretržitom bainitickom kalení. Kalenie a popúšťanie sa súhrne nazýva zúšľachťovanie. Popúšťanie je ohrev martenzitickej štruktúry na 100 až 700 °C za účelom získania rovnovážnejších štruktúr. • Pri ohreve do teplôt 350° C je nízkoteplotné popúšťanie (štruktúra je tvorená nízkouhlíkovým martenzitom a ε-karbidom).

•

Ak teplota popúšťania je 350 – 750 ° C, ide o popúšťanie pri vysokých teplotách.

•

Pri teplotách popúšťania nad 550° C získame sorbitickú štruktúru, ktorá má priaznivú kombináciu mechanických vlastností (vysoké Re a KCV). V dôsledku zvýšených teplôt dochádza k difúzii uhlíka a martenzitu, znižuje sa jeho tetragonalita a vytvárajú sa karbidy. Sorbit ako výsledný rozpad martenzitu je disperzná mechanická zmes presýteného feritu a karbidov.

CHEMICKO TEPELNÉ SPRACOVANIE -

nasycovanie povrchu ocelí atómami nekovov (C,N,S,B) alebokovov (Cr, Al,Si, Zn) využíva sa tu difúzia tvrdý povrchpri zachovaní húževnatého jadra

Nitrocementácia – súčasné nasycovanie Ca N. Boridovanie – (900-1050 C)

TERMOMECHANICKÉ SPRACOVANIE -

využíva sa súčasné tvárnenie za tepla a kalenie vznikne superpevná oceľ (martenzit 2500 Mpa) jemnučký martenzit 2500-3000 Mpa

Zliatiny Al,Cu, Mg, Ni - prísada Ni do 2% bráni poklesu tvrdoti do 300 st. – používa sa na súčasti mlotoeov. Zliatiny Al, Zn, Mg (5-8% Zn). Zliatiny tohot typu spĺäajú podmienky pre vysokopovnostné zliatiny, t.j. Rm>(E /150), kde E je modul pružnosti v ťahu. Použitie pre vysokonamáhané nosné konštrukcie lietadiel – časti lietadiel

Hliníkové zliatiny pre odlievanie -

binárnebhh viackomponentné na báze Al-Si, Al-Cu, Al-Mg

Zliatiny Al-Si – silumíny. Patria k najlepším zliatinám na odlievanie - nizka hmotnosť - dobrá odolnosť proti korórii - kremík v eutektiku je prítomný vo forme ihlíc

Horčík a jeho zliatiny kryštalizuje v H12 má nízku hustotu 1 700 kg.m-3 - nízke mechanické vlastnosti: Rm=110 Mpa - nízka tvárnosť sa zlepšuje nad 225 Rozdelenie: - na tvárnenie (tvárnenie za tepla 300-400 C), Mg,Al,Zn – najpoužívanejšia zliatina. Pouýíva sa na výrobu rôznych polotovarov. Pri vyššom obsahu Al sa môžu vytvrdzovať. Ak pridáme Nikel môžeme až do 300 stup§ov tvárniť. Zliatiny s mangánom sú odolné voči korózii. -

-

-

na odliatky Mg-Al-Zn – najpoužívanie zlievarenské zliatiny

Titán a jeho zliatiny polymorfný kov bielej farby hustota 4500 kg.m-3 Ttav = 1668 – K8 - Pri 882 prekryštalizuje na H12 - A=15-22% - Tvárnený za studena: Rm=850 Mpa o Homogénne zliatiny s alfa fázou o Heterogénne zliatiny (alfa plus beta) (najviac používané), dvojfázové štruktúry, vynikajúce mechanické vlastnosti o Homogénne zliatiny s beta fázou (legujúce prvky sú drahé, obtiažna výroba) Tepelné spracovanie. -

-

Meď a jej zliatiny -

-

kov červenej farby merná hmotnosť – 8900 kg.m-3 mriežka K12 výborná elektrická a tepelná vodivosť prísady ju znižujú Rm=220-240 Mpa Tvárnená Rm=220 Mpa Dobrá odolnosť proti atmosferickej korózii 55% Cu – na výrobky, 45% na zliatiny

Mosadze sú zliatiny medi a zinku. Sú so štruktúrou alfa alebo alfa plus beta. Označujú sa ako Ms s číslom, ktoré udáva percento medi. Čím je menej medi, klesá vodivosť a stúpa pevnosť, znižuje sa tvárnosť. Používajú, kde je potrebná pevnosť a korózna odolnosž. Armatúry kvapalín a plynov.

Bronzy -

lilatiny Cu a Sn

-

Ak Cu+Sn >99% - cínové bronzy sú 1 a lebo 2 fázové

-

cínové bronzy – 5-20% hliníkové – 9%11% kremíkové olovené a Sn-Pb bronzy berýliové niklové

Nikel -

tvrdý a leštiteľný kov K12 najväčšia časť Ni sa používa ako prísada doleg. ocelí ZLIATINY PRE BEŽNÁ PODM. o nevytvrditeľné o vytvrditeľné ANTIKOROZNE ZLIATINY o Hastelloy A o -//- B o -//- C ŽIARUVZDORNE A ZIARUPEVNE ZLIATINY o pre prev.teploty T > 750 C o bežné lopatky turbín ZLIATINY SO ZVLAST.FYZ.VLASTN o magneticky makké zliatiny o zliatiny s nízkym koef. tep. rozťažnosti o odporové zliatiny

NEKOVOVÉ MATERIÁLY PLASTY Polyméry – materiály, ktorých podstatu tvoria makromolekulové látky – počet atómov > 1000 – makromolekuly vznikajú spojením neveľkých skupín atómov – monomérov (kov. väzbou) – polyméry sú tvorené veľkými molekulami ktorých zákl. skelet tvoria u organ. polymérov atómy uhlíka C a anorganických atómy Si a P. – na tieto zákl.stavebné atómy sa viažu atómy H,N,O,Cl,F Výhody: - nízka merná hmotnosť - odolnosť proti korózii, vode - nízkatepelná vodivosť - elektroizol. vlast - možnosť farbenia - tlmia otrasy a kmity - jednoduché spracovanie Nevýhody: - nízka tuhosť - nízka teplota použiteľnosti - nízka rozmerová stabilita Podľa správania sa za tepla: - termoplasty (plastoméry), ktoré sa účinkom tepla stávajú plastické, tvarovateľné, po ochladení nerozpustné, netaviteľné - reaktoplasty (termomery) – pôsobením tepla tvrdnú - elastoméry – mimoriadna pružnosť a malá tuhosť (kaučuk,guma) Štruktúra makromolekulových látok MML: - liineárne - sieťové - priestorové Termoplasty: - PVC - PE - Polypropylén - Polystyrén - Polymetylmetahydrát – plexisklo - Polytetrafluoretylen - teflon - Polyamidy – silon,nylon Pryž – –

mäkká, elastická, tvrdá

Polyuretány – rozmanité vlastnosti podľa surovín a podmienok výroby. Termosety: - fenolové pryskyrice - polyesterové pryskyrice Ľahčené hmoty – do pryskyrice sa zamieša penidlo, ktoré uvoľňuje plyn a tým tvorí v hmote bubliny - penovité - pórovité - voštinové Zložené materiály – kompozity, materiálový systém zložený z viacerých rôznorodých materiálov. kompozit = matrica + vložená fáza matrica = základná hmota, funkcia pojiva vložená fáza . funkcia výstuže - disperzne vystužené - izotropné - vystužené časticami - vystužené vláknami - vsrtvené Najviac používané pojivo - epoxidové živice

KERAMIKA tuhé materiály, ktoré sa získavajú tvarovaním a spekaním prírodných hlín alebo umelo vyrobených práškov s vysokou teplotou tavenia o prírodné hliny – konvenčná keramika o prášky – konštrukčná keramika Výhody: - vysoká pevnosť - nízka hustota - vysoká tvrdosť - tepelná odolnosť - korozna odolnost - ziarzvzdornost -

Nevýhody: - krehkosť, ktorá vyplýva zo zložitej kryštalovejštruktury a najma kovalentnej alebo ionovej vazby medzi atomami - ekonomická náročnosť výroby - má zlé plastické vlastnosti - nízku húževnatosť Prášková metalurgia: - výroba práškov - úprava a príprava prášku - tvarovanie prášku - spekanie vytvarovaného prášku Keramika z hľadiska chem. podstaty: - oxidická – Al2O3, ZrO2 - neoxidická – SiC, Si3N4, AlN o na báze nitridu kremíka o na báze karbidu kremíka

Keramika z hľadiska štruktúrnej stavby: - monolitické - kompozitné Použitie: strojárstvo, letectvo,kozmonautika