Tm

Technické materiály Daniel Jankura – KTaM (Mäsiarska 74) 24.11. – zápočet Max. 20 – min. 11. bodov Literatúra: Skočovský, Micheľ, Čech – Náuky o materiály

História materiálov • • • • • • • • •

6 tis. p.n.l. – meď 3 tis. p.n.l. – železo prelom 19. a 20. stor. – hliník predstavený v r. 1905 (nepoznali sa dovtedy technológie na výrobu hliníka) koniec 20-tych rokov 20.stor. – keramické materiály plášť raketoplánu – keramické doštičky 1200º teplota na lopatky v turbínach trysk. lietadla oceľové materiály použiteľné do 750 - 750º až materiály na báze niklu umožnili ohrev na vyššiu teplotu materiály zohrávajú dôležitú úlohu v priemysle

Kovové materiály 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: Stavba atómu Atóm sa skladá:

pevnosť tvrdosť tvárnosť elektrická a tepelná vodivosť kovový lesk

-

z kladne nabitého jadra v ktorom je sústredená takmer celá hmotnosť atómu. Priemer jadra oproti atómu je 10-14 m a priemer jadra oproti 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. 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

n=1 n=2 n=3 n=4

2 8 18 32

O P Q

n=5 n=6 n=7

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 Atóm

+ e- e-

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

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

Väzba kovalentná iónová kovová

Kovová väzba – kovový kryštál si môžeme predstaviť ako skupinu 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 vytvárajú elektrónový plyn.

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: Typické kovové štruktúry (mriežky): a.) Kubická plošne centrovaná – K12 – Al, Cu, Ni, Ag, Pb, Feγ (modifikácia gama) a = b = c, α = β = γ = 90° Sú 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) b.) Kubická objemovo centrovaná – K8 – Cr,Mo,V, W, Li, Na, K, Feα (modifikácia alfa) Sú málo tvárne za studena. Tvárnime ich za tepla.

Ďalší atóm je v uhlovom strede (telesná uhlopriečka). Je to stredový atóm, a patrí konkrétnemu atómu. Rohový atóm patrí aj 8 mriežkam. Tá bunka je charakterizovaná jedným parametrom. (v rohoch a telesnej uhlopriečke) c.) Hexagonálna mriežka – H12 – 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

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

žíhaný stav

Umelým zväčšením počtu porúch získame pevnejšie materiály. množstvo porúch v mriežke

Poruchy delíme do 3 základných skupín: 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 -

u čistých kovov u zliatin

Prekryštalizácia Prekryštalizácia kovov – zmena kryštalického usporiadania – premena štruktúry v tuhom stave počas ochladzovania kovu (zliatiny), napr. Fe, Be, Sn, Ce, Ti a i. 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:

K8 za studena sa ťažko tvárni. 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) • neobmedzený A 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. Mechanizmy difúzie: - vzájomnou výmenou miest - kruhovou výmenou - pohybom vakancií - pohybom iónu po medziuzliach 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.

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)

Mechanické vlastnosti: • • • • •

pružnosť pevnosť tvárnosť húževnatosť plastičnosť

Chemické vlastnosti: • • •

korózne optické emisné

Technologické vlastnosti: Udávajú vhodnosť materiálu pre danú technologickú operáciu. • • • •

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

-

rázové

F

Druhy zaťaženia:

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 - 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 FN – normálová zložka FS – šmyková zložka normálové napätie

 1  0,5

0

45

90

šmykové napätie

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 ()

lom

A

∆l = l − l0

pomerne predĺžená

ε=

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. Pružnosť

– schopnosť materiálu pred porušením vrátiť sa do pôvodného stavu

Pevnosť

– schopnosť materiálu znášať zaťaženie

Ťažnosť

– je pomerné predĺženie skušobného materiálu vyjadreného v percentách

Kontrakcia

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

A=

– je pomerné zúženie skušobného

l − l0 .100[ %] l0

S0 − S [ %] S0 Húževnatosť – schopnosť materiálu pred porušením pohltiť prácu (energiu) materiálu vyjadreného v percentách

Z=

∆l l − l0 = l0 l0

Tvrdosť

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