1) Atomy a molekuly v tuhých látkách a druhy vazeb mezi nimi

Transkript

1 1) Atomy a molekuly v tuhých látkách a druhy vazeb mezi nimi Ø Iontová - nejjednodušší vazba, která spočívá v elektrické přitažlivosti mezi elektropozitivními a elektronegativními ionty (u prvků ležících blízko v periodické tabulce vzácným plynům) Ø Kovalentní - název je odvozen od názvu kolektivní valence, 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 rozpouštěním se molekuly nemění. Příkladem této párové vazby elektronů je např. H 2 O, CO 2, Cl 2. Ø Kovová - podobá se 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. Projevuje se především u prvků, které mají nízký počet elektronů ve vnější sféře, což jsou právě především kovy. Ø Van der Waalsova - běžná u prvků nebo chemických sloučenin s velmi stabilní valenční skupinou, což jsou např. inertní plyny Ø Vodíková 2) Krystalové mřížky Podle počtu prvků souměrnosti mřížky se krystaly rozdělují do 7 krystalografických soustav. V každé této soustavě mohou existovat až 4 typy základních mřížek: - mřížka prostá 1 atom (8 rohových přísluší 8sousedním buňkám 8/8) - bazálně středěná 2 atomy (rohové + 2 ve středu horní a spodní základny - 8/8 + 2/2) - prostorově středěná 2 atomy (rohové + 1 ve středu rovnostěnu 8/8 + 1) - plošně středěná 4 atomy (rohové + ve středu každé stěny 8/8 + 6/2) Většina technicky důležitých kovů krystalizuje v soustavě krychlové plošně středěné (fcc), krychlově tělesně středěné (bcc) a šesterečné (hex). Celkem existuje 14 prostorových (Bravaisových) typů mřížek v 7 krystalografických soustavách Typy krystalových mřížek Ø Trojklonná (triklinická) 1 typ o prostá mřížka Ø Jednoklonná (monoklinická) 2 typy o mřížka prostá o bazálně centrovaná Ø Kosočtverečná (ortorombická) 4 typy o mřížka prostá o bazálně středěná o prostorově středěná o plošně středěná Ø Čtverečná (tetragonální) 2 typy o mřížka prostá o prostorově centrovaná Ø Trigonální (romboedrická) 1 typ o mřížka prostá Ø Šesterečná (hexagonální) 1 typ o bazálně centrovaná Ø Krychlová (kubická) 3 typy o mřížka prostá o prostorově centrovaná o plošně centrovaná

2 3) Mřížkové vady Z geometrického hlediska lze vady v krystalech rozdělit na: - Bodové vady vakanace (bezrozměrné), - Čárové vady dislokace (jednorozměrné), - Plošné vady (dvojrozměrné), - Prostorové vady (trojrozměrné). Z termodynamického hlediska jsou stabilní a nestabilní. Mřížka skutečných krystalů není nikdy dokonalá!! Bodové poruchy - vakance 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. Bodové poruchy vlastní intersticiál Intersticiály vznikají snadno v krystalech s velkou meziatomovou vzdáleností. Všechny intersticiální polohy nemohou být obsazeny z důvodu elastické deformace okolí poruchy. S přechodem atomu do intersticiální polohy je spojena dilatace mřížky. Bodové poruchy cizí intersticiál Bodové poruchy substituční atom příměsi Migrace bodových poruch Bodové poruchy se mohou pohybovat krystalem. Mechanizmem jejich pohybu jsou diskrétní přeskoky z jednoho uzlového bodu do sousedního (vakance) nebo mezi intersticiálními polohami (intersticiální atomy a příměsi). Přeskok vakance je dán relativně přeskokem sousedního atomu na její místo. Atom přitom musí překonat energetickou bariéru. 4) Čárové poruchy dislokace Čárové poruchy krystalické mřížky vznikají přesunutím (dislokováním) určitého množství atomů při skluzovém pohybu vzhledem k vrstvě sousední. Poruchy se nazývají dislokace. Přítomnost dislokace v krystalu vyvolává pružnou deformaci mřížky, které odpovídá napěťové pole okolo dislokace. Významnou vlastností dislokací je schopnost pohybovat se krystalovou mřížkou. Hranové i šroubové dislokace se mohou pohybovat především skluzem ve skluzové rovinně, překročí-li skluzové napětí v rovině a směru skluzu určitou mezní hodnotu. Čárové poruchy jsou dvojího druhu 1. Hranové 2. Šroubové Dislokace se mohou pohybovat krystalem: 1. Šplháním 2. Skluzem Interakce dislokací s překážkami K pohybu dislokace jinak dokonalou mřížkou stačí i velmi malé hodnoty smykového napětí. V reálných krystalech se však dislokace setkává s překážkami, jejichž překonání vyžaduje zvýšení skluzového napětí. Překážkami jsou například jiné dislokace, atomy příměsí a částice jiných fází. Ø Na překážkách typu atomů příměsí nebo jiných částicích (precipitátech) se dislokace uchytí. Ø K dalšímu pohybu je nutné dodat zvýšené napětí k překonání této bariéry. Ø Interakce dislokací s atomy příměsí a precipitáty je základním principem zpevňování kovů.

3 Obr.: Modely hranové dislokace (a, b) a) postup určení jejího Burgersova vektoru b, c) prostorový model. c) Obr.: Burgersova smyčka: A) mřížka bez poruch, B) mřížka s hranovou dislokací; Obr.: Model šroubové dislokace a určení jejího Burgersova vektoru b. 5) Plošné vady mřížky Ø Vrstevné chyby. Ø Hranice zrn Velkoúhlová hranice (více než 15 ), maloúhlová hranice (1-2 ). Ø Volné povrchy krystalů. Ø Vysoceporuchová oblast s energií vyšší než má mřížka uvnitř zrna. Ø Hranice zrna se vyznačují specifickými fyzikálními a chemickými vlastnostmi, které ovlivňují pochody v polykrystalických materiálech segregace příměsí, přednostní precipitace sekundárních fází aj. 6) Difúze - kovy a slitiny Jedním ze způsobů přenosu hmoty, při kterém se její částice i vakance pohybují vzhledem k sousedním částicím. Podstatou difúze je tepelný pohyb částic je proto silně závislá na teplotě (při vyšší teplotě je difúzní pohyb atomů snazší). K difúzi dochází v každém skupenství v tuhém prostředí je však jediným způsobem přenosu hmoty. Difúzí se zpravidla zmenšují koncentrační rozdíly, neboť hmota je přenášena z místa o vyšší koncentraci na místo o koncentraci nižší; v opačném případě se jedná o tzv. obrácenou difúzi. Difúze v jednosložkové soustavě nebo fázi se nazývá autodifúze (můžeme ji pozorovat pouze pomocí radioaktivních izotopů daného prvku). V mnohasložkové heterogenní soustavě se difúzí mění chemické složení jednotlivých fází a přenos hmoty se uskutečňuje i přes fázové rozhraní za předpokladu, že je difundující prvek v dané fázi alespoň částečně rozpustný. Na obr. 4-1 je znázorněn difúzní článek složený z kovů A a B (a), které jsou schopny tvořit tuhý roztok v celém rozsahu. Na počátku Difúze jsou atomy obou kovů přísně odděleny (b, c). V okamžiku, kdy může probíhat Difúze, se atomy začnou vzájemně mísit. I po dlouhém čase jsou však schopny proniknout jen do určité vzdálenosti od fázového rozhraní, takže difúzní článek bude po ukončení Difúze složen v podstatě ze tří fází (d): čistých kovů A a B uložených ve velké vzdálenosti od rozhraní a nově vzniklé slitiny A B v blízkém okolí rozhraní. Na (e) je

4 znázorněno rozložení atomů po ukončení Difúze, (f) ukazuje průběh koncentrací kovů A a B ve v zniklé slitině v závislosti na vzdálenosti od rozhraní. Obr. 4-1: difúzní článek kovů A a B na počátku Difúze Vždy se mluví o difúzi něčeho v něčem Difúze látky A v látce B nebo naopak. Technický význam Difúze spočívá jak v prospěšných (chemicko tepelné zpracování např. cementování, nitridování), tak i ve škodlivých (oduhličení nástrojových ocelí při jejich zpracování za vysokých teplot) změnách koncentrace a ve fázových a strukturních změnách buď jen v povrchových vrstvách výrobků nebo v celém jeho objemu. Difúze je rovněž významná při odlévání, tváření za tepla, svařování, pájení a v dalších technologických procesech. 7) Difúze mechanismy Mechanismy Difúze v krystalických materiálech je možno rozdělit na individuální a skupinové mechanismy difúze. Individuální mechanismy difúze: Ø intersticiální (a) nezávisle na ostatních se jeden intersticiální atom pohybuje z jedné intersticiální dutiny do druhé. Ø vakantní (b) substituční atomy využívají ke svému přemístění blízké vakance. Skupinový mechanismus je organizovaný pohyb více částic patří sem: Ø výměnný (c) dochází při něm k výměně místa mezi dvěma sousedními stejně velkými atomy. Pravděpodobnost výskytu výměnného mechanismu malá. Ø kruhový (d) jedná se o výměnu místa mezi několika sousednímu stejně velkými atomy. Ø nepřímý intersticiální (e) představuje postupný přesun atomu z jedné uzlové polohy do polohy intersticiální a do další uzlové. 8) Napětí a deformace (složky napětí, elastická a plastická deformace, závislost mezi napětím a deformací) Závislost mezi napětím a deformací vyjadřuje Hookův zákon. Deformační a lomové chování materiálů Ø Působením vnějších sil mění tělesa svůj tvar - jsou deformována. Ø Při překročení mezních podmínek dochází k lomu. Ø 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 navrhované konstruktéry. Zatěžujeme-li těleso tak, že je jeho deformace vratná, tj. že po odlehčení vymizí (těleso nabývá původní tvar a objem), hovoříme o elastické (pružné) deformaci.

5 Elastická deformace je umožněna relativně malým posunem atomů kolem rovnovážných poloh v krystalové mřížce. Elastickou deformaci vyjadřuje Hookův zákon. 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 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 mají strukturu polykrystalickou. Protože jednotlivá zrna jsou náhodně orientována elastické charakteristiky polykrystalických materiálů prakticky nezávisí na směru působícího napětí a jsou tedy izotropní. Anelastická deformace Pružná (elastická) deformace je charakterizována úplnou reverzibilností a platností Hookeova 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. 9) Plastická deformace mechanismy, kritické skluzové napětí (bez odvození) 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 jejich deformačního zpevňování. Společnými vnějšími činiteli, které modifikují proces plastické deformace, jsou teplota a rychlost deformace. 10) Plastická deformace monokrystalů Mezi základní mechanizmy, kterými se realizuje plastická deformace kovů a slitin, patří deformace skluzem, tj. pohybem dislokací ve skluzových rovinách a deformace dvojčatěním. 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 směrů v krystalové mřížce je aktivní ten skluzový systém (rovina a směr) v němž má smykové napětí nejvyšší hodnotu. Ke skluzovému pohybu dislokací dochází při relativně nízkých hodnotách kritických skluzových napětí τ. 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 se směrem hlavního napětí úhel φ, působí smyková složka síly F ve směru, který svírá se směrem hlavního napětí úhel λ. Potom smykové napětí v rovině skluzu: F.cosλ F τ = =.cosλ.cosϕ S S ϕ 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 σ K, potomτ kr = σ K.cos λ. cosϕ

6 τ kr Mez kluzu je určena rovnicíσ K = kde součinitel m se označuje jako Schmidtův faktor s max m hodnotou m=0,5 pro ϕ=45 Dvojčatění se projevuje náhlým přeskupením celého úseku krystalové mřížky. Nová mřížka má pravidelné uspořádání, stejné jako původní mřížka, je však symetricky přetočena vzhledem ke své původní rovině. Plastická deformace polykrystalu Plastická deformace se uskutečňuje, když se dosáhne napětí potřebné pro hromadný pohyb dislokací. Polykrystalický kov je agregát náhodně orientovaných krystalů (zrn) různé velikosti, které jsou propojeny společnými hranicemi. Deformace jednotlivých zrn je orientačně závislá a vzájemně se omezuje. Skluz začne v tom zrnu a skluzovém systému, v němž se dosáhne kritického skluzového napětí nejdříve. V příznivě orientovaných zrnech se již od malých deformací uplatňuje vícenásobný skluz a rychlé zpevňování, kdežto v ostatních skluz ještě nezačal. V čistém polykrystalickém kovu nedojde k plastické deformaci spontánně při určité hodnotě tahového nebo smykového napětí, ale bude docházet k postupnému odklonu závislosti napětídeformace od přímky elastických deformací. Mechanizmy zpevnění polykrystalu Deformační zpevnění - interakce dislokací. Zpevnění hranicemi zrn hranice - jsou pro dislokace neprůchodné, dislokace se kupí a napětí pro další deformaci se zvyšuje. Zpevnění legováním - interakce dislokací s atomy příměsí Zpevnění částicemi Precipitační zpevnění - částice vzniklé rozpadem přesyceného tuhého roztoku Disperzní zpevnění - viz. prášková metalurgie V praxi se uplatňuje vždy několik druhů zpevnění zároveň. 11) Zpevňování materiálu Čisté kovy jsou velmi tvárné a plasticky se deformují již při velmi malých mechanických napětích. Existují čtyři důležité způsoby zvyšování meze průtažnosti slitin: 1. Mechanické blokování pohybu dislokací zachycováním dislokací rozpuštěnými atomy, 2. Precipitační vytvrzování (využití změny rozpustnosti přísady např. Cu) má následující tři kroky: a) rozpouštěcí žíhání, b) rychloochalzení, c) umělé stárnutí. Používá se u některých hliníkových slitin. 3. zamezení pohybu dislokací uspořádáním na krátkou vzdálenost, 4. zvětšením hustoty dislokací tak, aby docházelo k provázání dislokačních smyček. Další možností je mechanické zpevňování pomocí plastické deformace, avšak jeho aplikace je omezena na poměrně nízké teploty při nichž nedochází k opětovnému ustanovení rovnováhy. Důležitým faktorem při mech. zpevňování je uspořádání dislokací. Každý mechanismus zpevňování krystalů může zvýšit mez průtažnosti na hodnoty G. Tváření za studena obecné vlivy na materiál 1) zvyšování množství poruch 2) vyčerpávání plastických vlastností 3) zvyšování meze pevnosti a kluzu 12) Odpevňování materiálu Zpevnění materiálu vzniklé plastickou deformací za studena, zjemněním zrna nebo vznikem přesyceného tuhého roztoku je možno odstranit tepelným zpracováním žíháním. Např.

7 původní struktura a vlastnosti změněné deformací za studena jsou obnoveny během dvou odlišných procesů zotavení a rekrystalizace, které mohou být následovány ještě růstem zrna. Zotavení Při vyšší teplotě tepelného zpracování je část elastických vnitřních pnutí nahromaděných v materiálu spotřebována na pohyb dislokací způsobený snadnějším pohybem atomů. Děj je doprovázen snížením počtu dislokací a vznikem dislokační struktury. Navíc jsou na úroveň před zpevněním obnoveny některé fyzikální vlastnosti (např. elektrická a tepelná vodivost). Rekrystalizace Dalším procesem způsobujícím odpevnění materiálu je rekrystalizace. Při tomto teplotně i časově závislém ději vznikají ve zpevněném materiálu nová nedeformovaná rovnoosá zrna s nízkou hustotou dislokací. Hnací silou vzniku nové struktury je rozdíl vnitřních energií deformované a nedeformované struktury. Nová zrna vznikají jako velmi malé zárodky, které rostou na úkor deformovaného materiálu. V jednom deformovaném zrnu přitom vznikne několik zárodků nových zrn. Tak z jednoho původního zrna vznikne několik nových je jasné, že tato nová zrna musí být po ukončení rekrystalizace menší než původní. Proto je rekrystalizace deformačně zpevněného materiálu využívána ke zjemnění zrna a tím k získání lepších mechanických vlastností materiálu. V důsledku rekrystalizace se do původního stavu vracejí i mechanické vlastnosti materiálu ten se stává měkčím, tvárnějším a méně pevným. Růst zrna Je-li materiál ponechán na vyšší teplotě, pokračují nová zrna ve svém růstu. Proces růstu zrna však není spojen pouze se zotavením a rekrystalizací dochází k němu při zvýšené teplotě u každého polykrystalického materiálu kvůli zmenšení celkového povrchu zrn. 13) Odpevňovací pochody faktory ovlivňující únavu materiálu Obnova (restaurace) struktury i vlastností zotavení (0,1-0,3 Tt) rekrystalizace (0,35-0,4 Tt) tváření za studena (pod rekrystalizační teplotou) tváření za tepla (nad rekrystalizační teplotou dynamická rekrystalizace) 14) Lom druhy, rozvoj Lom je mezním stavem katastrofální následky (havárie letadel, jaderných zařízení, lodí, potrubí). Vznik lomu vyžaduje porušení meziatomových vazeb a oddělení dvou částí materiálu. U monokrystalu je to možné: Ø Usmýknutím skluzovým mechanizmem působení smykového napětí tvárný lom Ø Štěpením odtržení v určité krystalografické rovině působení normálového napětí štěpný lom. U polykrystalu díky přítomnosti hranic zrn musíme ještě lom rozlišit na: Ø Transkrystalický lom procházející zrny

8 Ø Interkrystalický lom po hranicích zrn Dle energetického hlediska lomy rozdělujeme na: Ø houževnaté a Ø křehké. Nukleace a rozvoj porušení Ø Zárodkem trhlin jsou již existující necelistvosti z výroby a zpracování materiálu, nebo trhlinky, jenž se vytvoří při zatěžování. Ø Při překročení kritické velikosti trhliny při daném napětí se trhlina rozeběhne (rychlost šíření trhliny dosahuje rychlosti zvuku daného materiálu) nezávisle na vnějším napětí a vznikne lom nestabilní šíření trhliny křehký lom trhlina materiálu). Ø Při podmínkách houževnatého porušení mají kovové materiály dostatečnou plasticitu lokální zvýšení napětí relaxuje stabilní šíření trhliny pro šíření trhliny je nutné dodávat energii. Z hlediska bezpečného provozu strojů a konstrukcí mají rozhodující význam podmínky pro zahájení nestabilního šíření trhliny, které nelze ovládat kritická velikost trhliny při daném napětí nebo napětí pro danou délku trhliny. K hodnocení možností křehkého porušování používáme přístup: Lomové mechaniky posuzování energetického stavu soustavy (lomová houževnatost, kritické otevření trhliny, J integrál ) Teplotně tranzitní způsob porušení i spotřebovanou energii ovlivňuje výrazně teplota. U kovů s fcc mřížkou klesá energie na porušení plynule, ovšem u kovů s bcc mřížkou je naopak charakteristický prudký pokles v úzkém rozmezí teplot. 15) Tečení creep Při zvýšených teplotách probíhají v krystalové mřížce souběžně s deformací v závislosti na čase tepelně aktivované zotavovací procesy. Jimi se dosažený odpor proti deformaci zmenšuje, takže i při stálé hodnotě napětí se trvalá deformace tělesa s rostoucí dobou zatěžování zvětšuje teče (creep). Při teplotách nad 0,4 T vede tečení k lomu mezní stav nastává i při napětích nižších než je mez kluzu. Při homologických teplotách nad 0,60-0,70 se u většiny kovů projevuje značný pokles napětí potřebného k plastické deformaci využití při tváření za tepla. 16) Relaxace (mechanismus, křivky) Časově závislá přeměna pružné deformace na plastickou, která probíhá za vyšších teplot při stálé celkové deformaci. Relaxace má dvě stadia odpovídající primárnímu a sekundárnímu tečení. Relaxací rozumíme časově závislou přeměnu elastické deformace na plastickou, jenž probíhá za vyšších teplot při stálé celkové deformaci: εc εe εp = konst. Pochody, kterými se uskutečňuje nárůst plastické deformace při relaxaci, jsou obdobné jako při creepu. Probíhají však při měnícím se napětí a dosahují podstatně menších plastických deformací. Relaxace má však jen dvě stádia odpovídající primárnímu a sekund sekundárnímu creepu! Negativním způsobem se projevuje u nalisovaných spojení, u přírubových spojů a u pružin pracujících za vyšších teplot. V uvedených případech se požaduje co největší odolnost matriálu proti relaxaci napětí. 17) Únava dle Wöhlerovy křivky Únava se rozděluje z hlediska počtu cyklů na tři typické oblasti: a) oblast kvazistatického lomu kdy k poruše dojde již při prvním výkmitu zatížení nebo max. po několika desítkách cyklů, nejedná se o únavový proces;

9 b) oblast nízkocyklové únavy spadá do životnosti v rozmezí 10 2 až max 10 5 kmitu, únavový lom má hrubší strukturu, rozhodující je makroplastická deformace c) oblast vysokocyklové únavy zahrnuje životnost vyšší než kmitů, únavový lom má hladký až hedvábný lom, dochází k mikroplastické deformaci ve struktuře (na hranicích zrn) Časový průběh únavy 1. Stádium změn mechanických vlastností V důsledku kumulace plastické deformace se mění rozložení a hustota dislokací v materiálu. Materiál mění svoje mechanické vlastnosti, cyklicky změkčuje nebo zpevňuje. 2. Stádium vzniku únavových trhlin V důsledku pokračujících kumulace plastické deformace dochází na povrchu vzorku ke koncentraci napětí a deformace v okolí koncentrátorů napětí a ke vzniku prvých mikrotrhlin v těchto místech. 3. Stádium šíření únavových trhlin V předchozím stádium vzniklé mikrotrhliny neustále rostou, přičemž z důvodu nerovnoměrného rozložení napětí a deformace se z některé z nich stane trhlina řídící. Tato trhlina pak proroste značnou část vzorku, zatímco u ostatních trhlin je růst potlačen. Při překročení kritického napětí ve zbylé části vzorku dojde k závěrečnému dolomení. Třetí stádium je tedy ukončeno únavovým lomem součásti. 18) Lom při únavě, činitelé ovlivňující únavu materiálu Jen malá část strojních dílců a konstrukcí je namáhána v provozu stálými nebo pomalu měnícími se silami. Většinou jde naopak o opakující se rychlé dynamické namáhání (hřídele, čepy, pružiny, mostní konstrukce apod.). 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. apod.). V takovém případě mluvíme o únavě materiálu a o únavovém lomu 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 poškození. 1. změny v mikrostruktuře a poruchovosti mřížky, spojené se změnami vlastností, 2. vznik zárodků trhlin, 3. šíření trhlin. Proces končí lomem, který se někdy označuje za čtvrté stádium. 19) Rozdělení mechanických zkoušek: I. Podle charakteru zatěžování a) statické b) dynamické II. Podle zjišťované vlastnosti či souborů vlastností a) zkoušky pevnostních vlastností b) zkoušky tvrdosti

10 c) zkoušky únavy III. Podle druhu namáhání a) zkoušky tahové b) zkoušky tlakové c) zkoušky ohybu IV. Podle teploty a prostředí. 20) Zkouška tahem ČSN Zkušební těleso tyč: a) kruhový průřez b) čtyřhranný průřez tyče: a) dlouhé L 0 = 10d b) krátké L 0 = 5d Obr.: Tyč pro zkoušku tahem. Kde: L 0 výchozí délka zkušební tyče d 0 průměr válcové zkušební tyče Prodloužení tyče: ΔL = L L 0 L L ε = L L je měřená délka tyče v daném okamžiku zatěžování F Smluvní napětí: R = ( MPa) σ = E ε S Poměrné prodloužení: (%) Obr: Pracovní diagram zkoušky tahem měkké uhlíkové oceli. 0 R e mez kluzu Rp smluvní mez kluzu odpovídá trvalé deformaci 0,2% z délky L0 R a mez úměrnosti R m mez pevnosti R he horní mez kluzu R de dolní mez kluzu E modul pružnosti E = tgα Počáteční přímkový úsek přísluší pružné deformaci a vyjadřuje úměrnost napětí a deformace podle Hookeova zákona. Další část diagramu až do přetržení tyče (bod U) souvisí s plastickou deformací a deformačním zpevňováním. LU L Tažnost: A = 0 100( %) L0 L U konečná délka zkušební tyče po přetržení - poměr prodloužení měřené délky tyče po přetržení k počáteční měřené délce vyjádřený v %. S0 SU Kontrakce (poměrné zúžení): Z = 100( %) S0 S U nejmenší plocha příčného průřezu zkušební tyče po přetržení S 0 původní průřez zkušební tyče

11 - poměr rozdílu počátečního a nejmenšího průřezu zkušební tyče po přetržení k počátečnímu průřezu vyjádřený v %. Princip statické zkoušky tahem Tyč s původní délkou L 0 a průřezem S 0 zatěžujeme statickou silou F. Vnější síla vyvolá napětí F F R =. Jde o domluvené napětí protože skutečné napětí je σ =, kde S je skutečný průřez S O S tyče. Při větším zatížení se u tvárných materiálů zkušební tyč zužuje S < S 0, proto σ > R. Síla F vyvolá prodloužení ΔL. V průběhu zkoušky se automaticky zaznamenává pracovní diagram ΔL F. Po ukončení se měří L U délka po přetržení, d U průměr po přetržení a určí se S U průřez po přetržení. a) b) Obr.: Pracovní diagramy zkoušky tahem a) pro různé materiály, b) pro různé teploty. Obr.: Pracovní diagramy zkoušky tahem A) s mezí kluzu, B) bez výrazné meze kluzu. Obr.: Vliv tvaru zkušební tyče na pracovní diagramy zkoušky tahem měkké uhlíkové oceli. Nepříznivou prostorovou napjatost vyvolávají místní koncentraci napětí např. vruby a náhle změny tvaru. S rostoucím vrubovým účinkem se mění tvar pracovního diagramu zkoušky tahem, zvětšuje se mez kluzu a pevnost a zmenšuje se tažnost. Ke křehkému porušení bez větší plastické deformace přispívá i účinek vnitřních vad (vměstky, technologické vady), nevhodný tvar dílce, náhle změny zatížení, nízké pracovní teploty, teplotní gradienty a další činitele.

12 Obr: Mechanický trhací stroj s ručním ovládáním: 1 indukční snímač sily, 2 indukční průtahoměr, A vzorek, B příčník, C ovládání, V vřeteno, P převodovka, M motor. 21) Únavové zkoušky: Při opakovaném zatěžování i menší silou může dojít k porušení únavový lom, vícenásobné opakování. Zkouška ohybu za rotace: - zkušební tyč v ložisku točení, nepatrný pohyb střídavé namáhaní Obr.: Únavový proces: σ c mez únavy a σ n - časová mez únavy. Rc ( σ c ) mez únavy nejčastější napětí, které materiál vydrží, při nekonečnem počte cyklů aniž dojde k porušení. Rn ( σ n ) - časová mez únavy - napětí, které mat. vydrží po určitý počet cyklů n - napětí při kterém dojde k porušení mat. ( cyklů). Hodnocení odolnosti vůči únavě: - Wohlerova křivka závislost poštu cyklů do lomu od amplitudy napětí. Pro konstantní střídavé namáhání. - Smithov diagram dává přehlednou informaci o odolnosti materiálu proti porušení při opakovaném namáhání kombinovaném se statickým předpětím. 22) Zkoušky tvrdosti. Praktické aplikace, mikrotvrdost. Tvrdost odpor proti vnikání cizího tělesa do povrchu zkoušeného materiálu. Posuzujeme ji podle velikosti stopy, která vznikla vtlačováním tělesa vhodného tvaru (kulička, kužel, jehlan) a z dostatečně tvrdého materiálu (kalená ocel, slinutý karbid, diamant) do zkoušeného vzorku určitou silou za definovaných podmínek. Zkoušky tvrdosti se člení na: vrypové a dále na: statické

13 vnikací dynamické odrazové Statické zkoušky tvrdosti - zkoušky vrypové a vnikací - vrypová zkouška (podle Martense), u kovových materiálu se k vytvoření vrypu používá diamantového kužele s vrcholovým úhlem 90. Posuzuje se: a) zatížení kužele nutné k dosažení vrypu určité šířky, b) nebo převrácená hodnota šířky vrypu při konstantním zatížení diamantu. Zkouška se užívá jen omezeně. Vnikací zkoušky tvrdosti - nejrozšířenější a nejvýznamnější - zkoušky podle Brinella, Rockwella a Vickerse II. Obr: Tvary nejčastěji užívaných vnikacích těles a zjišťované rozměry vtisků při měření tvrdosti. Metody: a) Brinellova, b) Rockwellova, c) Vickersova, d) Knoopova. podle Brinella: - do zkoušeného materiálu se zatlačuje určitou silou F ocelová kalená kulička o průměru D = 10; 5; 2,5; 2 a 1 mm. - do tvrdosti 400 HB - kalené ocelové kuličky - nad 400 HB - kuličky ze slinutých karbidů HB Obr: Schéma zkoušky tvrdosti podle Brinella D 2 2 = - plocha vtisku A = π ( D D d ) 0,102F A kde F - zátěžná síla (N) A - plocha vtisku (mm 2 ) D - průměr kuličky (mm) d - průměr vtisku (mm) Zatížení se volí jako násobek čtverce průměru kuličky: kde F = K D 2 K konstanta (K = 30 pro ocel, K = 10 pro neželezné kovy a slitiny, K = 2,5 pro měkké neželezné kovy a kompozice) Doba zatěžování za normálních podmínek (D = 10 mm, F = 3000 kp): - u ocelí a litin s, - u neželezných kovů s (podle měřeného materiálu) 2

14 Jiné podmínky zkoušky označíme: HB průměr D (mm), F (kp), doba zatěžování (s), např. 280 HB 5/750/20. Z výsledků zkoušky tvrdosti je možno určit informativně pevnost v tahu: R m = k HB kde k = 3,1 4,1 pro ocel (uhlíková ocel k 3,6; chromniklová ocel k 3,4 ) k = 2,3 pro litý bronz k = 2,6 pro hliník III. podle Vickerse: - vnikacím tělískem je diamantový čtyřboký jehlan o vrcholovém úhlu 136. Obr.: Schéma zkoušky tvrdosti podle Vickerse. F HV = 0,189 2 d kde - F - zátěžná síla (N) - d aritmetický průměr délky úhlopříček vtisku (mm) - Zatížení lze volit libovolně, prakticky se užívají zatížení odstupňovaná v deseti stupních od 9,8 (1) do 980 (10) N (kp). - Základní podmínky: F = 294 N (30 kp), čas zatížení s HV / 10 / 30 (tvrdost při zatížení 10 kp (98 N) po dobu 30 s) - pevnost zjistíme přepočítáním na Brinella IV. podle Rockwella: - vnikacím tělískem je diamantový kužel s vrcholovým úhlem 120 a zaoblením hrotu 0,2 mm nebo kalená ocelová kulička o průměru 1/16 (palce) (= 1,5875 mm). - měří se hloubka vtisku dosaženého za definovaných podmínek Postup měření: a) Vnikací těleso nejprve zatíží základným předběžným zatížením F 0 (98 N). Stupnice hloubkoměru se nastaví v zatíženém stavu do počáteční polohy. b) Poté se uplatní přídavné zatížení F 1 (1373 N) (celkové zatížení F (1471 N) = F 0 + F 1 ). c) Po odlehčení na zatížení F 0 (98 N) se na hloubkoměru odečte přímo tvrdost v příslušné stupnici. (Tvrdost je dána hloubkou vtisku E 1, které se dosáhlo aplikací plného zatížení, měřenou od hloubky odpovídající předběžnému zatížení a zmenšenou o zpětnou pružnou deformaci.)

15 Obr.: Schéma postupu měření tvrdosti podle Rockwella. Nahoře postup zatěžování, dole detail průniku vnikacího tělesa do vzorku a jeho měření. Podle vnikacího tělesa a velikosti zatížení jsou jednotlivé stupnice tvrdosti podle Rockwella označeny: - HRA diamantový kužel, F = 600 N, tenké vrstvy a křehké materiály - HRB kalená kulička, F = 1000 N, měkké materiály - HRC diamantový kužel, F = 1500 N, tvrdé materiály (kalené apod.), nejběžnější, uplatňuje se v rozsahu HRC Dynamické zkoušky tvrdosti - dynamické měření tvrdosti je méně přesné než statické - zkušební tělísko na zkušební vzorek působí rázem - zkoušky - vnikací plastická deformace povrchu zkušebního tělesa - - odrazové velikost odrazu zkušebního tělesa Vnikací zkoušky: - Poldi kladívko (vnikací těleso kulička) - Baumannovo kladívko (vnikací těleso kulička) Měření kladívkem Poldi: Kladívko s vloženým porovnávacím etalonem se přiloží na zkušený povrch a úderem kladiva na úderník vznikne vtisk ve zkoušeném materiálu a zároveň v porovnávacím etalone známe tvrdosti. Z velikosti obou vtisků se v tabulce odečte tvrdost, popřípadě i přibližná pevnost. Obr.: Schéma kladívka Poldiny huti: 1 úderník, 2 porovnávací etalon, 3 zkoušený materiál. Měření Baumannovým kladívkem: Pracuje přímou metodou, rázová energie k vytvoření vtisku je vyvozena pružinou. Odrazové zkoušky: Metoda Shoreho: Tvrdost se posuzuje podle výšky odrazu závaží s diamantovým kulovitě ukončeným hrotem, které dopadlo z určité výšky na zkoušený předmět. Tvrdoměr se nazývá skleroskop. Používá se jen výjimečně.

16 Obr.: Schéma Shoreho skleroskopu. 23) Rázové zkoušky ohybem: Zkouška vrubové houževnatosti: - zkušební tyč má rozměry 10 x 10 x 55 mm - Charpyho kladivo Obr.: Poměry při rázové zkoušce v ohybu na kyvadlovém kladivu: a) schéma Charpyho kladiva: 1 rám, 2 zkušební tyč, 3 kyvadlové kladivo, 3a tvar břitu kladiva, 4 vlečná ručka, 5 stupnice; b) údaje pro výpočet nárazové práce: G kývající hmota (hmotnost kladiva a části ramena); r poloměr dráhy břitu. - zkouška záleží v přeražení zkušební tyče jedním rázem kyvadlového kladiva a v určení nárazové práce, která se přitom spotřebovala. - Zkouška se používá zejména u ocelí. Vzhledem k jejich většinou velké houževnatosti by se v některých případech zkušební tyč nepřerazila, ale pouze plasticky deformovala. Proto se tyče opatřují vrubem (U vrub, V - vrub), v jehož koření dochází při úderu kladiva ke koncentraci napětí a vzniká oblast složité napjatosti, což usnadní nukleaci trhliny a vytvoří předpoklady pro křehké porušení. - Zkušební tyče jsou při přerážení uloženy na dvou podporách (podle Charpyho) nebo letmo (podle Izoda). Obr.: Zkušební tyč a kyvadlové kladivo. Obr: Typy zkušebních tyčí a jejich uložení při rázové zkoušce ohybem: a) zkouška typu Charpy, zkušební tyč s U vrubem podle ČSN, b) V vrub podle ČSN, c) zkouška typu Izod, jednoduchá prizmatická tyč, d) vícenásobná válcová tyč (tyč se vysunuje z uložení a přeráží postupně).

17 - Změřená nárazová práce K se označuje podle užitého vrubu buď KU, nebo KV. K 2 KC = ( J. cm ) K = G( H h) G = m g S0 kde KC vrubová houževnatost (KCU nebo KCV) K nárazová práce S 0 plocha průřezu tyče pod vrubem g zrychlení m hmotnost H,h výšky 24) Termodynamické pojmy Termodynamika se zabývá energetickým vyjádřením vlastností termodynamické soustavy. Z termodynamického hlediska je stav soustavy definován hodnotami stavových parametrů tj. tlakem a teplotou. Tento stav je vyjádřen součtem energií jejích atomů či molekul, který se nazývá volná energie. Volná energie F je celková energie E soustavy bez energie tepelné T.S (T teplota, S entropie). Rovnováhou termodynamické soustavy je při daném vnějším prostředí takový její stav, kdy v ní nemůže samovolně probíhat žádný děj spojený s hmotnou nebo energetickou přeměnou. Taková soustava je ve stavu stabilním nebo metastabilním. K přechodu z jednoho stavu do druhého je potřeba vždy určité množství volné energie s tím, že k přechodu ze stavu metastabilního do stabilního je jí potřeba méně, než naopak. Přechodem do stabilnějšího stavu se proto vždy zásoba volné energie sníží. Metastabilní soustavu je pak možno považovat za stabilní soustavu ve vyšší energetické hladině, která má větší zásobu volné energie než soustava stabilní. Stabilní fáze má maximální hodnotu entropie. Entropie je faktor množství tepelné energie a tím i faktor stability soustavy. Čím větší je entropie, tím větší je i stabilita soustavy, a zároveň tím menší množství volné energie soustava obsahuje. Opakem rovnovážného stavu soustavy je stav nerovnovážný a nestabilní. Ten je charakterizován tím, že se soustava samovolně, tj. bez dodávání vnější energie, snaží dosáhnout stabilnějšího stavu, než ve kterém se momentálně nachází. I zde se volná energie takovéto soustavy snižuje, tentokrát samovolně, bez dodání vnější energie. 25) Fáze v tuhých kovech a slitinách Fázové pravidlo Důležitým pojmem v nauce o kovech je tzv. volnost soustavy charakterizovaná stupněm volnosti soustavy. Stupeň volnosti je počet možných proměn v soustavě, aniž by tím byla porušena fázová rovnováha. Příklad: Stupněm volnosti může být teplota, chemické složení, tlak. Stupeň volnosti se vypočítává podle Gibbsova zákona fází v = n - f + r kde: v = počet stupňů volnosti n = počet složek tvořících soustavu f = počet fází r = počet nezávisle proměnných Nezávisle proměnné dané soustavy jsou vnější faktory, které ovlivňují rovnováhu soustavy, tj. umožňují urychlení nebo brzdění procesu, který se děje v soustavě. Hlavními nezávisle proměnnými jsou teplota, tlak a chemické složení. Za předpokladu stálého barometrického tlaku (izobarická soustava) zůstává nezávisle proměnnou jen teplota a chemické složení. Pak se stupeň volnosti v takovéto izobarické soustavě vypočítává podle Gibbsova zákona fází ze vztahu: v = n - f + 1

18 Pro dvoukomponentní soustavu platí, že: a) při f = 1 je v = 2 a rovnováha je bivariantní, b) při f = 2 je v = 1 a rovnováha je monovariantní, c) při f = 3 je v = 0 a rovnováha je nonvariantní (invariantní). Nonvariantní rovnováha v binární soustavě může existovat jen při jediné teplotě a jediném chemickém složení, při níž existují tři fáze. Nonvariantními body jsou i teploty tavení jednotlivých složek, jejichž počet n = 1, počet fází f = 2 (tuhá a kapalná fáze), pak v=1+1-2=0, protože se jedná o jednosložkovou soustavu. Teplota soustavy, která krystalizuje v nonvariantním bodě, se po dobu krystalizace nemění. Změní-li se v nonvariantním bodě teplota soustavy, změní se i počet fází a vznikne rovnováha monovariantní (kdy se může měnit teplota nebo chemické složení), nebo bivariantní (kdy se mění teplota i chemické složení). Uvedené pravidlo informuje pouze o počtu fází v soustavě, nic však neříká o jejich množství, složení a rozdělení 26) Krystalizace čistých kovů neprobíhá v celém objemu najednou, ale začne v řadě míst vznikem krystalizačních zárodků (aktivačních). Tyto pak rostou přísunem atomů z taveniny tak dlouho, až krystaly vyplní celý objem a tavenina vymizí. Tomuto procesu se říká nukleace. Pro technickou praxi má u čistých kovů velkou důležitost teplota tavení. Ta se pohybuje od minus 38,9 0 C u Hg do C u W. Termodynamická soustava čistého kovu je soustavou jednosložkovou. Přechod ze stavu kapalného do stavu krystalického se děje při konstantní teplotě, kdy vzniká časová prodleva, která je závislá na: a) na fyzikálních vlastnostech roztavené látky (na velikosti skupenského tepla) b) na množství látky c) na rychlosti ochlazování (čím je rychlost ochlazování větší, tím je prodleva kratší) Po dobu krystalizace existují současně při jedné teplotě dvě fáze: kapalná a tuhá, při ohřevu je to obdobné. 27) Alotropické a polymorfní přeměny Alotropické přeměny - probíhají za předpokladu, že kov má více krystalových modifikací (polymorfie) tj. že řada kovů mění svou krystalovou strukturu (dochází u nich totiž k překrystalizaci = přeměna mřížky v tuhém stavu) v závislosti na teplotě (při různých teplotách jiný typ mřížky). Obvykle je označujeme jako alfa, beta, gama, delta. (pro čisté železo známe modifikace alfa - do 910 C, gama C, delta C) U čistého kovu (nepolymorfní kovy) proběhne přeměna při konstantní teplotě (na rozdíl od slitiny), na křivce chladnutí nebo ohřevu se objevuje prodleva. Při alotropické přeměně se mění i řada chemických a fyzikálních vlastností. Tyto změny se využívají k detekci např. překrystalizačních teplot. Díky snížení pohyblivosti při klesající teplotě dochází ke změnám hodnot proti rovnovážnému stavu a vzniká tak teplotní hystereze projevující se rozdílem teplot přeměn zjištěných při ohřevu a při chladnutí. Teploty pro křivku chladnutí se označují indexem c a pořadovým číslem (platí pro jednotlivé modifikace) např. Ar 1, Ar 2,.pro ohřev indexem c Ac 1, Ac 2... Teorie se využívá při zpracování kovů, protože některé modifikace mohou mít např. výrazně vyšší tvárnost než jiné. Pro zkoumání krystalových mikrostruktur používáme vyhodnocení změn fyzikálních a chemických vlastností. 28) Diagramy s úplnou rozpustností složek v kapalném i tuhém stavu pákové pravidlo Ø v kapalném stavu jsou složky slitiny dokonale mísitelné, tvoří jedinou, homogenní fázi. Ø dokonalá mísitelnost je zachována i v tuhém stavu, slitina je tuhým roztokem v celé koncentrační oblasti.

19 Ø Binární soustava (slitina) s neomezenou rozpustností obou složek v tuhém stavu je znázorněna v binárním diagramu spojitými křivkami likvidu a solidu, které se stýkají v bodech tavení obou složek. Ø horní křivka likvidus - udává teploty udává počátku krystalizace binárních slitin a zároveň i složení kapalné fáze, která je v rovnováze s vyloučenými krystaly. Ø spodní křivka solidu - udává složení vznikající tuhé fáze tuhého roztoku. Ø nad křivkou likvidu - termodynamicky stabilní fází tavenin a soustava má dva stupně volnosti (v=2, f=1). Ø v oblasti mezi likvidem a solidem existují vedle sebe dvě fáze tavenina a krystaly tuhého roztoku a soustava má jeden stupeň volnosti (v=1, f=2). Ø Pod čarou solidu - jediná fáze tuhý roztok, soustava má opět dva stupně volnosti (v=2, f=1). Ø dle fázového pravidla v=3-f Postup výpočtu množství a určení jednotlivých fází je ukázán na binárním diagramu, u něhož se vyskytují fáze α a β. Postup je obecný u kteréhokoliv jiného binárního diagramu. K určení poměrného nebo procentuelního množství dvou fází při konkrétní teplotě slouží tzv. pákové pravidlo. To platí při libovolné teplotě naprosto obecně jak pro směs taveniny a krystalů, tak pro směs tuhých roztoků. Je nutno zdůraznit, že pákové pravidlo se používá jen ve dvoufázových polích diagramu. Pákové pravidlo říká, že při zakreslení jakékoliv izotermy (přímky o stejné teplotě) do rovnovážného diagramu platí pro slitinu o složení X - obr. 3/2. množství fáze α : množství fáze β = b : a Slovy: Poměr délek úseček na izotermě v rovnovážném diagramu mezi nejbližšími hranicemi fází jsou v obráceném poměru jejich množství ve slitině daného složení. Protože úsečka MN=(a+b) představuje při dané teplotě T 100% hmoty slitiny, vypočítají se procentuální množství fáze α a fáze β ve sledované soustavě při dané teplotě T ze vztahů: b α =.100 [%] a + b a β =.100 [%] a + b Chemické složení těchto fází určují průsečíky M a N této izotermy s nakreslenými hranicemi fází α,β. Tedy při teplotě T bude složení α-krystalů X M, a β-krystalů X N. Obr 3/2: Rovnovážný diagram binárních slitin dokonale mísitelných v tuhém i kapalném stavu. 29) Diagramy s omezenou rozpustností složek v tuhém stavu Ø Složka A se rozpouští až do určité koncentrace složku B, tak i naopak. Vznikají tak tuhé roztoky α, β, jejichž oblast navazuje v diagramu na čisté složky A a B.

20 Ø 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 t E. Označujeme ji jako teplotu eutektickou. Obr.: Rovnovážný diagram binárních slitin s omezenou rozpustností složek v tuhém stavu soustava Cu - Ag. Ø Snížením teploty pod t E musí zmizet kapalná fáze proběhne krystalizace, při níž vznikají krystaly tuhého roztoku α a β jako mechanická směs, která je označována jako eutektikum. Ø Slitiny v rozmezí cc a cd obsahují krystaly tuhého roztoku α nebo β zbytek tvoří eutektikum Obr.: Schéma struktur eutektik a) lamelární, b) tyčinkovité, c) zrnité, globulární, d) jehlicovité. 30) Binární rovnovážné diagramy s peritektickou přeměnou se změnou rozpustnosti v tuhém stavu s oboustrannou částečnou klesající nebo vzrůstající rozpustností v tuhém stavu Soustava se vyznačuje tím, že přidáváním složky B ke složce A se teplota začátku krystalizace slitiny snižuje, kdežto přidáváním složky A ke B se teplota začátku krystalizace slitiny zvyšuje. Tento diagram se vyskytuje u slitin, jejichž složky mají značné rozdílné teploty tání. Předpoklady: Ø složky jsou v tekutém stavu dokonale rozpustné Ø složky neprodělávají překrystalizaci v tuhém stavu Tato peritektická přeměna je složitou difúzní reakcí, ke které dochází za přímého styku krystalů tuhého roztoku α a taveniny. Krystaly β se vylučují na povrchu primárně vyloučených krystalů α a omezují přímý styk taveniny s původními krystaly

21 α. Tím je dosažení rovnovážného stavu při běžných rychlostech ochlazování prakticky nemožné. Přeměna krystalů α v β proto neproběhne dokonale a ve výsledné struktuře se mohou vyskytovat vedle krystalů β i zbytky krystalů α. Slitina po ztuhnutí je pak značně nehomogenní, což je nutno napravit dodatečným homogenizačním žíháním. 31) Binární rovnovážné diagramy intermediálními fázemi Dosud se jednofázové pole vyskytovalo v celém koncentračním rozsahu fázového diagramu nebo v jeho koncových (terminálních) částech. Mezi nimi se vyskytovala směs těchto krajních fází, popř. složek. V binárních a vícesložkových soustavách s omezenou rozpustností v tuhém stavu mohou existovat jednofázová pole, v nichž má fáze vlastní krystalickou strukturu odlišnou od struktury terminálních fází nebo jednotlivých složek. V rovnovážném diagramu se vyskytují uprostřed a nenavazují na žádnou z obou složek, proto mají označení intermediární (přechodové). Jedná-li se o intermediární fázi dvou kovů, nazývá se taková fáze intermetalická (mezikovová). Intermediární fáze mohou vznikat v důsledku peritektické reakce nebo kongruentní přeměny. Vznikají v soustavách s rozdílnými elektrochemickými vlastnostmi složek. Intermediární fáze má buď konstantní nebo proměnlivé chemické složení. Oba typy rozdělují celý binární diagram na dva diagramy základního typu probraných již dříve. Intermediární fáze vzniklá v důsledku peritektické přeměny, která má při teplotě okolí chemický rozsah mezi X G až X H je v binárním diagramu znázorněna na obr. 3/21 jako fáze γ. Jejím limitním případem je intermediární fáze zobrazená na obr. 3/22, která má konstantní chemické složení A X B Y. Intermediární fáze s proměnlivým chemickým složením vzniklá v důsledku kongruentní krystalizace má při teplotě okolí rozsah chemického složení X G až X H a nezáleží, zda se v soustavě ještě vyskytuje peritektická - obr. 3/23, nebo eutektická přeměna - obr. 3/24. Limitním případem je intermediární fáze zobrazená na obr. 3/25, která má konstantní chemické složení A X B Y. Slitina o chemickém složení XG až XH, která vznikla v kongruentním bodě K se neoznačuje za intermediární fázi - obr. 3/26. Jestliže se v binárním diagramu vyskytne intermediární fáze o konstantním chemickém složení, je možné její chemické složení popsat chemickým vzorcem: A m B n kde m [hm.%] je množství složky A, n [hm.%] množství složky B ve sloučenině (m + n = 100). Taková chemická sloučenina má povahu čisté složky, a proto rovnovážný diagram o složkách A a B je možno považovat za spojení dvou diagramů: A-A m B n a A m B n -B. Každý diagram lze pak posuzovat samostatně. Chemická sloučenina se zde chová jako samostatná složka, která krystalizuje za konstantní teploty a tvoří tedy jednu z fází obou diagramů. Ve starší literatuře jsou intermediární fáze o konstantním chemickém složení označovány jako daltonidy. Při proměnném složení mají slitiny převahu kovové vazby a ve starší literatuře se nazývají bertolidy.

22 32) Sauverovy diagramy Určují množství obou čistých kovů v určité slitině a poměr množství čistého kovu a eutektika. Grafické znázornění množství fází pro všechny koncentrace při určité teplotě. 33) Křivka ohřevu čistého železa Jedná se o polymorfní kov. Vyskytuje se ve dvou alotropických modifikacích Ø železo a (b, d) - krychlová prostorově středěná mřížka Ø železo g - krychlová plošně středěná mřížka Hustota 7874 kg.m-3, teplota tání 1539 C, součinitel teplotní roztažnosti 2, Následující obr. zachycuje křivku ohřevu čistého železa Ø Teplota 1539 C - teplota tání Ø Teplota 1392 C - přeměna Feg na Fed Ø Teplota 911 C - přeměna Fea(b) na Feg Ø Teplota 760 C - Curieova teplota, železo ztrácí feromagnetické vlastnosti a stává se paramagnetické, mřížka se nemění

23 34) Definice feritu, austenitu, perlitu a ledeburitu Ferit je nízkoteplotní modifikace železa α. Má malou pevnost, je měkký, tvárný i za studena a magnetický. S ohledem na nízký obsah C se jeho vlastnosti blíží vlastnostem čistého železa. Krystalizuje v krychlové prostorově středěné mřížce. Austenit je vysokoteplotní modifikace železa γ. Je velmi dobře tvárný, houževnatý a nemagnetický. Krystalizuje v krychlové plošně středěné mřížce. Ledeburit (popř. rozpadlý ledeburit), eutektická slitina o obsahu 4,3 %C Perlit eutektoidní slitina o obsahu 0,8 %C 35) Diagram stabilní a metastabilní soustavy železo uhlík Stabilní soustava Fe-C Termodynamicky stabilní formou C ve slitinách s s Fe není karbid železa, ale grafit. Pokud proběhne krystalizace podle stabilního diagramu, jedná se vždy jen o grafitické litiny, tedy o slitiny Fe + C s obsahem C vyšším než 2 %. 0 Grafit krystalizuje v šesterečné soustavě s jeho mřížkové parametry jsou: 2,64 a 6,906 A. V roztaveném Fe se grafit dobře rozpouští. Grafit má malou hustotu (2,2 g/cm 3 ), a proto snadno vyplouvá na povrch taveniny jako grafitový šum. Rovnovážný diagram železo-grafit má stejný tvar jako diagram Fe -Fe 3 C. Eutektické složení má obsah 4,26 %C a vzniká při eutektické teplotě C. Eutektoidní složení má 0,68% C a vzniká při 738 C. Krystalizací ve stabilní soustavě vzniká pouze grafitická litina. Diagram stabilní soustavy se v mnohém shoduje s diagramem soustavy metastabilní, a proto postup krystalizace je obdobný. Odlišností je pouze to, že eutektikála i eutektoidála platí až k obsahu 100% C a odlišně se nazývají některé význačné směsi. Ledeburit je zde nahrazen grafitovým eutektikem (směs grafitu a austenitu) a perlit grafitovým eutektoidem (směs feritu a grafitu). S ohledem na technické použití a pro srovnání s diagramem Fe-Fe 3 C se binární diagram Fe-C (železo-grafit) uvádí jen do stejného obsahu C jako u soustavy Fe 3 C.

24 Metastabilní soustava Fe - Fe3C Běžné slitiny Fe s C krystalizují vždy podle systému Fe-Fe 3 C. Jen při velmi pomalém ochlazování, při dlouhodobém žíhání při vyšších teplotách a je-li ve slitině obsažen ve zvýšené míře Si, se Fe 3 C rozpadá na 3Fe + C. Diagram Fe - Fe 3 C Protože levý horní kraj mezinárodně uznávaného diagramu je poměrně složitý a není pro běžnou technickou praxi příliš důležitý, znázorňuje se binární diagram Fe-Fe 3 C zjednodušeně. Diagram obsahuje celkem 4 fáze: tekutou fázi L (taveninu) dokonale rozpustnou v uvedeném rozsahu C, dvě tuhé fáze α a γ a chemickou sloučeninu Fe 3 C. Všechny další struktury, které se v diagramu vyskytují, jsou složeny z uvedených fází. Protože s jednotlivými fázemi se běžně pracuje v technické praxi, jsou tuhé fáze metalograficky pojmenovány a to: fáze α=ferit, fáze γ =austenit a chemická sloučenina Fe 3 C=cementit. Rozdíl mezi nimi je v obsahu C. U feritu je maximální obsah C 0,02% a to při eutektoidní teplotě, u austenitu max. 2,06% při eutektické teplotě, u cementitu vždy 6,69% při všech teplotách. Z uvedených čísel je patrné, že při eutektické teplotě je rozpustnost C v austenitu 100x větší než ve feritu při eutektoidní teplotě. Atomy C jsou u feritu i austenitu uloženy v dutinách mřížky mezi atomy Fe a tím tvoří intersticiální tuhý roztok. Menší rozpustnost C ve feritu než v austenitu je způsobena tím, že mezery mezi atomy v mřížce feritu jsou menší než v mřížce austenitu, přestože činitel zaplnění je u austenitu vyšší než u feritu. Obsah C u feritu a austenitu s teplotou klesá, rozpustnost C u nich je tedy závislá na teplotě. Ferit je nízkoteplotní modifikace železa α. Má malou pevnost, je měkký, tvárný i za studena a magnetický. S ohledem na nízký obsah C se jeho vlastnosti blíží vlastnostem čistého železa. Krystalizuje v krychlové prostorově středěné mřížce. Austenit je vysokoteplotní modifikace železa γ. Je velmi dobře tvárný, houževnatý a nemagnetický. Krystalizuje v krychlové plošně středěné mřížce. Cementit je chemická sloučenina, která krystalizuje v kosočtverečné krychlové soustavě. Při změnách teploty neprodělává alotropické přeměny jako Fe. Cementit je velmi tvrdý (více jak 65 HRC), křehký a netvárný. V diagramu vystupuje jako samostatná fáze. Kromě tuhých fází byly metalurgicky pojmenovány ještě dvě důležité směsi fází. Eutektická slitina o obsahu 4,3% C se metalurgicky nazývá ledeburit (popř. rozpadlý ledeburit), eutektoidní slitina o obsahu 0,8% C se nazývá perlit. Jejich bližší vlastnosti i vznik bude vysvětlen v průběhu výkladu vzniku struktur při chladnutí - viz dále. Pro přehled jsou v následující tabulce uvedeny se stručnou charakteristikou metalografické názvy fází a směsí fází, které se běžně používají v ocelářské a slévárenské praxi. Fáze nebo jejich směs Metalografický název Definice α-fáze ferit α-ferit tuhý intersticiální roztok uhlíku v železe α β-fáze β-ferit nemagnetický ferit (intersticiální tuhý roztok uhlíku v železe α) γ-fáze austenit tuhý intersticiální roztok uhlíku v železe γ δ-fáze δ-ferit tuhý intersticiální roztok uhlíku v železe δ slitina o obsahu 4,3% C slitina o obsahu 0,8% C Fe 3 C ledeburit rozpadlý ledeburit perlit cementit eutektikum železa s uhlíkem skládající se z austenitu a cementitu. Existuje jen nad teplotou A 1 eutektikum železa s uhlíkem skládající se z feritu a cementitu, vzniklé rozpadem eutektika při A 1. Existuje jen pod teplotou A 1. eutektoid železa s uhlíkem vzniklý rozpadem austenitu na ferit a cementit. karbid železa - chemická sloučenina uhlíku se železem o max. množství uhlíku (6,69%) Slitiny Fe s C se podle obsahu C dělí na oceli a litiny, k nimž je možno počítat i surová železa. Hranicí mezi ocelemi a litinami je maximální rozpustnost C v austenitu, která je při eutektické teplotě 2,06%. Protože austenit je velmi dobře tvárný, provádí se tváření za tepla v jeho oblasti.

25 Oceli se podle struktury dělí na podeutektoidní (hypoeutektoidní), zvané také někdy feritickoperlitické, které mají méně než 0,8% C, eutektoidní (C=0,8%), a nadeutektoidní (hypereutektoidní), kdy 0,8 % < C < 2,06 %. Litiny se dělí podle struktury na podeutektické (hypoeutektické), kdy C < 4,3 %, eutektické (C = 4,3 %) a nadeutektické (hypereutektické), kdy 4,3 < C < 6,69 %. Protože teploty přeměn jednotlivých modifikací se často používají v praxi, bylo zavedeno jejich zkrácené označování. Teplota přeměny se označuje písmenem A, k němuž se připojuje písmeno r, probíhá-li přeměna při chladnutí, nebo písmeno c, probíhá-li přeměna při ohřevu. Je to proto, že teploty překrystalizace u jednotlivých modifikací se většinou neshodují, což je způsobeno zpožděním reakcí při tuhnutí. Rozdíl mezi teplotou přeměny při chladnutí a ohřevu se nazývá termická hystereze. Nakonec se k označení A přidává číselný index. Skutečné hodnoty přeměn leží mezi příslušnými hodnotami Ac a Ar a to blíže k hodnotám Ac. Pokud není nutné rozlišovat ohřev od ochlazování, označují se teploty přeměn jen písmenem A a číselným indexem např. A 3. Popis mezinárodně uznávaného diagramu Fe- Fe 3 C ABCD - křivka likvidu AHJECF - křivka solidu AB - počátek vylučování δ-feritu z taveniny BC - počátek vylučování austenitu z taveniny CD - počátek vylučování primárního cementitu AH - konec vylučování δ-feritu HJB - peritektická čára JE - konec vylučování austenitu z taveniny HN - počátek vylučování austenitu z δ-feritu JN - konec vylučování austenitu z δ-feritu ECF - eutektická čára GOS - počátek vylučování α-feritu z austenitu SE - počátek vylučování sekundárního cementitu PSK - eutektoidní čára GP - konec vylučování α-feritu z austenitu PQ - počátek vylučování terciálního cementitu V diagramu jsou zakresleny dvě pomocné čáry kolmé k souřadnici, které jsou znázorněny slabě čárkovaně. Tyto čárkované čáry však neohraničují žádná fázová pole, jsou to čáry pro vyznačení hranice význačných směsí fází : ledeburitu a perlitu. Peritektická přeměna se vyskytuje mezi body H a B, tj. mezi 0,10 až 0,51 %C při teplotě 1499 C. Čistě peritekticky krystalizuje slitina o obsahu 0,16 %C (bod J). U slitin obsahujících C až do množství 0,5 % daného bodem B krystalizuje primárně δ-ferit, v němž se může rozpustit až do 0,1 % C (bod H). Ten se mění se zbývající taveninou na austenit. V tomto binárním diagramu se vyskytuje 7 nonvariantních bodů: A, C, D, J, N, G, S. Struktury různých ocelí a litin podle obsahu C jsou uvedeny na obr. Přehled teplot přeměn v diagramu Fe-Fe 3 C: A 0 (210 C) Curieův bod cementitu. Nad touto teplotou ztrácí cementit feromagnetické vlastnosti. A 1 (723 C) teplota eutektoidní přeměny je v rozsahu celého diagramu konstantní A 2 (760 C) Curieův bod feritu. Nad touto teplotou ztrácí α-ferit feromagnetické vlastnosti. Teplota A 2 je konstantní od bodu M do bodu O. Při vyšším obsahu C ztrácí slitina feromagnetické vlastnosti podél čáry OS a nad 0,8 % C přestává být ocel feromagnetická již při teplotě A 1. A 3 (723 až 910 C) teplota počátku vylučování α-feritu z austenitu. Vyznačuje ji čára GOS od teploty 910 C až do teploty 723 C. Nad obsahem C 0,8 % již A 3 neexistuje, čili existuje jen pro podeutektoidní a eutektoidní oceli. A 4 (1392 až 1500 C) teplota počátku vylučování austenitu z δ-feritu.

26 A cm (723 až 1147 C) počátek vylučování Fe 3 C z austenitu. Vyznačuje ji čára ES. Existuje jen pro nadeutektoidní oceli. Z těchto teplot jsou nejdůležitější teploty A 1, A 3 a A cm. Pro eutektoidní bod S je: A 1 = A 3 = A cm. Krystalizace litin v diagramu Fe-Fe 3 C Litiny jsou slitiny Fe s C, které obsahují více než 2,06% C. Jejich krystalizací v metastabilní soustavě vzniká tzv. bílá litina. Krystalizace eutektické litiny v diagramu Fe-Fe 3 C Tavenina o obsahu C = 4,3% se při eutektické teplotě transformuje eutektickou reakcí na eutektikum, což je směs cementitu a austenitu v poměru Fe 3 C : γ = (EC : CF). Tomuto eutektiku s průměrným obsahem C = 4,3% jako směsi austenitu a cementitu byl přiřazen metalurgický název ledeburit. Protože v průběhu krystalizace bude cementit vznikat při různých podmínkách krystalizace (podle obsahu C a teploty), bude z pohledu geneze přiřazován jednotlivým cementitům upřesňující název. Cementit, který vznikl při eutektické teplotě, se bude nazývat eutektický cementit. Krystalizace ledeburitického cementitu začíná tvorbou deskovitých krystalů cementitu. Tím se sousední tavenina ochuzuje o C a umožní krystalizaci austenitu. Eutektická přeměna se vyskytuje u všech litin při teplotě 1147 C. Čistě eutekticky krystalizuje pouze litina o obsahu 4,3% C. Austenit se při poklesu teploty stále ochuzuje o C podle čáry Acm. Tento C se vylučuje (segreguje) jako cementit a označuje se jako cementit sekundární (segregační). Ten se ukládá na hranicích austenitických zrn. Tato segregace pokračuje až k eutektoidní teplotě C, kdy zbylý austenit má eutektoidní složení tj. 0,8 %C. Sekundární cementit se připojuje k ledeburitickému cementitu a metalograficky se proto od něho neodlišuje. Z pohledu geneze se však sekundární cementit liší od ledeburitického tím, že se vylučuje z tuhé fáze γ na hranicích austenitických zrn a tvoří velmi křehké síťoví. Termodynamika však nerozlišuje fáze podle vzniku, proto všechny druhy cementitů jsou stále jenom jedna fáze - cementit. Při eutektoidní teplotě, kterou procházejí všechny litiny, se tento austenit eutektoidní transformací mění na perlit, který je směsí 2 fází: feritu (α-fe) a cementitu (tzv. perlitického) v poměru α : Fe 3 C = SK : PS. Těsně pod eutektoidní teplotou tedy litina obsahuje (P0 : PK).100 % cementitu (eutektického + sekundárního + perlitického), ostatní jsou krystaly α. Protože austenit pod teplotou A 1 neexistuje (rozpadl se eutektoidní transformací na směs feritu a cementitu), nazývá se ledeburit pod teplotou A 1, který je nyní směsí feritu a cementitu, rozpadlý ledeburit. Při pokračujícím poklesu teploty dochází k dalšímu vylučování cementitu, tentokrát však z α- feritu, který se ochuzuje o C podle čáry PQ. Takto vyloučený cementit se nazývá terciální. Po vychladnutí na teplotu okolí se litina skládá ze směsi 4 druhů cementitu (Fe 3 C L, Fe 3 C II, Fe 3 C P a Fe 3 C III ) a feritu o obsahu 0,001%C. Feritu je v této litině (X 4,3 L : QL).100 % = (6,69-4,3) : (6,69-0,001) = 35,7 %. Cementitu (X V X 4,3 : QL).100 % = (4,3-0,001):(6,69-0,001) = 64,3 %. Většinu litiny tedy tvoří cementit. Krystalizace nadeutektické litiny v diagramu Fe-Fe3C Litina o složení X I je ve dvoufázové oblasti mezi likvidem CD a solidem CF směsí 2 fází: taveniny a primárního cementitu Fe 3 C I. Primární je zván proto, že krystalizuje přímo z taveniny. Tavenina se ochuzuje o C, poměr jejího množství k množství cementitu klesá podle pákového pravidla až do eutektického složení taveniny, kdy se tavenina transformuje eutektickou přeměnou na ledeburit. Těsně pod eutektickou teplotou obsahuje austenit 2,06 % C a jeho množství v litině je (1F : EF).100 %, zbytek tvoří eutektický cementit. Při dalším poklesu teplot až k teplotám okolí je průběh krystalizace stejný jako u litiny eutektické. Po vychladnutí na teplotu okolí se litina skládá ze směsi 5 druhů cementitu (Fe 3 C I, Fe 3 C L, Fe 3 C II, Fe 3 C P a Fe 3 C III ) a feritu o obsahu 0,001%C. Feritu je v této litině (X I L : QL).100 %, cementitu (X V X 4,3 : QL).100 %. Struktura Fe 3 C I, Fe 3 C II, a Fe 3 C III je zobrazena na obr.

27 Krystalizace podeutektické litiny v diagramu Fe-Fe3C Litina o složení X II je mezi likvidem AC a solidem EC směsí taveniny a austenitu. Tavenina se při eutektické teplotě transformuje eutektickou reakcí na ledeburit a austenit v poměru (EC : CF). Těsně pod eutektickou teplotou obsahuje austenit 2,06 % C a jeho množství v litině je (3F : EF).100 %, zbytek tvoří ledeburitický cementit. Při dalším poklesu teplot až k teplotám okolí je průběh krystalizace stejný jako u litiny eutektické. Po vychladnutí na teplotu okolí se litina skládá ze směsi 4 druhů (bez Fe 3 C I ) cementitu a feritu o obsahu 0,001% C jako litina eutektická, jiný je jenom jejich množstevní poměr. Krystalizace ocelí Krystalizace ocelí se děje pouze v diagramu Fe-Fe 3 C. Schéma struktur ocelí s různými obsahy C jsou znázorněny na obr. 4/4, fotografie struktur z metalografického výbrusu na obr. 4/5. Krystalizace nadeutektoidních ocelí Ocel o složení X III je ve dvoufázovém poli mezi křivkou likvidu AC a solidu AE směsí taveniny a austenitu. V teplotním rozsahu mezi křivkou solidu a teplotou Acm má ocel jedinou fázi - austenit. Při poklesu teploty pod hranici Acm se začíná z austenitu vylučovat sekundární (proeutektoidní) cementit, čímž se austenit ochuzuje o C. Rozpustnost C v austenitu klesá podle čáry Acm až do eutektoidní teploty, při níž se zbylý austenit, kterého je v oceli většina, transformuje eutektoidní přeměnou na perlit. Ten je směsí 2 fází: feritu α a perlitického cementitu v poměru α : Fe 3 C = SK : PS. Těsně pod eutektoidní teplotou tedy ocel obsahuje (4K:PK).100% feritu o obsahu 0,02% C a (P4:PK).100% cementitu (sekundárního + perlitického). Při pokračujícím poklesu teploty dochází z α-feritu k vylučování terciálního cementitu podle čáry PQ. Po vychladnutí na teplotu okolí se ocel skládá ze směsi 3 druhů cementitu (Fe 3 C II, Fe 3 C P a Fe 3 C III ) a feritu o obsahu 0,001% C. Feritu je v této oceli (X III L : QL).100%, cementitu (X V X III : QL).100%. Ze směsi obou fází tvoří tedy ferit většinu. Schéma struktur při jednotlivých teplotách je uvedeno na obr. Krystalizace eutektoidní oceli Eutektoidní ocel je ve dvoufázovém poli mezi křivkou likvidem AC a solidem AE směsí taveniny a austenitu. V teplotním rozsahu mezi solidem a teplotou A 1 = A 3 = Acm má ocel jedinou fázi - austenit. Při teplotě A 1 se veškerý austenit přemění eutektoidní transformací na perlit. Ten se skládá z (SK : PK).100 % feritu o obsahu C 0,02 % a perlitického cementitu, který tvoří zbytek oceli. Stejně jako u nadeutektoidní oceli pokračuje vylučování terciálního cementitu, takže perlit při teplotě okolí se skládá z [(6,69-0,8) : 6,69].100 % = 88 % feritu, 12 % tvoří perlitický a terciální cementit. Krystalizační schopnost obou fází není stejná. Nejdříve se z austenitu začne vylučovat cementit, čímž se sníží poněkud obsah C v austenitu a vzápětí se vytvoří rovnováha vyloučením odpovídajícího množství feritu. Pak se znovu vyloučí cementit a tak pokračuje překrystalizace za konstantní teploty až do vyčerpání veškerého austenitu. Při obvyklé rychlosti ochlazování se perlit skládá z jemných destiček obou fází, které se na výbrusu jeví jako lamely. Takový perlit se nazývá lamelární. Čím je ochlazování rychlejší, tím jsou lamely jemnější. Naopak při extrémně pomalém ochlazování sbalují se tyto lamely do jemných kuliček, které jsou rovnoměrně rozloženy ve feritu. Takový perlit se nazývá zrnitý (globulární). Perlit je relativně tvrdý a pevný (200 až 260 HB). Lamelární perlit je základní strukturou konstrukčních ocelí, je tvrdší a pevnější než perlit globulární. Ten má nižší pevnost, ale lepší obrobitelnost. Většinou nevzniká při krystalizaci z taveniny, ale novým ohřevem. Eutektoidní přeměna se vyskytuje u ocelí o obsahu C 0,02 až 2,06 % při teplotě C. Při eutektoidní teplotě končí všechny překrystalizace v tuhém stavu. Veškerý austenit (jak primárně vyloučený, tak i austenit z ledeburitu) se pod eutektoidní teplotou mění v perlit. Termická hystereze je u přeměny A 1 dosti výrazná a stoupá se stoupajícím obsahem legur a s rychlejší

28 překrystalizací. Obyčejně bývá 20 až 40 C, ale u více legovaných ocelí, které mají A 1 ale vyšší, může dosáhnout několikanásobně větší hodnoty. Krystalizace podeutektoidních ocelí Ocel o složení X IV, která je v oblasti obsahu C mezi 0,02 % a 0,8%, ve dvoufázovém poli mezi křivkami likvidu AC a solidu AE je směsí taveniny a austenitu. V teplotním rozsahu mezi solidem a teplotou A 3 má ocel jedinou fázi - austenit. Mezi teplotou A 3 a A 1 vzniká dvoufázová struktura feritu a austenitu, z níž se při snižování teploty vylučuje proeutektoidní ferit. Tato reakce podeutektoidní oceli mezi teplotou A 3 a A 1 se nazývá proeutektoidní (prvotní, předeutektoidní). Austenit se při teplotě A 1 perlitickou transformací přemění na perlit. Vše ostatní probíhá jako u eutektoidní oceli, pouze množství jednotlivých fází je nutno stanovovat individuálně podle pákového pravidla. Ocel o obsahu C menším než 0,02 % se při poklesu pod teplotu danou čárou GP dostává do oblasti jednofázové struktury čistého feritu. Z něho se při poklesu teploty danou čárou PQ začne vylučovat na hranicích feritických zrn velice malé množství terciálního cementitu jako síťoví viditelné v mikroskopu. Oceli o obsahu C menším než 0,001 % tvoří za normální teploty pouze ferit. Na úvod bylo uvedeno, že se mezinárodně uznávaný diagram Fe-Fe 3 C zjednoduší o levý horní kraj, který znázorňuje málo frekventovanou a přitom relativně komplikovanou část diagramu. Tato krystalizace bude pro úplnost popsána nyní. Oceli s obsahem C pod 0,10 % Primární krystalizace feritu δ začíná u oceli s ozn.1 při teplotě t 1. Při teplotě t 2 mizí tavenina a slitina obsahuje jen krystaly δ. Jejich složení se při dalším ochlazování nemění až do teploty t 3. Mezi teplotami t 3 a t 4 se ocel nachází ve dvoufázovém poli α+γ a platí zde pákové pravidlo o měnícím se jejich poměru s teplotou. Pod teplotou t 4 je struktura oceli austenitická. Oceli s obsahem C 0,10 až 0,16 %, Chemické složení primárně vyloučených krystalů δ se mění podle čáry AH. Při teplotě C proběhne peritektická reakce, při níž krystaly feritu δ reagují s taveninou za vzniku austenitu. Je-li složení přesně 0,16% (ocel ozn.2), vzniknou pouze krystaly austenitu, je-li C méně, spotřebuje se jen část krystalů δ, takže výsledná struktura je tvořena směsí krystalů δ a γ. Oceli s obsahem C 0,16 až 0,51% Krystalizace probíhá jako v předchozím případě s tím rozdílem, že při peritektické teplotě nezkrystalizuje všechna tavenina, neboť v oceli není dostatek krystalů δ pro úplnou peritektickou reakci a vedle vzniklých krystalů austenitu budou další krystaly austenitu vznikat až při dalším poklesu teploty.

29 Srovnání soustavy Fe-Fe3C a Fe-C - obr.4/15 Pro vzájemné srovnání se obě soustavy kreslí do jediného diagramu tak, že soustava metastabilní jako důležitější je zakreslena plnými čarami a soustava stabilní čárkovaně. Rovněž označení bodů je stejné s tím, že u stabilní soustavy jsou stejné body označeny čárkou. Dvojitost diagramu je způsobena tím, že karbid železa není při vyšších teplotách příliš stabilní. Krystalizace podle jedné nebo druhé soustavy je ovlivněna: a) obsahem C, kdy do 2,06 % C probíhá krystalizace pouze v soustavě metastabilní. Jen za mimořádných okolností je možno dlouhodobým ohřevem dosáhnout grafitizace. Je to však tím obtížnější, čím nižší je obsah C. Při obsahu C nad 2% se možnosti krystalizace v obou soustavách vyrovnávají a nadeutektické slitiny krystalizují již normálně v soustavě stabilní. b) příměsi a legury jako Si, Al, Ni podporují krystalizaci podle stabilní soustavy, jiné jako Mn, Cr, S, stabilizují cementit a soustava pak krystalizuje v soustavě metastabilní. c) malá rychlost ochlazování podporuje krystalizaci v soustavě stabilní, takže v mnoha případech lze i při stejném chemickém složení dosáhnout různou rychlostí ochlazování krystalizace podle jedné nebo druhé soustavy. Přehled teplot a složení slitiny v jednotlivých bodech diagramů Fe-Fe 3 C a Fe-C. Bod Metastabilní soustava Stabilní soustava diagramu hmot. %C 0 C hmot.% C 0 C A B 0, , C 4, , D 6, E 2, , F 6,

30 Bod Metastabilní soustava Stabilní soustava diagramu hmot. %C 0 C hmot.% C 0 C G H 0, , J 0, , K 6, L 6, ,69 20 M N O P 0, , Q 0, , S 0, , FERIT Intersticiální tuhý roztok uhlíku v železe a. Kubická prostorově středěná mřížka. max. rozpustnost 0,02 % C při teplotě 727 C. AUSTENIT - Intersticiální tuhý roztok uhlíku v železe gama. Kubická plošně středěná mřížka Max. rozpustnost uhlíku v austenitu je 2,14 % při teplotě 1147 C. EUTEKTOID heterogenní struktura vzniklá difůzním rozpadem tuhého roztoku na dvě chemicky a krystalografcky odlišné fáze. PERLIT - eutektoid z feritu a cementitu v poměru 6 :1,vylučovaných střídavě vedle sebe v podobě lamel. V soustavách železo uhlík tvoří uhlík nad mezí rozpustnosti samostatnou fázi. Je to buď jeho sloučenina se železem - karbid železa Fe3C - zvaná cementit, nebo volný uhlík - grafit (C). CEMENTIT - Karbid železa Fe3C obsahuje 6,67 % uhlíku. Je velmi tvrdý, křehký, není tvárný. Při 217 C ztrácí feromagnetické vlastnosti. GRAFIT (C) je měkký, drobivý. Jeho tvárnost a pevnost jsou v porovnání se železem nepatrné. LEDEBURIT - eutektikum z austenitu a cementitu v poměru 1:1,vylučovaných střídavě vedle sebe v podobě lamel. vznikající při teplotě 1147 C obsahující 4.3% uhlíku. Curieho bod- místo ztráty nebo nabití magnetických vlastností.

31 36) Vliv Mn, Si, S a P na vlastnosti tech. slitin železa Fosfor Horní hranice obsahu P je 0,04% (0,03 % u urč. ocelí), P se rozpouští ve feritu, v bcc, nevytváří v ocelích zvláštní fáze, soustřeďuje se po hranicích zrn austenitu, zhoršuje vlastnosti - > způsobuje zkřehnutí zlepšuje opracovatelnost, pevnost, tvrdost. U litin je obsah P v desítkách, jsou i litiny kde je i 1% P, vytváří samostatné fáze, vytváří tzv. steadit. α Fe + Fe P 3 α Fe + Fe3P + Fe3C tuhnou za nejmenších možných teplot, zlepšují u odlitků vlastnost -> zabíravost. Jsou tvrdé fáze -> zlepšují odolnost proti opotřebení, ale mají nižší houževnatost, ovlivňují součinitel tření. Jsou charakteristické pro litiny s lupínkovým grafitemve vyšších koncentracích způsobuje křehkost. Síra Obsah síry z materiálu snižujeme prostřednictvím strusky z oxidu vápenatého CuO, část síry se vyváže na Fe, a na Mn, jako FeS a MnS tyto sulfidy jsou snadno schopny plastické deformace za tepla. Při velké redukci jsou schopny vytvářet tzv. vlákna. U litých ocelí je sulfidů celá řada. Ojediněle kulovité částice nebo nepravidelné tvary sulfidů případně tvar řetízků sulfidů. Zlepšuje opracovatelnost. Hranice obsahu - u ocelí: 0,4 (0,6)% u litin: 0,10 ; 0,15% Mangan - patří mezi austenitotvorné prvky. Ze stavového diagramu Fe-Mn lze určit, že ve slitinách obsahujících více než 35% manganu zůstává austenit zachován i při pokojové teplotě a slitiny mají austenitickou, nemagnetickou strukturu. Mangan má malou difúzní rychlost. Ve slitinách Fe-Mn-C je část manganu rozpuštěna v základní kovové matrici (tj. ve feritu nebo austenitu), část tvoří podvojný karbid (Fe,Mn)> 3 C. Rozdělovací koeficient závisí na obsahu manganu a uhlíku. Mangan rozpuštěný ve feritu zvyšuje jeho pevnostní vlastnosti a snižuje tažnost. V rovnovážném diagramu železo-cementit posouvá bod E doprava, tj. zvyšuje rozpustnost uhlíku v austenitu. Bod S posouvá doleva, takže nízkolegované oceli mají čistě perlitickou strukturu při nižším obsahu uhlíku než nelegované oceli. Protože se eutektoidní teplota současně snižuje a zjemňují se lamely perlitu, zvyšuje se pevnost. Mangan ovlivňuje tepelné zpracování ocelí. Se stoupajícím obsahem manganu se zpomaluje transformace austenitu v perlitické i bainitické oblasti. Křivky TTT(Temperature-Time-Transformation) česky křivky ARA se posouvají doprava, takže se zvyšuje prokalitelnost. Současně s tím se také zvyšuje doba stability austenitu. Odolnost zakalených ocelí proti popouštění mangan nezvyšuje. Mangan zvyšuje v matrici oceli s vyšším obsahem uhlíku množství zbytkového austenitu po kalení. Při vyšším obsahu uhlíku a manganu se transformace austenitu úplně potlačí a oceli mají austenitickou matrici. Manganové oceli jsou citlivé na zhrubnutí zrna, takže je nutné při tepelném zpracování dodržovat austenitizační teplotu. Mangan se často používá k legování konstrukčních ocelí, zejména v kombinaci s jinými prvky, protože je laciný a snadno dostupný. U běžných konstrukčních ocelí se používá až do obsahu 2%. Při legování oceli manganem je nutno počítat s jeho velkým sklonem k odměšování a jeho malou difúzní rychlostí. Křemík - patří do skupiny silně feritotvorných prvků. Rozpustnost křemíku v a -železe je vysoká. Při normální teplotě je 14%, s rostoucí teplotou vzrůstá. V ternární soustavě Fe-C-Si zužuje křemík oblast fáze g a také posouvá eutektoidní bod doleva a k vyšším teplotám. Při tepelném zpracování je proto nutné počítat se zvyšováním transformačních teplot. Křemík netvoří v ocelích karbidy, ale úplně se rozpouští ve feritu, jehož pevnost zvyšuje. Prokalitelnost zvyšuje méně než chrom a mangan. Při popouštění posouvá začátek rozpadu martenzitu k vyšším teplotám. Také rozpad zbytkového austenitu probíhá při vyšších teplotách než u nelegovaných ocelí. Protože při popouštění křemíkových ocelí vyvíjí vysokoteplotní popouštěcí křehkost, je nutné popouštět je nad pásmem popouštěcí křehkosti a po výdrži na popouštěcí teplotě rychle ochladit. Až do obsahu 0,5% se křemík nepovažuje za legovací prvek, ale za dezoxidační přísadu. Na závěr malý slovníček pojmů vyskytujících se u ocelí, vlivu legur v ocelích Nikl - otevírá oblast gama, zvětšuje houževnatost, prokalitelnost, u nezušlechtěných ocelí zvyšuje pevnost.

32 Chrom - uzavírá oblast gama, karbidotvorný, zvětšuje odolnost proti korozi, žáruvzdornost, prokalitelnost, pevnostní vlastnosti, odolnost proti opotřebení. Molybden - uzavírá oblast gama, silně karbidotvorný, zvyšuje prokalitelnost, mez tečení, odolnost proti korozi a opotřebení, vyvolává vytvrzení. Wolfram - uzavírá oblast gama, silně karbidotvorný, zlepšuje prokalitelnost, odolnost proti ztrátě pevnosti při popouštění, odolnost proti opotřebení, vyvolává vytvrzení, zvyšuje žárupevnost. Vanad - uzavírá oblast gama, silně karbidotvorný, zvětšuje prokalitelnost, odolnost proti ztrátě pevnosti při popouštění, vyvolává vytvrzení, zvyšuje tvrdost a žárupevnost. 37) Karbidotvorné a nekarbidotvorné prvky ve slitinách železa Hlavní legovací prvky jsou tzv. karbidotvorné prvky (chrom, vanad, wolfram, molybden), které tvoří tvrdé, až do vysokých teplot stálé karbidy. Karbidotvorné prvky od sebe oddalují perlitickou a bainitickou oblast diagramů IRA ocelí legovaných uvedenými prvky a proto se vyznačují dvěma nosy, odpovídajícími perlitické a bainitické přeměně (podporují krystalizaci podle metastabilní soustavy). Nekarbidotvorné prvky tj. prvky rozpustné ve feritu (např. Ni, Si, Cu) nemění tvar diagramu, (podporují krystalizaci podle stabilní soustavy). 38) Prvky zavírající a otvírající oblast austenitu (feritotvorné a austenitotvorné prvky) Austenitotvorné: nikl, mangan, kobalt (snižují teplotu Ac3 a zvyšují teplotu Ac4). Oceli tohoto typu nemají od určité koncentrace legujícího prvku žádné fázové přeměny a strukturu není možné zjemnit překrystalizačním žíháním a nelze je ani kalit. Feritotvorné: chrom, křemík, wolfram, vanad, molybden, hliník (zvyšují teplotu Ac3 a snižují teplotu Ac4). Oceli tohoto typu tuhnou feriticky a nad určitou koncentraci legujícího prvku nemají také přeměnu α γ, nelze je proto překrystalizačně žíhat ani kalit. 39) Vločkovitost oceli a její potlačení Během tuhnutí taveniny a ochlazování pevné fáze se mění koncentrace a rozložení H v oceli. Zvláště se výrazný pokles rozpustnosti H se projevuje při ztuhnutí taveniny na pevnou fázi. Protože je H v tuhé fázi méně rozpustný, zvětšuje se při tuhnutí oceli jeho obsah procentuelně ve zbývající tavenině. To způsobí, že obsah H je největší v místech, která ztuhla naposled, což je střed ingotu. Další pokles rozpustnosti H nastává při přeměně austenitu na perlit, protože H se lépe rozpouští v austenit než v perlitu. Výsledkem je, že H difunduje z míst, kde se tvoří perlit do míst, kde zůstává austenit, čímž se opět zvyšuje nerovnoměrnost rozložení H v oceli. Větší náchylnost k vločkovitosti mají zejména chromové a chromniklové oceli. Potlačení vločkovitosti oceli spočívá v zabránění vzniku vnitřních trhlin, které se pro svůj charakteristický tvar nazývají vločky. Vznik vloček souvisí s pnutím vzniklé v důsledku uzavření vodíku v oceli při ochlazování, s pnutím vzniklém při tváření za tepla a následným ochlazování i s pnutím vzniklém následkem fázové přeměny γ v α. Odstranění spočívá v tzv. protivločkovém žíhání. Tento proces není nutné provádět hned po tváření za tepla, teplota oceli však nesmí klesnout pod teplotu Ms. Pak je nutno ohřát ocel na teplotu 600 C s výdrží 2 až 10 h podle velikosti kusu s následným pomalým ochlazováním pod teplotu 500 C. Smyslem tohoto postupu je, aby se novým ohřevem před začátkem martenzitické přeměny přeměnil zbylý austenit izotermicky a současně mohl při ještě dostatečně vysoké teplotě difundovat H z oceli. Následné pomalé chlazení má zabránit vzniku vnitřních pnutí, umožnit perlitickou přeměnu posledních zbytků austenitu a poskytnout větší čas pro únik H, zvláště u objemných kusů oceli.

33 40) Stárnutí oceli Nepříznivý pokles houževnatosti nazývaný stárnutí, nejznámější je stárnutí nízkouhlíkových neuklidněných ocelí. Precipitační vytvrzování a stárnutí jsou stejné procesy. Je-li precipitace procesem žádoucím hovoříme o precipitačním vytvrzování. O stárnutí hovoříme tehdy, je-li precipitace procesem nežádoucím. Příkladem stárnutí je zvyšování tvrdosti a snižování tažnosti u hlubokotažných nízkouhlíkových ocelí. Stárnutí probíhající při teplotě okolí se nazývá přirozené stárnutí, stárnutí probíhající za uměle zvýšené teploty se nazývá umělé stárnutí. Stárnutí je charakteristická vlastnost všech nízkouhlíkových neuklidněných uhlíkových ocelí s obsahem pod 0,15 % C. Se stoupajícím obsahem C jsou účinky stárnutí při teplotě okolí méně výrazné, až při obsahu C nad 0,30% je účinek stárnutí zanedbatelný. Stárnutí způsobuje za normální teploty především N, nad teplotou C pak i C. Na stárnutí se však podílejí pouze ty atomy N a C, které jsou volně (atomárně) rozpuštěny ve feritu. Atomy N a C, které jsou chemicky vázané jako nitridy a karbidy, nemají na stárnutí žádný vliv. Z výše uvedeného lze odvodit, že k dosažení vyšší odolnosti oceli proti stárnutí je možno použít: a) úpravu chemického složení, b) tepelné zpracování, c) tváření za studena, d) snížení teploty oceli při skladování. ad a) Odolnost proti stárnutí se podstatně zvyšuje u uklidněných ocelí, které obsahují malé množství (do 0,1 %) Al nebo Ti. Hlavní snahou tohoto způsobu je snížení obsahu N při výrobě oceli. Ale i malé množství N může být příčinou stárnutí. Proto se do oceli přidávají prvky s vysokou slučivostí s N a C, z nichž nejpoužívanější jsou Al a Ti v množství nejméně pětinásobku obsahu N, což prakticky ocel proti stárnutí plně stabilizuje. Tyto prvky váží N na AlN a TiN, které, přestože se vylučují na hranicích zrn, nezhoršují tvářitelnost hlubokotažných ocelí a prakticky zamezují jejich stárnutí (na rozdíl od FeN). U těchto ocelí jsou záruky stálosti mechanických hodnot při teplotě okolí min. půl roku. Ještě vyšší afinitu k C a N než Al a Ti mají Zr a Nb. Tepelné zpracování při teplotách 700 až C s pomalým ochlazováním působí příznivě na množství vyloučeného AlN a tím i na odstranění N z oceli. Uvedený způsob tepelného zpracování také nepřímo působí na vznik určitých textur v uhlíkových ocelích. ad b) zvýšení odolnosti proti stárnutí je možné 1) pomalým ochlazováním ocelí v peci, 2) rychlým ochlazováním z teplot okolo A 1 s bezprostředně následujícím dlouhodobým ohřevem na C, 3) ohřev na C odstraňuje zestárnutí oceli po válcování za studena rozptýlením atomů C a N u dislokací, 4) dlouhodobým žíháním uvolněných svitků ve vodíku při C s rosným bodem nad 0 0 C, které sníží obsah C ve feritu nebo žíhání s rosným bodem pod 0 0 C, které sníží ve feritu obsah N. ad c) Tvářením za studena se vytvoří nové dislokace dosud neobsazené N a C. Nelze očekávat, že se tím sníží mez kluzu a zlepší tvářitelnost. Naopak, materiál dále zpevňuje. Odstraní se však výrazná mez kluzu (a tím i Lüdersova deformace), což je předpokladem pro kvalitní povrch výlisků. Je nutné provádět toto tváření jen nezbytně nutným úběrem, aby se plastické vlastnosti zhoršily pokud možno co nejméně. Uvedenou operaci je možné provádět u pásů a plechů na víceválečkových rovnačkách nebo na válcovací stolici. Pokud se provedla u pásů válcováním, není vhodné již pásy dále rovnat tahem. Snížení vlivu stárnutí snížením teploty oceli ad d) Rychlost difúze N a C a tím i rychlost stárnutí se snižuje při snižující se teplotě. Stárnutí oceli při 0 0 C je asi 20x pomalejší než při 20 0 C. Proto je nutné skladovat a převážet ocel v co nejchladnějších prostorách a materiál zpracovávat dříve, než se nepříznivě projeví Lüdersova deformace a tím i snížení plastických vlastností. V teplém ročním období materiály mohou

34 zestárnout i během jednoho dne, kdy teplota v uzavřených vagónech a kamionech dosahuje více než 50 0 C. 41) Výroba oceli Základní surovinou pro výrobu oceli je vedle surového železa ocelový odpad Výroba se realizuje 1. Kyslíkovém konvertoru 2. Elektrické obloukové peci Ocelářské pochody jsou založeny na snižování koncentrace prvků, jejichž koncentrace je vyšší, než se požaduje nebo naopak na zvyšování koncentrace prvků, jejichž koncentrace v oceli je nižší, než se požaduje. Ke tvorbě strusky se používá vápno nebo vápenec a tavidla. 1 - Mechanismy snižování koncentrací prvků v oceli: Ø Oxidace prvků na plynné oxidy Ø Oxidace prvků na oxidy v oceli nerozpustné a jejich absorpce ve strusce Ø Rozdělení prvků mezi kov a strusku Ø Snížení parciálního tlaku prvku v plynné fázi a jeho převedení do plynné fáze 2 - Mechanismy zvyšování koncentrace prvků v oceli: Ø Legování Ø Dezoxidace Ø Modifikace ad 1) Oxidace Ø kyslík se přivádí ve formě oxidů (rud) nebo dmýcháním plynným kyslíkem Ø oxidace uhlíku (uhlíkový var) má důležitý význam při výrobě oceli bubliny oxidu promíchávají lázeň Snížení koncentrace prvků v oceli snížením parciálního tlaku v atmosféře Ø Dmýcháním inertního plynu nad taveninu Ø Snižování obsahu vodíku a dusíku ad 2) Dezoxidace Ø Snižování obsahu kyslíku v oceli Ø Přidávání prvků se silnou afinitou ke kyslíku Ø Nejčastěji hliník, křemík titan Ø Vznik oxidů pevných nebo kapalných, které vyplouvají do strusky Modifikace oceli Ø ovlivnění skupenství nebo chemického složení vměstků Ø vápník Legování oceli Ø Prvky s nižší afinitou ke kyslíku než železo (Ni, Cu, Mo, W) je vhodné přidávat, před oxidací Ø Prvky s vyšší afinitou ke kyslíku (Mn, Cr, V, Si, Al, Nb, Ti) se přidávají do, dezoxidované oceli, aby se snížil jejich propal Výroba oceli v kyslíkovém konvertoru Cílem kyslíkové výroby oceli je spálení (tj. oxidace) nežádoucích nečistot obsažených v kovové vsázce. Hlavními prvky, které tudíž přecházejí na oxidy jsou uhlík, křemík, mangan, fosfor a síra. Výroba oceli kyslíkovým pochodem je diskontinuální proces, který zahrnuje následující kroky: Ø přepravu a skladování taveniny horkého kovu Ø předúpravu taveniny horkého kovu (odsiřování) Ø oxidaci v kyslíkovém konvertoru (oduhličení a oxidaci nečistot) Ø úpravu sekundární metalurgií Ø odlévání (kontinuální a/nebo do ingotů)

35 Výroba oceli v elektrických obloukových pecích Ø Hlavní vsázkou do elektrické obloukové pece je železný šrot, který může tvořit šrot z vlastních oceláren (např. odřezky), odstřižky ze zpracování ocelových výrobků (např. součástí vozidel) a městský nebo spotřebitelský šrot (např. výrobky po uplynutí doby životnosti). Ø Zdrojem tepla jsou elektrické oblouky hořící mezi vsázkou a grafitovými elektrodami 42) Austenitizace Za pokojové teploty je rovnovážná struktura uhlíkových ocelí tvořena směsí feritu a perlitu oceli podeutektoidní nebo směsí perlitu a cementitu oceli nadeutektoidní. S ohledem na složení perlitu lze tyto struktury označit jako feriticko-cementické. Základním procesem při všech postupech překrystalizačního tepelného zpracování těchto ocelí je austenitizace tj. ohřev nad kritické teploty a přeměna feriticko-cementické struktury na austenitickou. 43) Perlitická přeměna Ø Austenit uhlíkové oceli o eutektoidním složení se rozpadá na perlit eutektoidní směs feritu a cementitu (karbidů). Ø Začíná heterogení nukleací vedoucí fáze na hranicích austenitických zrn. Ø Vedoucí fází může být ferit i cementit (závisí na přesycení austenitu austenitu). Ø Přesycení je dáno polohou austenitu v MD ke křivkám GS a SE. Ø ES pravděpodobnost vzniku feritického zárodku. Ø GS pravděpodobnost vzniku cementitického zárodku. Ø S klesající teplotou izotermické přeměny nebo s rostoucí rychlostí ochlazování v intervalu A 1 až 500 C se zvětšuje počet zárodků perlitu zmenšení mezilamelární vzdálenosti perlitu (zvýšení houževnatosti, pevnosti, tvrdosti). Ø Rozeznáváme perlit lamelární a zrnitý (globulární) vznikající velmi pomalým ochlazováním v okolí teploty A 1 nebo sferoidizačním žíháním. 44) Martenzitická přeměna Z austenitu vzniká bezdifúzní přeměnou nerovnovážný přesycený tuhý roztok uhlíku v železe α, nazývaný martenzit. Chemické složení martenzitu je stejné jako složení výchozího austenitu. Krystalová mřížka martenzitu je tetragonální tělesně středěná. Intersticiální atomy uhlíku uzavřené v mřížce martenzitu působí silným zpevňovacím účinkem, proto se s vyšším obsahem C výrazně zvětšuje pevnost a tvrdost martenzitu. Obr.: Vliv obsahu uhlíku na teploty M s a M f, na množství jehlicového (M j ) a deskového (M d ) martenzitu a na množství zbytkového austenitu (A z ) po ochlazení na pokojovou teplotu. Produktem přeměny v uhlíkových ocelích proto může být dislokační martenzit jehlicové morfologie substrukturu tvoří spleť dislokací (je pevný a houževnatější), nebo dvojčatý martenzit, který má deskovou morfologii (je pevnější, ale méně houževnatý). Vysoká hustota mřížkových poruch je příspěvkem k vysoké pevnosti martenzitu. Martenzitická přeměna začíná při teplotě M s, která je nezávislá na rychlosti ochlazování. Snižováním teploty vzrůstá množství martenzitu. Závislost množství martenzitu na teplotě se nazývá martenzitická křivka a teplota M f udává teplotu ukončení martenzitické přeměny.

36 Obr.: Martenzitická křivka oceli: M s, M f, - teplota začátku a konce atermické martenzitické přeměny; A z množství zbytkového austenitu. M f udává teplotu, pod níž je rozsah atermické martenzitické přeměny zanedbatelný. Austenit, který zůstal po ochlazení ve struktuře, se označuje jako zbytkový austenit. Na polohu teplotního intervalu M s - M f, v němž probíhá martenzitická proměna, i na množství zbytkového austenitu ve struktuře po ochlazení má významný vliv chemické složení austenitu (uhlík výrazně snižuje teploty). Pomalejším ochlazováním se zvětší obsah zbytkového austenitu. Se vzrůstajícím množstvím zbytkového austenitu klesá tvrdost oceli. 45) Bainitická přeměna Přeměnou přechlazeného austenitu za teplot 550 C až M s vzniká nelamelární feriticko karbidická směs bainit. Základem bainitické přeměny je přeměna plošně středěné mřížky železa γ v tělesně středěnou mřížku železa α. Některé její rysy odpovídají martenzitické, některé naopak perlitické přeměně. Rozsah izotermické bainitické přeměny závisí na teplotě přeměny bainitická křivka (obdoba martenzitické křivky). Bainitická přeměna se může zastavit za přítomnosti určitého množství netransformovaného austenitu. Přeměně perlitické se vznik bainitu podobá především malou rychlostí růstu bainitického feritu. Struktura bainitu se výrazně mění s teplotou přeměny i s chemickým složením austenitu. Základní druhy: - horní bainit (ocel s obsahem C nad 0,6 %) - dolní bainit (teploty vyšší než 350 C, 350 až M s ) Obr.: Schéma tvorby bainitu ve středně uhlíkové oceli: a) vznik horního bainitu, b) vznik dolního bainitu; α bainitický ferit; γ austenit; K karbid ε, popř. cementit. Strukturu horního bainitu tvoří svazky hrubších jehlic bainitického feritu, s podélně uspořádanými částicemi cementitu, které jsou vyloučeny hlavně na povrchu jehlic. Strukturu dolního bainitu tvoří svazky tenkých desek bainitického feritu, které obsahují velké množství jemných karbidů, vyloučených podél určitých rovin bainitického feritu.

37 Nedosahuje tvrdosti martenzitické struktury, houževnatost je však výrazně vyšší. V porovnání s lamelárními strukturami perlitického typu jsou pevnostní vlastnosti bainitu vyšší. 46) Transformační diagramy ocelí IRA, ARA, martenzitická a bainitická přeměna. Transformační diagramy Znázorňují průběh přeměny přechlazeného austenitu a udávají vliv teploty a času na průběh přeměny. Na rozdíl od rovnovážných diagramů platí pro ocel určitého chemického složení a pro určité podmínky austenizace (velikost zrna, homogenita austenitu, atd.). Obsahují údaje o perlitické, bainitické a martenzitické přeměně austenitu. Dva druhy: Izotermické diagramy IRA udávají dobu přeměny austenitu za izotermních podmínek (T=konst.). Anizotermické diagramy ARA udávají doby potřebné k přeměně austenitu za různých ochlazovacích rychlostí. IRA - DIAGRAMY Obr.: Schéma diagramu izotermického rozpadu austenitu (IRA) oceli a) eutektoidní, b) podeutektoidní, c) nadeutektoidní; P s, P f počátek a konec perlitické přeměny; B s, B f počátek a konec bainitické přeměny; M s teplota počátku martenzitické přeměny; F s, C s počátek vzniku proeutektoidního feritu, popř. cementitu;

38 A austenit; P perlit; B bainit; M martenzit; P h hrubý perlit; P j jemný perlit; B h horní bainit;b d dolní bainit. Je metalografický název pro směs feritu a cementitu. Vzniká difúzní a bezdifúzní přeměnou austenitu v oblasti mezi perlitickou a martenzitickou přeměnou. Cementit v bainitu na rozdíl od perlitu, je jemně dispergován na hranicích feritických zrn. Martenzit, M Je přesycený metastabilní tuhý roztok uhlíku, případně i jiných prvků v Fe α, který vzniká bezdifúzní přeměnou austenitu zpravidla při ochlazování pod teplotu M S. P S perlit start Je počátek přeměny (transformace) austenitu na perlit. P f perlit finish Je konec přeměny austenitu na perlit. B S bainit start Je počátek přeměny austenitu na bainit. B f bainit finish Je konec přeměny austenitu na bainit. Obdobně F S a C IIs znamenají počátek, F f a C IIf konec přeměny austenitu na ferit, resp. Cementit. M S martenzit start Je teplota počátku přeměny austenitu na martenzit. M f martenzit finish Je teplota konce přeměny austenitu na martenzit. Austenit zbytkový, A Z Je austenit, který zůstává po kalení resp. Jiném způsobu ochlazování nepřeměněn. Ocel Je slitina železa, uhlíku a několika dalších prvků. Obsahuje do 2,11 % uhlíku. Litina Je slitina železa, uhlíku a několika dalších prvků, přičemž obsah uhlíku je vyšší než 2,11 %. Při malém přechlazení austenitu pod teplotu A 1 rychlost přeměny je malá, první zrna perlitu se objeví až po velmi dlouhé době. Při větším přechlazení se zvětší celková rychlost přeměny. Se vzrůstajícím přechlazení se však zmenšuje rychlost difúze železa, tzn. Že od určité teploty se rychlost přeměny opět snižuje. Obdobný tvar jako má perlitická přeměna mají také křivky počátku a konce bainitické přeměny. V rozmezí teplot A 1 až 550 C vznikají lamelární perlitické struktury, v teplotní oblasti od nosu diagramu až po teplotu M s vzniká izotermickým rozpadem austenitu bainit. Pod teplotou M s probíhá bezdifúzní martenzitická přeměna. 550 C v okolí je velmi malá stabilita austenitu a krátké reakční doby. A 1 i M s - v okolí je zvýšená stabilita austenitu a dlouhé reakční doby. U podeutektoidních ocelí začíná přeměna tvorbou proeutektoidního feritu. U nadeutektoidních ocelí udává počátek vylučování proeutektoidního cementitu (sekundární cementit). Na tvar a polohu křivek má vliv: - chemické složení ocelí (přísadové prvky) - podmínky austenizace

39 Obr: Schéma vlivu karbidotvorných prvků na tvar diagramu IRA: a) nízký obsah přísady, b) vysoký obsah přísady. Diagramy ARA udávají počátky a konce jednotlivých přeměn, které byly získány při plynulém ochlazování austenitu různou rychlostí. Ve srovnání s diagramy IRA jsou složitější, protože výsledná struktura oceli může být tvořena směsí produktů přeměn, které probíhají za různých teplot. Obr.: Diagram anizotermického rozpadu austenitu (ARA) eutektoidní oceli. Při ochlazování eutektoidní oceli vzniká při určitém přechlazení z austenitu perlit. Počátek a konec perlitické přeměny je posunut k nižším teplotám tím více, čím je rychlost ochlazování větší (křivky 1 a 2). Po dosažení určité ochlazovací rychlosti nestačí všechen austenit transformovat v perlitické oblasti a jeho část se zachová až do teplot, kdy již probíhá teplota bainitická. Ve struktuře se po takovém ochlazování (křivka 3) objeví spolu s perlitem také bainit (a martenzit). Křivka 4 bainitická reakce. Pod M s martenzitická přeměna (větší rychlost ochlazování = více martenzitu). Křivka 5 austenit transformuje pouze na martenzit, popřípadě se zčásti zachová jako zbytková austenit. Křivka ochlazování v k kritická rychlost martenzitické přeměny, je to nejmenší rychlost ochlazování, kdy je výsledná struktura tvořena pouze martenzitem (může být přítomen zbytkový austenit). Na tvar a polohu křivek má vliv: - chemické složení ocelí (přísadové prvky) - podmínky austenitizace Vzhledem k vlivu těchto činitelů na polohu a tvar diagramů obou druhů (IRA, ARA) se u každého diagramu uvádí: chemické složení, austenitizační teplota, doba setrvání na austenitizační teplotě a velikost zrna austenitu. Diagramy slouží jako důležitý podklad při tepelném zpracování ocelí. 47) Popouštění přeměny Ohřev následující bezprostředně po zakalení, při kterém nerovnovážné fáze martenzit a zbytkový austenit procházejí změnami. Rozeznáváme 4 stádia popouštění.

40 1. stádium cca do 200 C rozpad tetragonálního martenzitu na nízkouhlíkový martenzit kubický (do 0,125%C) a nerovnovážný karbid ε (Fe 2,4 C) s těsně uspořádanou hexagonální mřížkou. První stádium je spojeno pouze s mírným poklesem tvrdosti. 2. stádium 200 až 300 C rozpad zbytkového austenitu ve strukturu bainitického typu. Spojeno se snížením tvrdosti nebo zvýšením dle obsahu zbytkového austenitu. 3. Stádium nad 300 C tvorba cementitu za současného rozpadu nízkouhlíkového martenzitu na ferit. Monotónní pokles tvrdosti a pevnosti současně se zvýšením tvárnosti. 4. Stádium nad 500 C hrubnutí částic cementitu a feritu. U vysokolegovaných ocelí v tomto stádiu precipitují speciální karbidy zvyšující tvrdost - sekundární tvrdost. 48) Ocel zpracování, principy tepelného, chemicko tepelného a tepelně mechanického zpracování Řízené využívání fázových a strukturních přeměn v tuhém stavu s cílem získat požadované mechanické, technologické či jiné užitné vlastnosti výrobků nebo polotovarů. 1. Tepelné zpracování - využívá řízených změn teploty 2. Chemickotepelné zpracování - využívá změn chemického složení povrchových vrstev a teploty 3. Tepelněmechanické zpracování - využívá změn teploty a důsledků plastické deformace Technologie tepelného zpracování vycházejí z teorie fázových přeměn Technologie TZ zohledňuje i velikost a tvar součásti, kvalitu po vrchu, rozměrovou stabilitu V průběhu TZ může úroveň vnitřních pnutí dosáhnou úrovně jenž vedou k plastické deformaci či ke vzniku trhlin! Chemicko tepelné zpracování CHTZ Difúzní sycení povrchu oceli různými prvky (C, N, B, Si, Al ) s cílem dosáhnout rozdílných mechanických nebo fyzikálně chemických vlastností povrchu a jádra součásti Požadovaných vlastností se dosahuje buď přímo obohacením povrchové vrstvy a pomalým ochlazením nebo následujícím TZ Základní pochody při CHTZ jsou: disociace, adsorpce, difúze Ø cementování Ø nitridování Ø nitrocementování Ø karbonitridování Tepelně mechanické zpracování Ø Deformace před fázovou přeměnou Ø Deformace během izotermické fázové přeměny 49) Rozdělení TZ na hlavní skupiny, jejich charakteristika Žíhání Ø bez překrystalizace - Na snížení pnutí, rekrystalizační, na měkko, protivločkové, rozpouštěcí Ø s překrystalizací - Homogenizační, normalizační, izotermické, kombinované Kalení Ø martenzitické - Do studené lázně, do teplé lázně Se zmrazováním Ø bainitické - Do studené lázně, do teplé lázně Ø povrchové plamenem indukční Popouštění Ø bainitické - Do studené lázně, do teplé lázně Ø při nízkých teplotách napouštění Ø při vysokých teplotách zušlechťování

41 50) Hlavní prostředí používaná při TZ kalící prostředí Ø Optimální ochlazovací prostředí je takové, které umožní ochlazování příslušných objemů rychlostí jen o málo překračující rychlost kritickou ochlazování. Ø Nejlepší ochlazovací účinnost by měla být v oblasti perlitické a naopak relativně malou v oblasti martenzitické. Ø Účinnost závisí na tepelné vodivosti, měrném a výparném teple a na viskozitě kalicího prostředí. Ø Pokud se v kalicím prostředí vyskytuje při kalení parní polštář (voda, olej), je nutno tento polštář porušit (pohyb kalicího prostředí nebo kaleného předmětu). Ø Voda nenáročné, nehořlavé, levné a nejběžnější kalicí prostředí nejúčinnější je v oblasti nosu ARA diagramu s rostoucí teplotou vody klesá ochlazovací účinnost. Ø Oleje mají 3-4x menší rychlost ochlazování v oblasti perlitické přeměny a téměř 10x menší v oblasti martenzitické s rostoucí teplotou oleje se účinnost nemění. Ø Vzduch nejmírnější kalicí prostředí. Ø Tepelné lázně pro termální kalení a izotermické zušlechťování Pb, Sn, oleje nebo taveniny solí. Ø Kalicí čelisti měděné desky s vnitřním chlazením. 51) Žíhaní oceli, používané teploty, ochlazovací prostředí Cílem žíhání je dostatečné se přiblížení rovnovážnému stavu oceli. v Snaha pro dosažení struktur tvořených rovnovážnými fázemi. v Je charakteristická malá ochlazovací rychlost. v Je zařazováno do technologických postupů jako operace přídavné (k usnadnění obrábění, obnova plasticity po tváření za studena ) nebo jako konečné operace. v Pro polymorfní oceli se dělí postupy žíhání podle výšky použité teploty. Žíhání bez překrystalizace Ø Žíhání pod teplotou A 1 u polymorfních ocelí. Ø Dochází ke strukturním změnám (sferoidizace karbidů, zotavení, rekrystalizace..), kde fázové přeměny jsou nevýznamné (s výjimkou rozpouštění terciálního cementitu). Ø U nepolymorfních ocelí se vždy jedná o žíhání bez překrystalizace. Žíhání na snížení pnutí Ø Cílem je snížit nebo odstranit vnitřní pnutí, které vznikla při předchozím zpracování jako důsledek místního ohřevu (svařování), tváření za studena, rozsáhlého třískového obrábění nebo nerovnoměrného chladnutí tvarově složitých součástí či součástí velkých rozměrů Ø Provádí se při C 1-2 hodiny Rekrystalizační žíhání Ø K odstranění deformačního zpevnění po předchozím tváření za studena Ø Teploty C pro polymorfní oceli Ø Cca 800 C pro nepolymorfní Ø Pro austenitické až 1100 C Ø Doba 1 5 hodin Žíhání na měkko Ø Účelem je snížení tvrdosti a zejména zvýšení obrobitelnosti oceli Ø Dochází k sferoidizaci perlitického cementitu Ø Podeutektoidní oceli C po 4 hodiny i více s pomalým ochlazením v peci Ø Nadeutektoidní oceli nad A 1 s velmi pomalým ochlazením ( C/h) přes teplotní interval A 1 do 600 C při kterém vzniká zrnitý perlit Protivločkové žíhání Ø U ocelových polotovarů náchylných ke vzniku vloček jako prevence ke vzniku vnitřních trhlin Ø C po dobu stovek hodin Žíhání pro odstranění křehkosti po moření

42 Ø Při odstranění okují mořením dochází k difúzi vodíku do oceli C po dobu 1-4 hodiny Rozpouštěcí žíhání Ø U nepolymorfních ocelí s cílem rozpustit v tuhém roztoku minorit minoritní fáze (karbidy, nitridy) Ø Až 1100 C Ø U polymorfních ocelí ohřev pod A 1 s rychlým ochlazením se odstraňují důsledky stárnutí Žíhání s překrystalizací Ø Dochází k úplné nebo téměř úplné přeměně výchozí struktury v austenit Ø Podeutektoidní oceli se žíhají nad teplotou A 3 Ø Nad eutektoidní oceli se žíhají nad A cm nebo mezi A 1 a A cm Homogenizační žíhání Ø Účelem je zmenšení chemické heterogenity (při tuhnutí odlitků ) Ø Lokální rozdíly se vyrovnávají difúzí Ø C po dobu 5-15 hodin Ø Zhrubnutí austenitu odstraníme tvářením za tepla nebo normalizací Normalizační žíhání Ø Účelem je zjemnění austenitického zrna a zrovnoměrnění sekundární struktury Ø Vhodné pro výkovky, svařence, odlitky Ø U podeutektoidních ocelí ohřev C nad A 3 s ochlazením na vzduchu Izotermické žíhání Rychlé ochlazení austenitizované oceli na teplotu izotermického rozpadu austenitu v oblasti perlitické přeměny s následným ochlazením na vzduchu 52) Kalení oceli Ø Kalením se označují způsoby tepelného zpracování, jejichž cílem je dosažení nerovnovážných stavů ocelí. Ø Podle převažující složky rozdělujeme kalení na martenzitické a bainitické. Ø Cílem kalení je zajistit vznik struktury martenzitické. Ø Kalitelnost schopnost získat martenzitickou strukturu. Ø Zakalitelnost hodnotí se tvrdost oceli po zakalení (maximální tvrdost je určena tvrdostí martenzitu). Ø Prokalitelnost schopnost oceli získat po zakalení tvrdost odpovídající její zakalitelnosti v určité hloubce pod povrchem kaleného předmětu (martenzitu) Kalicí teplota U podeutektoidních ocelí C nad A 3 U nadeutektoidních ocelí C nad A c1 53) Kalení druhy Způsob tepelného zpracování, jehož cílem je dosáhnout stavu odlišného od rovnovážného stavu oceli. Rozdělení kalení: - kalení martenzitické - kalení bainitické

43 Obr.: Schéma průběhu ochlazování válcového tělesa při martenzitickém kalení (v diagramu ARA) a vztah mezi kritickou rychlostí ochlazování v k a skutečnou rychlostí ochlazování v řezu tělesem: a) uhlíková ocel, b) legovaná ocel; A austenit; F ferit; P perlit; B bainit; M martenzit. Přerušované (lomené) kalení Rychlé ochlazení až na teplotu těsně nad M s poté přemístit předmět do mírnějšího média kombinace voda vzduch, nebo olej vzduch Sníží se úroveň vnitřních pnutí Termální kalení Ochlazování v lázni jejíž teplota leží těsně nad teplotou kalené oceli Ms Vyrovnání teplot povrchu a jádra Potlačení teplotních pnutí již před vlastním kalení Izotermické zušlechťování Jako termální kalení, ale ponechání v lázni až po dokončení bainitické struktury Minimální vnitřní pnutí Nepopouští se Uhíkové oceli jen do průměru 5mm Kalení se zmrazováním teplota pod bodem mrazu = menší podíl zbytkového austenitu Kalení do studené lázně Do vody, oleje nebo na vzduchu Nejjednodušší Vysoká úroveň vnitřních pnutí! 54) Popouštění - následuje po kalení - cílem je dosáhnout stavu bližšího rovnovážnému stavu oceli - teplota nižší než A 1 + výdrž a ochlazování vhodnou rychlostí - popouštění při nízkých teplotách: teploty 100 až 300 C, účelem je snížit úroveň vnitřních pnutí, zmenšit podíl zbytkového austenitu, zlepšit houževnatost při zachování vysoké tvrdosti. - popouštění při vysokých teplotách: teploty 400 až 650 C, zvyšováním teploty klesá tvrdost, pevnost, mez kluzu a zvětšuje se plasticita a houževnatost 55) Zušlechťování, princip, použití, mech. vlastnosti Ocel k zušlechťování oceli se středním obsahem uhlíku, které se po kalení popouštějí na vyšší teploty, aby se dosáhlo vysoké houževnatosti při zachování dobré pevnosti. (např. ČSN , , , ) Tyto oceli, jako materiál, lze také koupit už zušlechtěné. Ve třídě oceli, za tečkou, mají číslo 6, 7, 8. Např.: Zušlechtěné oceli jsou pevnější, ale lze je ještě obrábět - soustružit, frézovat apod. (oproti kaleným ocelím, které lze už jen brousit). Zušlechtěná ocel je částečně houževnatá. Zušlechťování je zvláštní způsob kalení, při kterém nám nejde o tvrdost oceli, ale o zvýšení pevnosti v tahu na mm 2. Tím může být pak výrobek lehčí (např. ojnice a spojnice u parní lokomotivy atd). Je to kombinované tepelné zpracování, které se skládá z martenzitického kalení a popuštění při vysokých teplotách. Zušlechťování se používá pouze u ocelí, kterté mají zaručeno chemické složení. Hlavní výhoda zušlechtěných ocelí proti normalizovaným je v tom, že sorbitická struktura zušlěchtěné oceli zaručuje při stejné pevnosti vyšší mez kluzu a houževnatost. Zušlechťování Zušlechťujeme výhradně oceli konstrukční; účelem je dosáhnout vysoké pevnosti, meze pružnosti a meze únavy při vysoké houževnatosti, tedy vlastností, jež umožňují nejlepší využití oceli. Zpravidla se volí ocel s nižším obsahem uhlíku a popouští se za vyšší teploty, asi 550 až 650 C.

44 Zušlechťování uhlíkových ocelí je méně výhodné, neboť mají velkou mezní rychlost zákalu, takže se musí kalit do vody; ani pak nelze s výhodou zušlechťovat předměty silnější než asi 40 mm. Lépe se prokalují oceli niklové, manganové a zvlášť dobře oceli legované chromem, jež se zušlechťují běžně. Slitinové oceli kalíme zpravidla do oleje a jen při nízkém legování nebo u výrobků zcela jednoduchých do vody. Kalicí teplota leží opět nad Ac 3. O kolik musí být bod přeměny překročen, závisí na velikosti výrobku a na způsobu kalení. Při kalení do oleje se volí teplota o něco vyšší než při kalení do vody, ale nikdy nemá překročit 80 až 100 C nad Ac 3, nemá-li houževnatost klesnout. Běžné uhlíkové, niklové a chromoniklové oceli se ka1í normálně z 830 až 850 C, oceli chromové asi z 860 C. Prohřátí oceli musí být dokonalé, rovnoměrné a hlavně u výše legovaných ocelí ne příliš rychlé. Struska a okuje lpící na předmětu od kování způsobují měkká místa a mají být odstraněny. Po kalení následuje popouštění, u něhož zvlášť záleží na přesnosti provedení, poněvadž výsledné vlastnosti značně závisí na popouštěcí teplotě. Průměrně se počítá, že zvýšením popouštěcí teploty o 10 C se sníží pevnost o 25 až 28 N/mm 2. Ale nejen teplota, nýbrž i doba popouštění mají na vlastnosti velký vliv, a proto musí být obě pro použitý druh oceli, předmět i zařízení kalírny zkusmo stanoveny. Při tom je účelnější, ač dražší, popouštět raději na nižší teplotu delší dobu, neboť lze postup změkčování přesněji sledovat a popouštění při dosažení žádané tvrdosti přerušit. Obvykle trvá popouštění 1 až 1,5 hodiny. Nejjistěji se postupuje tak, že se popustí na teplotu spíše nižší a po 1/2 až 1 hodině se zkouškou tvrdosti kontroluje dosažené změkčení. Nevyhovuje-li, popouštíme na vyšší teplotu, kterou můžeme podle změřené tvrdosti dosti přesně určit. Kdyby byla tvrdost již příliš malá, musí se kalení i popouštění opakovat. Při popouštění se normálně ochlazuje volně na vzduchu nebo složité kusy pomalu v peci. Výjimku tvoří oceli obsahující mangan a chrom, u nichž pomalé ochlazení způsobuje značný pokles houževnatosti, známý jako popouštěcí křehkost. Takové oceli se musí po popuštění rychle ochladit např. v oleji. Při zušlechťování na teploty nad 600 C je k omezení vnitřních pnutí účelné nechat předmět v peci vychladnout asi na 550 až 580 C a pak teprve rychle zchladit. Pro nedokonalost prokalení nejsou vlastnosti tlustších výrobků po zušlechtění stejnoměrné. Uvnitř jsou vždy horší než při povrchu, což je důvodem, proč nelze tlusté součásti relativně stejně zatěžovat jako slabé. U slitinových ocelí, které se lépe prokalují, jsou ovšem rozdíly menší. Zušlechťování se nikdy neprovádí na hotově opracovaném výrobku, protože se při kalení snadno poněkud deformuje a vyrovnávání hotové části je obtížné a škodlivé. Vyrábějí-li se součásti opracováním tyčového materiálu, je nejvýhodnější objednat z hutě tyče již zušlechtěné. Výkovky a výlisky je možno zušlechťovat po vykování, při čemž se doporučuje zařadit před kalení normalizaci. U velkých a složitých kusů je však výhodnější surový výrobek měkce vyžíhat, hrubě opracovat, zušlechtit a nakonec opracovat na čisto. Pak se předmět kalí zbavený již okují a slabší než surově vykovaný, takže výsledky jsou lepší. 56) Povrchové kalení Cílem je zvýšit tvrdost povrchu při zachování dostatečně houževnatého jádra kaleného předmětu. Rychlý ohřev austenitizace, následuje zakalení. Struktura zakalené vrstvy je martenzitická, jádro je měkčí a houževnatější (feriticko-perlitické nebo bainitické). Použití pro oceli s obsahem uhlíku vyšším jak 0,35% Ohřev se provádí plamenem nebo induktorem v poslední době i laserem, k ochlazení se používá zpravidla voda nebo se kalí na vzduchu Indukční povrchové kalení - Provádí buď jednorázovým (ohřeje se celý povrch, potom ochlazení), nebo postupným způsobem (ohřeje se pouze pruh, který se hned ochladí, pak se celý postup opakuje, pohybuje se buď předmět nebo induktor). Nevýhodou je měkké místo tzv. šev. - Provádí se indukovaným el. proudem o střední frekvenci 1-15 khz nebo o vysoké frekvenci 0,15-2 MHz - Použití pro menší plochy a větší série výrobků automatizace. Povrchové kalení plamenem

45 - Plamen z kyslíko acetylenového hořáku. - Podobně jako indukční, ale horší rovnoměrnost struktury. - Větší tloušťka zakalené vrstvy. - Nižší náklady oproti indukčnímu. 57) Chemicko tepelné zpracování Difúzní sycení povrchu oceli různými prvky (kovy i nekovy), s cílem dosáhnout rozdílných mechanických nebo fyzikálně chemických vlastnosti povrchu a jádra součásti. Patří sem: - Cementování sycení povrchu uhlíkem - Nitridování sycení povrchu dusíkem - Nitrocementování, karbonitridování uhlíkem i dusíkem 58) Cementování Cílem je získat vysokou tvrdost a odolnost povrchu proti opotřebení a houževnaté jádro. Cementují se převážně nízkouhlíkové oceli (0,1 až 0,3 % C) a povrchová vrstva se obohatí uhlíkem na eutektoidní, popř. těsně nadeutektoidní koncentraci (do 0,8 až 1,0 % C). Tvrdost až 800 HV se dosahuje následným kalením a nízkoteplotním popouštěním. Cementují se např. ozubená kola, řetězová kola, čepy apod. Teploty cementování se pohybují v rozmezí 850 až 950 C u jemnozrnných ocelí až 1150 C. Dle tl. cementační vrstvy se dělí cementování na: tenké do 0,5 mm, střední do 1,5 mm tlusté nad 1,5 mm Druhy cementování dle prostředí v sypkém prostředí (v prášku) ze směsi mletého dřevěného uhlí a 7 až 20 % uhličitanu barnatého BaCO 3 (nebo NaCO 3, CaCO 3 ). Na cementační teplotě reaguje dřevěné uhlí s kyslíkem v uzavřeném prostoru na oxid uhelnatý, ve styku s povrchem oceli se rozkládá na oxid uhličitý a uhlík podle rovnice: CO CO 2 + C. Kontrola celého procesu, následné zjišťování obsahu uhlíku a tloušťky vrstvy, značný ohřev hmot a zdlouhavost procesu jsou nevýhodou této technologie, předností jsou nízké pořizovací náklady. Obr.: Závislost hloubky cementované vrstvy na době cementování (při 900 C): 1 v lázni, 2 v plynu, 3 v prášku. v plynném prostředí ve směsi plynů CO, CO 2, CH 4, H 2, H 2 O. Oproti cementování v prášku je nauhličovaní schopnost plynů větší a lze snadno regulovat v širokém rozmezí. Lze ji využívat ve velkosériové výrobě. v kapalném prostředí se využívají lázně roztavených chloridových solí s přísadou Na 2 CO 3 a SiC. Cementování v lázních není příliš rozšířeno, přestože rychlost nauhličování je poměrně vysoká.

46 59) Nitridování Sycení povrchu oceli dusíkem, přičemž vysoké povrchové tvrdosti je dosaženo již během vlastního sycení povrchu v důsledku vzniku velmi tvrdých sloučenin dusíku se železem a některými přísadovými kovy zpravidla nitridy nebo karbonitridy. - cílem je získat vysokou tvrdost a houževnaté jádro - bez následujícího tepelného zpracování - teplota 500 až 550 C na koncentraci 12 % N - v plynném prostředí, zdrojem dusíku je plynný čpavek 2 NH 3 2 N + 3 H 2 - tloušťka vrstvy 0,2 až 0,6 mm - doba nitridování až 60 hodin v důsledku nízké teploty - tvrdost povrchu až HV a zachovává se do teploty cca 600 C 60) Nitrocementování a karbonitridování princip, použití, mechanické vlastnosti V obou postupech dochází k současnému sycení povrchu oceli uhlíkem a dusíkem. Nitrocementování - sycení povrchu se uskutečňuje v okolí teploty A 3, teplota 820 až 840 C v atmosféře, kterou je směs uhlovodíku a čpavku - oceli a na vlastnosti vrstvy má převládající vliv uhlík - po nasycení povrchu se součásti kalí - hloubka vrstvy 0,3 až 0,4 mm - doba nitrocementování 1 až 2 hodiny - tvrdost vrstvy 700 až 800 HV Karbonitridování - sycení povrchu se uskutečňuje za teploty pod A 1, teplota 600 až 630 C - na vlastnosti vrstvy má převládající vliv dusík - po nasycení povrchu se součásti podobně jako při nitridaci nekalí - doba karbonitridování 4 hodiny - tloušťka vrstvy 0,05 mm - tvrdosti až HV Obr.: Tvrdost a hloubka povrchové vrstvy: 1 nitridované, 2 karbonitridované, 3 nitrocementované, 4 cementované, 5 povrchově kalené. 61) Tepelně mechanické zpracování princip rozdělení, použití, mech. vlastnosti Jako TZM se označují postupy využívající kombinace tváření a tepelného zpracování Společným účinkem plastické deformace a zpevnění lze získat oceli o extrémně vysoké pevnosti.

47 Tvářením austenitu se postupně zjemní jeho zrno, tzn. že i martenzit a perlit bude velmi jemný. Dalším důsledkem tváření je zvýšená hustota dislokací, které přecházejí do přeměny austenitu popř. přeměňují kinetiku a mechaniku změn a podílejí se na vlastnostech oceli po TMZ. a) Vysokoteplotní VTMZ limitující faktor je proces neúplné rekrystalizace. b) Nízkoteplotní NTMZ u nelegovaných ocelí technologicky náročné zajistit prudké ochlazení na tvářecí podmínky tak, aby nedošlo k bainitické nebo perlitické přeměně. Polotovary se po VTMZ a NTMZ zpravidla popouštějí, výslednou strukturu tvoří velmi jemný martenzit. 62) Ocel rozdělení a označování ocelí (ČSN EN ) OZNAČOVÁNÍ OCELÍ PODLE EVROPSKÝCH NOREM Označování materiálů podle evropských standardů Ve většině řízených oblastí, které mají něco společného se strojními zařízeními, konstrukcemi se používají různé konstrukční materiály. Následující přehled zahrnuje způsob značení ocelových materiálů podle evropských norem. V následujícím textu je přehled značení. a) Definice a rozdělení ocelí ČSN EN ( ) Oceli ke tváření jsou ocelové materiály, jejichž hmotnostní podíl železa je větší než kteréhokoliv jiného prvku a které všeobecně vykazují méně než 2% C a obsahují jiné prvky. Hodnota 2% C je všeobecně považována za mezní hodnotu pro rozlišení mezi ocelí a litinou. Rozdělení podle chemického složení Nelegované oceli určující obsahy jednotlivých prvků v žádném případě neobsahují mezních obsahů uvedených v tab. Legované oceli určující obsahy jednotlivých prvků v minimálně jednom případě přesahují obsahy uvedené v tab. Prvek Mezní obsah Mezní obsah Prvek [hmotnostní podíl %] [hmotnostní podíl %] hliník (Al) 0,10 bór (B) 0,0008 bismut (Bi) 0,10 kobalt (Co) 0,10 chrom (Cr) 1) 0,30 měď (Cu) 1) 0,40 lanthanidy (La) 0,05 mangan (Mn) 1,65 3) molybden (Mo) 1) 0,08 niob (Nb) 2) 0,06 nikl (Ni) 1) 0,30 olovo (Pb) 0,40 selen (Se) 0,10 křemík (Si) 0,50 telur (Te) 0,10 titan (Ti) 2) 0,05 vanad (V) 2) 0,10 wolfram (W) 0,10 zirkonium (Zr) 2) 0,05 Ostatní s výjimkou uhlíku, fosforu, síry, dusíku vždy 0,05 1) Pokud jsou pro ocel předepsány dva, tři nebo čtyři prvky označené touto poznámkou a jejich určující obsahy jsou menší než ostatní obsahy uvedené v tabulce, pak je pro rozdělení nutné vzít v úvahu dodatečně mezní obsah, který činí 70% součtu mezních obsahů těchto dvou, tří nebo čtyř prvků. 2) Pozn. 1 platí i pro prvky označené pozn. 2) 3) Pokud je pro obsah Mn udána pouze nejvyšší hodnota, pak platí jako mezní obsah 1,8 hm %. Rozdělení ocelí podle hlavních skupin jakosti Hlavní skupiny jakosti nelegovaných ocelí: Oceli obvyklých jakostí (B) Nejsou určeny pro tepelné zpracování a nejsou pro ně předepsány žádné zvláštní kvalitativní charakteristiky. Pouze existuje omezení maximální hodnoty meze pevnosti Rm< 690Mpa, tažnosti A< 26% a nárazové práce KV+20 C 27J. Nelegované jakostní oceli (Q) Není předepsána rovnoměrná reakce na tepelné zpracování. Mohou být na ně kladeny dodatečné požadavky např. na zvýšenou hodnotu KV, velikost zrna apod. Nelegované ušlechtilé oceli (S) Jsou určeny pro tepelné zpracování. Je stanoveno chemické složení, podmínky výroby a zkoušení. Patří sem oceli:

48 - s požadavky na nárazovou práci v oblasti nízkých teplot - s požadavky na prokalitelnost nebo tvrdost v povrchově zakaleném stavu - s požadavky na obsahy nekovových vměstků nebo čistou (obsah P+S) - s předepsanou minimální hodnotou elektrické vodivosti Hlavní skupiny jakosti legovaných ocelí: Legované jakostní oceli Jsou určeny pro zušlechťování nebo povrchové zpracování. Patří sem svařitelné jemnozrnné oceli s Re < 380MPa a obsahem legur pod normou stanovenou mezí, - oceli s požadovanými magnetickými vlastnostmi, legované Si a Al, - oceli pro náročnější tváření. Legované ušlechtilé oceli Požadovaných vlastností je dosahováno tepelným zpracováním a zaručeně přesným dodržením chemického složení, výrobních podmínek a zkoušení. Patří sem oceli pro ocelové konstrukce a na stavbu strojů, nerezavějící oceli, žáruvzdorné a žáropevné oceli, nástrojové oceli, oceli se zvláštními fyzikálními vlastnostmi a další. Pro každý jednotlivý typ oceli je ČSN stanoveno konkrétní označení. Přistoupení k systému evropských norem (EURONORMY EN), znamená v podstatě dvojí způsob označování ocelí: a) symbolické (zkrácené) označení podle užitných vlastností skupina 1 nebo dle chemického složení skupina 2 b) označení materiálovým číslem podle EN 63) Ocel nelegovaná ocel 1. Nelegovaná ocel obvyklých vlastností - plechy, pásy určené k ohýbání za studena, případně oceli na strojní součásti s nízkými nároky na vlastnosti bez zaručené houževnatosti a svařitelnosti. 2. Nelegovaná jakostní ocel jsou určeny pro výrobu plochých a dlouhých výrobků. Oceli jsou určeny k tváření za studena, případně i za tepla. 3 typy ocelí R e ( MPa pro tl. do 16 mm). Všechny druhy jsou vyráběny jako uklidněné. Ke svařování jsou vhodné ve vzrůstajícím jakostním stupni JR, JO, J2, K2. 64) Ocel legovaná Oceli legované Ni se zaručenými vlastnostmi při nízkých teplotách (ČSN EN ) teplotách Mají zaručenou hodnotu KV podle obsahu Ni od 60 do 196 C Je normalizováno celkem 7 značek Podle obsahu Ni je možné je rozdělit do 4 skupin: 1. 0,3 0,85 %Ni 11MnNi511MnNi53, 13MnNi6 0,3 2. 1,3 1,7 %Ni 15NiMn6 1,3 3. 3,25 5,25 %Ni 12Ni14, 12Ni19 3, ,5 10 %Ni X8Ni9, X7Ni9 8,5 Součet Cr, Cu, Mo max. 0,50 % Cr, Cu, 13MnNi6-3 65) Ocel - korozivzdorná Ø Základním prvkem je chróm schopnost oceli odolávat elektrochemické korozi v oxidačním prostředí Ø Podmínkou je minimální obsah Cr 11,5 % v tuhém roztoku Ø Mají nízký obsah uhlíku (pod 0,1 % C) C snižuje obsah Cr neboť ho váže na karbidy! Ø C má vyšší difúzní rychlost než Cr vznik míst o nižším podílu Cr mezikrystalová koroze Ø Při obsahu pod 12 % Cr jsou oceli samokalitelné Chrómové a chróm niklové martenzitické a feritické oceli Ø Pro stavbu vodních strojů Ø Jsou svařitelné Chrómniklové austenitické oceli

49 Ø Odolné vůči kyselinám (HNO3, HCl a organickým kyselinám 66) Ocel žáropevná a slitiny Ø Mají vysokou odolnost proti oxidaci, korozi a dlouhodobě stálé vlastnosti v horkých plynech Ø Odolnost proti oxidaci za vysokých teplot získávají oceli legováním Cr, Si, Al, Ni Ø Rozdělují se na feritické, austenitické a feriticko austenitické Ø Obsah uhlíku pod 0,12% 67) Nástrojové oceli - požadavky Ø Tvrdost, závisí na obsahu C, popř. na přísadách karbidotvorných prvků Ø Plastické vlastnosti a houževnatost, závisí na matrici, morfologii a velikosti karbidů Ø Odolnost proti popouštěn,í důležité pro řezné nástroje, posuzování poklesu tvrdosti s teplotou Ø Řezivost ovlivňována množstvím a složením a rozložením karbidů ve struktuře Ø Tepelná únava Ø Prokalitelnost Ø Rozměrová stálost důležitá vlastnost u měřidel a tvarových nástrojů 68) Oceli nástrojové druhy a jejich rozdělení Ø Oceli na nástroje pro lisování a ražení za studena Ø Oceli pro práci za tepla Ø Oceli na měřidla a pomocné nástroje a přípravky 69) Oceli nástrojové nelegované Ø Pro výrobu méně náročných nástrojů závitníky, frézy, pilky Ø Tvrdost HRC Ø Při tepelném zpracování je nutné chránit nástroj proti oduhličení povrchu! 70) Oceli nástrojové legované Ø Podobné použití jako nelegované Ø Mají vyšší prokalitelnost, tvrdost HRC Ø Součet legujících prvků nepřesahuje 3 % 71) Oceli rychlořezné Ø Vysoká odolnost proti poklesu tvrdosti až do teplot 550 C Ø Základním legujícím prvkem je wolfram Ø Popouštění se provádí 3x 72) Litiny Slitiny železa, uhlíku a doprovodných prvků (žádoucích i nežádoucích), kde obsah uhlíku je nad 2 hm%, když součet všech doprovodných prvků nepřesáhne 2%. Existují tři typy litin - podeutektické (2,1 až 4,2% uhlíku) - eutektické (4,2% uhlíku) - nadeutektické (nad 4,2%uhlíku) Jsou to materiály určené výhradně na výrobu odlitků. V poslední době výroba slitin železa upadá, ale i tak jsou jednou z nejdůležitějších skupin kovových materiálů.

50 Grafitické litiny obsahují uhlík ve formě grafitu, který krystalizuje v hexagonální soustavě (hcp mřížka). Jejich vlastnosti závisí na množství, tvaru a velikosti grafitických útvarů a na typu kovové matrice, ve které je grafit rozložený. Jednotlivé druhy litin lze srovnat dle mechanických a jiných vlastností. V pořadí litina s lupínkových grafitem (šedá litina), litina s červíkovitým grafitem (vermikulární litina) a litina s kuličkových grafitem (tvárná litina); se pevnost v tahu a modul pružnosti zvyšuje, stejně tak houževnatost a tažnost, naopak slévatelnost či obrobitelnost se zhoršují. Mechanické vlastnosti závisí nejen na tvaru a velikosti grafitu, ale i na matrici (feritická, feriticko-perlitická, perlitická), což je základní kovová hmota, ve které je uložen grafit. Se zvyšujícím se podílem perlitu ve struktuře narůstají pevnostní charakteristiky a naopak tažnost či houževnatost klesají. Konkrétní údaje poskytuje tabulka uvedená níže. Litiny Feritická matrice Feriticko-perlitická matrice Perlitická matrice Litina s lupínkovým grafitem Litina s kuličkovým grafitem Litina s vermikulárním grafitem Temperovaná litina s bílým lomem Temperovaná litina s černým lomem HB Rm= MPa Rm= Mpa A=15-22% HB Rm= MPa Rm= Mppa A=3-10% HB Rm= MPa Rm= Mpa A=2% Mechanické vlastnosti leží mezi litinou s lupínkovým a kuličkovým grafitem. Rm= Mpa A=4-12% HB Rm= Mpa A=1-10% HB 73) Grafitické litiny Jak bylo popsáno v předešlé kapitole, hlavními stavebními prvky v litinách jsou železo a uhlík. Uhlík patří mezi nekovy a podle toho v jaké formě se vylučuje, přímo ovlivňuje vlastnosti slitin na bázi železa. V soustavách železo uhlík tvoří tento prvek samostatnou fázi. Vylučuje se ve formě cementitu (karbid železa Fe 3 C) v metastabilní soustavě (Fe-Fe 3 C) nebo ve formě grafitu (čistý uhlík) v soustavě stabilní (Fe-C). Uhlík v grafitických litinách se vyskytuje ve dvou formách; tzv. uhlík volný a uhlík vázaný. Uhlík volný je grafit a uhlík vázaný je rozpuštěn v základní kovové hmotě (v matrici). Z toho plyne: C celk = C grafit + C matrice. Cementit je typická intermediární fáze s obsahem 6,68 hm % C. Krystalizuje v orthorombické soustavě (Obr.1). Je velmi tvrdý (800 HV) a křehký a do teploty 217 C je feromagnetický. Z termodynamického hlediska je fází metastabilní a za vhodných podmínek se rozpadá na železo a grafit podle rovnice (1). Tento proces je znám pod pojmem přímá grafitizace. Grafit je čistý uhlík a krystalizuje v hexagonální soustavě (Obr. 2). Je měkký a jeho tvárnost a pevnost jsou v porovnaní s čistým železem nepatrné. Z hlediska termodynamického jde o fázi stabilní. Obr. 2 Krystalická mřížka grafitu Rozhodujícím parametrem pro základní rozdělení litin dle struktury je eutektická krystalizace. V bílých litinách probíhá eutektická krystalizace v podmínkách metastabilní rovnováhy a jejich produktem je ledeburit. Strukturu pak tvoří cementit a perlit, a proto mají litiny bílý lom, vysokou tvrdost a dobrou odolnost vůči opotřebení. Na druhou stranu jsou velmi křehké, mají relativně malou pevnost a špatně se obrábí.

51 V grafitických litinách probíhá eutektická reakce dle stabilní rovnováhy a jejím produktem je grafit. Ten pak zůstává ve struktuře bez ohledu na to, jestli další fázové přeměny probíhají dle metastabilní či stabilní soustavy. Když proběhne eutektická reakce z části dle stabilní a z části dle metastabilní soustavy vzniká tzv. přechodová litina, která obsahuje ve struktuře jak ledeburit, tak i grafit. To, jestli bude daná slitina krystalizovat dle stabilní či metastabilní soustavy, závisí na několika faktorech: Obsah uhlíku: zvyšování obsahu uhlíku podporuje vylučování grafitu, to se ale projeví při obsazích nad 2 hm%c. Rychlost ochlazování: při pomalém ochlazování vznikne stabilní rovnováha a naopak při rychlém ochlazení vznikne cementit. Obsah dalších prvků: zvyšující se obsah tzv. grafitotvorných prvků (Si, P, Al) podporuje vylučování grafitu a zase některé prvky (Mn, S) podporují vznik cementitu. Základním kritériem při rozdělení grafitických litin je tvar vyloučeného grafitu. Grafit může vznikat krystalizací z taveniny nebo grafitizací cementitu v tuhém stavu dle rovnice. Krystalizace grafitu se může ovlivnit úpravou taveniny přidáním látek, které ovlivňují počet krystalizačních zárodků (očkování) nebo tvar zárodků (modifikace), viz Obr. 3. Obr. 3 Základní druhy grafitických litin Vlastnosti grafitických litin závisí na množství, tvaru a velikosti grafitických částic a na druhu kovové matrice, ve které je grafit rozložený. Matrice může mít různý podíl feritu a perlitu. Litina s vyšším obsahem perlitu v matrici má vyšší pevnost a nižší tažnost. Charakteristické mechanické vlastnosti jednotlivých druhů grafitických litin jsou znázorněné na Obr litina s lupínkovým grafitem 2. litina s červíkovitým grafitem 3. litina s kuličkovým grafitem 4. litina s vločkovým grafitem (temperovaná litina s bílým lomem) 5. litina s vločkovým grafitem (temperovaná litina s černým lomem) 6. temperovaná perlitická litina Obr. 4 Mechanické vlastnosti grafitických litin

52 74) Temperované litiny Temperované litiny jsou svým chemickým složením podeutektické bílé litiny s nízkým stupněm eutektičnosti, které jsou tepelně zpracovány tzv. temperováním. Temperování je vlastně dlouhotrvající žíhání odlitků z bílé litiny, kdy se začíná rozpadat ledeburitický či perlitický cementit. Tímto procesem vzniká vločkový grafit, který je typický pro tuto litinu. Rozeznáváme dva druhy temperovaných litin a to: temperovaná litina s bílým lomem (vzniká oduhličením při temperování, velmi dlouhé tepelné zpracování při vysokých teplotách, viz. obrázek 32 křivka 1) temperovaná litina s černým lomem (cementit se rozpadá na tuhý roztok austenit či ferit a na grafit, viz. obrázek 32, křivka 2 a 3) Obr. 32 Předpis tepelného zpracování temperování, jednotlivé křivky udávají typ temperování; 1) na bílý lom, 2) na černý lom, 3) perlitická litina Temperovaná litina s bílým lomem Temperování na bílý lom probíhá při teplotách okolo 1000 C. Povrch temperované litiny je oduhličený, viz obrázek 33. Oduhličením povrchu vzniká koncentrační spád uhlíku od povrchu k jádru, který umožňuje další difúzi atomů uhlíku z jádra na povrch odlitku. Při oduhličovaní se snižuje obsah uhlíku v austenitu. Takto porušená rovnováha mezi austenitem a cementitem se vyrovná rozpouštěním cementitu (a jiných karbidů) v austenitu. Tento proces začíná nejdříve na povrchu odlitku a v dalších etapách ústí k jádru. Ochlazením litiny po temperování na místech, kde je austenit ochuzený o uhlík, nastává jeho překrystalizace na ferit. Ve vnitřních, méně oduhličených vrstvách vzniká směs feritu a perlitu. Tam, kde je uhlíku dostatek vzniká grafit, který má pavoučkovitý tvar (vločkový). Toto temperování je zastaralé, je velmi zdlouhavé a nákladné. Využívá se nejčastěji pro tenkostěnné odlitky s tloušťkou stěny maximálně 6 mm. Obr. 33. Mikrostruktura temperované litiny s bílým lomem

53 Temperovaná litina s černým lomem Temperovaná litina s černým lomem a feritickým základem se vyrábí grafitizací prvního a druhého stupně. První stupeň probíhá při teplotách okolo 950 C, dokud se úplně nerozpadne ledeburitický, popřípadě sekundární cementit na austenit a temperovaný uhlík (vločkového tvaru). Po té nastává ochlazování na teplotu druhého stupně a setrvání na teplotě. Tady se začíná rozpadat perlitický cementit na ferit a temperový uhlík. Následuje pomalé ochlazení, aby se neporušila stabilní rovnováha. Mikrostrukturu pak tvoří feritická matrice a grafit, viz. obrázek 34. Zvláštním typem je temperovaná litina s černým lomem a perlitickým základem. Provede se první stupeň (ohřev na teplotu okolo 950 C) a po té co se struktura rozpadne na austenit a temperovaný vločkový grafit, po té se odlitek úplně ochladí v prostředí proudícího vzduchu. Při tomto procesu se austenit přemění na perlit. Po té se slitina popouští při teplotách nižších než je A 1. Podle zvolené teploty se získá matrice globulárního nebo lamelárního perlitu s určitým podílem feritu, který zlepšuje tažnost, ale snižuje pevnost v tahu. Obr. 34. Mikrostruktura temperované litiny s černým lomem Použití a mechanické vlastnosti Nevýhodou všech temperovaných litin je jejich špatná zabíhavost a velká smrštivost. Proto se nedají použít na velké odlitky. Temperované litiny se uplatňují zejména při výrobě středně mechanicky namáhaných součástek, hlavně pro součástky automobilů, polnohospodářských strojů, vagónů, lokomotiv apod. Základní normované druhy jsou uvedeny v tabulce níže, spolu s jejich použitím a mechanickými vlastnostmi. Značka EN ČSN GJMW-350 (JM 1010) GJMW (JM 1030) Charakteristika, struktura Temperovaná litina s černým lomem pro všeobecné účely. Struktura feritická s částečným výskytem perlitu. Temperovaná litina s černým lomem pro všeobecné účely. Struktura feritická s částečným výskytem perlitu. Temperovaná litina s bílých lomem pro všeobecné účely. Struktura perlitická. Temperovaná litina s bílým lomem pro všeobecné použití. Tab. 15 Vlastnosti a doporučené použití odlitků Použití Vhodná na odlitky s tloušťkou stěn od 3 do 30 mm. Např. na odlitky pro textilní, polnohospodářské stroje, obráběcí stroje, zdviháky apod. Vhodná na odlitky s tloušťkou stěn od 3 do 30 mm. Např. Na odlitky pro vozové nápravy, kompresory, klíče do zámků apod. Vhodná na odlitky s tloušťkou stěn od 3 do 30 mm. Jde o odlitky na vozové nápravy, tkalcovské stavy, západky, kompresory. Vhodná na odlitky s tloušťkou stěn od 3 do 30 mm. Jde o odlitky pro R e R p 0,2 A [%] R m [MPa] HV

54 Struktura perlitická s výskytem feritu. GJMB (JM 1140) Temperovaná litina s bílým lomem pro vyšší tlaky. Struktura zrnitý až lamelární perlit. motocyklovou a automobilovou výrobu, pro staticky namáhané odlitky. Vhodná na odlitky s tloušťkou stěn od 3 do 30 mm. Jde o odlitky na konzoly, motory, páky převodovek, součásti polnohospodářských strojů ) Litina karbidická - bílá litina Bílé litiny jsou téměř vždy podeutektické a jsou především výchozím materiálem pro litiny temperované - kap Jejich struktura se skládá z perlitu a cementitu. Nadeutektické bílé litiny, v jejichž struktuře se vyskytují dlouhé jehlice primárního cementitu, se prakticky nepoužívají. Struktura bílé litiny odpovídá metastabilní rovnováze a je tvořena směsí feritu a 4 popř. 5 druhů cementitu. Bílá litina vzniká při nižším obsahu grafitotvorných a vyšším obsahu karbidotvorných prvků při vyšší rychlosti tuhnutí taveniny. Bílé litiny mají značnou tvrdost (350 až 500 HB), která roste se zvyšujícím se podílem cementitu ve struktuře. Pokud se z ní vyrábějí odlitky, jsou to odlitky tvarově jednoduché, které mají vysokou tvrdost a odolnost proti opotřebení. Používají se tam, kde součásti z nich vyrobené jsou vystaveny převážně tření. Jejich tvrdost lze zvýšit až na 62 HRC martenzitickým kalením. 76) Tepelné zpracování litin Tepelné zpracování bíle litiny Temperování - grafitizace ledeburitického, popř. perlitického cementitu, nebo oduhličování bílé litiny - cílem je odstranění tvrdé a křehké fáze cementitu - můžeme získat tři druhy temperované litiny: 1. temperovanou litinu s černým lomem 2. temperovanou litinu s bílým lomem 3. temperovanou litinu perlitickou ad a) temperovaná litina s černým lomem - 1.stupeň grafitizace teploty 950 až C - 2.stupeň grafitizace teploty pod A 1,1 - doba temperování 25 až 30 hodin - pomalé ochlazování - výsledná struktura: ferit + vločkový grafit ad b) temperovaná litina s bílým lomem - není tam grafit - teploty C - tenkostěnné odlitky tloušťka stěny 6 mm, 60 hodin - výsledná struktura: ferit tenkostěnné ferit na povrchu, perlit + grafit v jádře - tlustostěnné ad c) temperovaná litina perlitická - výsledná struktura je tvořena lamelárním perlitem a vločkovým grafitem Tepelné zpracování grafitických litin - cílem je snížení vnitřních pnutí, zlepšení obrobitelnosti nebo zvýšení tvrdosti a odolnosti povrchu odlitku proti opotřebení Žíhání - cílem je dosáhnout rovnovážného stavu, nebo se alespoň k němu přiblížit a) žíhání ke snížení vnitřních pnutí - teplota C - doba setrvání 1 až 2 hodiny - pomalé ochlazování v peci

55 b) žíhání ke snížení tvrdosti - teplota C - doba setrvání několik hodin - následné ochlazování c) normalizační žíhání - cílem je zvýšit pevnost a tvrdost - teplota C - ochlazování volně na vzduchu Kalení - cílem je dosáhnout nerovnovážného stavu a) martenzitické kalení - studená lázeň (olej, voda) - teplá lázeň 50 až 80 C nad teplotu A 1,2 - vyšší teplota víc uhlíku v austenitu, víc zbytkového austenitu, menší tvrdost b) povrchové kalení - cílem je zvýšení odolnosti povrchu proti opotřebení - kalení indukční nebo plamenem - prostředí voda nebo olej - hloubka zakalené vrstvy 1-5 mm - vačky, čepy hřídelů, zuby ozubených kol c) zušlechťování - cílem je zvýšit pevnost, tvrdost a odolnost proti opotřebení - olej - ojnice automobilových spalovacích motorů d) izotermické zušlechťování - cílem je zvýšit pevnost, tvrdost a odolnost proti opotřebení - teplota 50 až 80 C nad A 1,2 - doba setrvání 1 až 3 hodiny - rychlost ochlazování vyšší než v k, dochlazení na vzduchu - výhoda: nízká úroveň vnitřních pnutí - odlitky se nepopouštějí - vložky válců spalovacích motorů, ozubené kola 77) Neželezné kovy Cín Nízkotavitelný kov, používaný člověkem již od starověku. Cín je v normálním prostředí značně odolný proti korozi a zároveň je zdravotně prakticky nezávadný. Je to stříbrobílý lesklý kov, není příliš tvrdý, ale je značně tažný. Takže jej lze válcovat na velmi tenké fólie (obalový materiál staniol). Ve sloučeninách se vyskytuje v mocenství: Sn +2 a Sn +4. Cín je vůči vzduchu i vodě za normální teploty stálý. Vůči působení silných minerálních kyselin není cín příliš odolný. Velmi ochotně se rozpouští především v kyselině chlorovodíkové za přítomnosti i malých množství oxidačních činidel (HNO 3, H 2 O 2, ). Také v silně alkalických roztocích se kovový cín poměrně rychle rozpouští za vzniků ciničitanového aniontu [SnO 3 ] -2. Cín je tedy amfoterní. Olovo Nízkotavitelný, měkký, velmi těžký, toxický kov, používaný člověkem již od starověku. Ve sloučeninách se vyskytuje v mocenství: Pb 2+ a Pb 4+. Za normálních podmínek je olovo odolné a neomezeně stálé vůči atmosférickým vlivům. V kompaktním stavu se na vlhkém vzduchu příliš nemění, pouze zvolna ztrácí lesk a tvoří se na něm šedobílá vrstva oxidů, hydroxidů a uhličitanů. Dobře se rozpouští především v kyselině dusičné, koncentrovaná kyselina sírová jej naopak pasivuje a olovo s ní nereaguje.

56 Kovové olovo velmi dobře pohlcuje rentgenové záření a slouží proto k odstínění zdrojů tohoto záření v chemických a fyzikálních aparaturách a především v lékařství při ochraně obsluhy běžných medicinálních rentgenů. Polotloušťka olova je závislá na energii a typu záření, například pro stínění beta záření je olovo naprosto nevhodné z důvodu silného druhotného záření které vzniká při interakci beta záření s atomy olova. Jeho slitiny s cínem, antimonem nebo stříbrem vykazují výborné vlastnosti při mechanickém spojování kovových předmětů pájením a jako pájky jsou doposud široce používány. Zinek modrobílý kovový prvek se silným leskem, který však na vlhkém vzduchu ztrácí. Mřížka zinku krystaluje v hexagonálním těsném uspořádání. Za normální teploty je křehký, v rozmezí teplot C je tažný a dá se válcovat na plech a vytahovat na dráty, nad 200 C je opět křehký a dá se rozetřít na prach. Zinek je velmi snadno tavitelný a patří k nejsnáze těkajícím kovům. Tepelná vodivost zinku je 61-64% a elektrická vodivost 27% vodivosti stříbra. Patří mezi přechodné prvky, které mají valenční elektrony v d-sféře. Ve sloučeninách se vyskytuje pouze v mocenství Zn +2. V silných minerálních kyselinách se zinek velmi ochotně rozpouští za vývoje plynného vodíku. Na vzduchu je zinek stálý, protože se rychle pokryje tenkou vrstvičkou oxidu, která jej účinně chrání proti korozi vzdušným kyslíkem i vlhkostí (vodou) - tzv. pasivace. Zinek se ale také rozpouští v roztocích hydroxidů, vodném amoniaku a za tepla také v chloridu amonném, což je projevem jeho amfoterity (rozpouštění v kyselinách i hydroxidech). Pokud je zinek ve velmi čistém stavu, tak rozpouštění v kyselinách ani hydroxidech neprobíhá nebo probíhá velmi pomalu. Zinek na vzduchu při zahřátí hoří jasně svítivým modrozeleným plamenem, přičemž vzniká bílý oxid zinečnatý. Za červeného žáru se zinek oxiduje také vodní parou a oxidem uhličitým, který se redukuje na oxid uhelnatý. S halogeny reaguje zinek velmi neochotně a pouze za přítomnosti vlhkosti. Sirovodík působí na zinek za normální teploty a vzniká tak sulfid zinečnatý. Za tepla se zinek slučuje také se sírou a fosforem. S dusíkem, vodíkem a uhlíkem se neslučuje vůbec, ale s amoniakem tvoří za vysokých teplot nitrid zinečnatý. S velkým množstvím kovů je zinek neomezeně mísitelný a tvoří slitiny a s některými tvoří dokonce Hliník Neušlechtilý stříbřitě šedý, nestálý, kujný kov, elektricky velmi dobře vodivý. Vedle oceli patří k nejpoužívanějším kovovým konstrukčním materiálům. Pevnost čistého hliníku v tahu nízká cca 70 Mpa. Nízká měrná hmotnost ( kgm-3) a poměrně dobrou pevnostv tahu ve slitinách ( MPa)V přírodě se vyskytuje zejména ve formě sloučenin, nejznámější rudou je bauxit Al 2 O 3. 2 H 2 O (dihydrát oxidu hlinitého). Ve sloučeninách se vyskytuje pouze v mocenství Al +3. V kyselém prostředí jako hlinitý kation, v alkalickém prostředí jako hlinitanový anion [AlO 2 ] -. Hliník je v čistém stavu velmi reaktivní, na vzduchu se však rychle pokryje tenkou vrstvičkou oxidu Al 2 O 3, která chrání kov před další oxidací. Hliník je velmi dobře rozpustný ve zředěných kyselinách, koncentrovaná kyselina dusičná jej však stejně jako vzdušný kyslík pokryje pasivační vrstvou oxidu. Také hydroxidy alkalických kovů snadno rozpouštějí kovový hliník za vzniku hlinitanů (AlO 2 ) -. Hliník byl objeven roku 1825 dánským fyzikem Hansem Christianem Oerstedem. Hořčík středně tvrdý, lehký, tažný kov, těžší než voda, vede hůře elektrický proud a teplo. Hořčík lze díky jeho dobré tažnosti snadno válcovat na plechy a dráty. Hořčík není tolik reaktivní jako další kovy alkalických zemin, a proto se neuchovává pod petrolejem nebo naftou, ale stačí nádoby se suchým vzduchem. Hořčík se velmi dobře slévá s jinými kovy, ale jen málo z nich má praktické využití, protože se většina snadno oxiduje. Hořčík reaguje za normální teploty pomalu s kyslíkem a s vodou. Na suchém vzduchu se postupně pokryje vrstvou oxidu, která jej chrání před další oxidací, a lze jej takto uchovávat i poměrně dlouhou dobu. Při hoření hořčíku na vzduchu vzniká velmi intenzivní bílé světlo. S vodou reaguje hořčík za normální teploty velmi pomalu za vzniku hydroxidu hořečnatého. Při

57 vyšší teplotě se hořčík slučuje velmi ochotně téměř se všemi prvky a i s některými sloučeninami - např. při hoření hořčíku v dusíkaté atmosféře vznikne nitrid hořečnatý, který se vodou rozkládá za vzniku oxidu hořečnatého a amoniaku, a při hoření hořčíku v atmosféře oxidu uhličitého vznikne oxid hořečnatý a uhlík. Hořčík se velmi dobře rozpouští ve všech běžných kyselinách za vzniku hořečnatých solí. Při rozpouštění v koncentrované kyselině sírové uniká oxid siřičitý. Při rozpouštění v kyselině dusičné se podle koncentrace tvoří vedle hořečnatých solí i další látky. Při velmi nízké koncentraci vzniká dusičnan amonný (koncentrace méně než 5%), při reakci s ředěnou kyselinou dusičnou vzniká oxid dusný (koncentrace 5%-10%), s koncentrovanější reaguje za vzniku oxidu dusnatého (koncentrace 10%-asi 50%) a s koncentrovanou kyselinou reaguje za vzniku oxidu dusičitého (koncentrace 50%-100%). S kyselinou chlorovodíkovou a zředěnou kyselinou sírovou reaguje pouze za vzniku hořečnatých solí. S alkalickými hydroxidy hořčík nereaguje. Měď Typický kovový prvek červenohnědé barvy, která ve velmi tenkých plátech prosvítá zelenomodře. Krystalizuje v krychlové plošně středěné soustavě. Patří mezi přechodné prvky, které mají valenční elektrony v d-sféře a patří do I.B skupiny. Měď, stejně jako stříbro a zlato, které se vyskytují ve stejné skupině, se ve většině vlastností podobají sousedům nalevo (prvkům VIII.B skupiny a tedy přechodným kovům - nikl, paladium a platina), ale v některých vlastnostech se velmi podobají prvkům I.A skupiny - alkalickým kovům, tedy prvků nepřechodným. Společný rys se sousedy vlevo má měď v oxidačním stupni Cu 2+ a jejích barevných komplexech a společný s alkalickými kovy zejména Cu 1+. V těchto dvou oxidačních stupních tvoří měď nejvíce sloučenin, vzácně i v oxidačním stupni Cu +3 a Cu +4. Trojmocnou měď je nutné stabilizovat velkými anionty. Rozpouštění mědi v minerálních kyselinách probíhá, ale jako ušlechtilý kov nedokáže z kyseliny vytěsnit kation vodíku, a proto se rozpouští v oxidujících kyselinách nebo v neoxidujících kyselinách v prostředí oxidačních činidel. V roztoku zředěné kyseliny chlorovodíkové se měď nerozpouští, pokud se do roztoku přidá oxidační činidlo (nejběžněji peroxid vodíku), probíhá rozpouštění velmi pomalu. V případě koncentrované kyseliny chlorovodíkové se měď také nerozpouští, ale v přítomnosti oxidačních činidel probíhá rozpouštění poměrně rychle za vzniku zeleného roztoku chloridu měďnatého. 2 HCl + H 2 O 2 + Cu CuCl H 2 O V roztoku zředěné kyseliny sírové se měď nerozpouští, ale v přítomnosti oxidačního činidla se měď rozpouští za vzniku zelenomodrého roztoku síranu měďnatého. V koncentrované kyselině sírové, která již je oxidující kyselinou, se měď zprvu nerozpouští a pouze černá na oxid měďnatý a uvolňuje se oxid siřičitý a teprve po zčernání mědi se oxid měďnatý rozpouští v kyselině sírové na modrý roztok síranu měďnatého. H 2 SO 4 + H 2 O 2 + Cu CuSO H 2 O Cu + H 2 SO 4 CuO + SO 2 + H 2 O CuO + H 2 SO 4 CuSO 4 + H 2 O V roztoku zředěné kyseliny dusičné, která je oxidující kyselinou, se měď rozpouští za vzniku modrého roztoku dusičnanu měďnatého a uvolňování oxidu dusnatého. V roztoku koncentrované kyseliny dusičné, která je také oxidující kyselinou, se měď rozpouští za vzniku modrého roztoku dusičnanu měďnatého a uvolňování oxidu dusičitého. 3 Cu + 8 HNO 3 3 Cu(NO 3 ) NO + 4 H 2 O Cu + 4 HNO 3 Cu(NO 3 ) NO H 2 O V alkalických hydroxidech je měď nerozpustná, ale měď se také dobře rozpouští v koncentrovaných roztocích alkalických kyanidů za vývoje vodíku. 2 Cu + 2 H 2 O + 4 CN - 2 [Cu I (CN) 2 ] + 2 OH - + H 2 Na vzduchu je měď nestálá, protože se za působení atmosférické vlhkosti a oxidu uhličitého pasivuje, pokrývá se tenkou vrstvičkou zeleného zásaditého uhličitanu měďnatého (CuCO 3.

58 Cu(OH) 2 ), (měděnkou), která ji účinně chrání proti další korozi vzdušným kyslíkem i vlhkostí (vodou). Tento proces probíhá podle podmínek vzdušné vlhkosti několik měsíců až let. Na měď působí za pokojové teploty a vzdušné vlhkosti i chlor. Za vyšší teploty se měď slučuje s velkou Spoustou prvků a k nejvýraznější je významná slučivost se sírou. Sloučeniny měďnaté barví plamen zeleně. Měď vede v čistém stavu velmi dobře elektrický proud, po stříbře vykazuje druhou nejlepší vodivost ze všech kovových prvků za normální teploty. Ale i při velmi malém obsahu nečistot, zejména antimonu a arsenu, se vodivost výrazně snižuje. Zároveň je i výborným vodičem tepla. Čistá kovová měď je poměrně měkká a proto se pro praktické aplikace často používají její slitiny s prvky. Měď je velmi tažná a kujná a i proto se z ní vyrábí vodiče elektrického proudu. Nikl - Feromagnetický kov, drahý, stříbrobílý, silně lesklý kov, je velmi tažný a dá se kovat, svářet a válcovat na plech nebo vytahovat v dráty - Asi 60 % Ni je přísadou do ocelí, 15 % plechy, 25 % slitiny - K povrchovým úpravám ke zvýšení odolnosti proti korozi - V jemně rozptýleném stavu je nikl pyroforický (je samozápalný na vzduchu). 78) Slitiny neželezných kovů měd se zinkem - mosaz - mosazi pro tváření 5-42% Zn - mosazi s větším obsahem mědi než 80% nazýváme tombaky = dobrá odolnost proti korozi a tvárnost - mosazi s obsahem mědi 68-70% mají nejlepší tvárnost tzn., že jsou vhodné k hlubokému tažení (nábojnice, hud. nástroje atd.) mosazi s obsahem 60-80% mědi tvářené za studena mají velkou náchylnost ke korozi ve vlhké atmosféře při spolupůsobení vnitřního pnutí mosazi s obsahem mědi 58% s přísadou olova se nazývají tzv. šroubové mosazi mosazi s obsahem 58-63%mědi jsou vzhledem k dobré zabíhavosti vhodné k odlévání, avšak jejich smrštění může být větší než 1,5% Zvláštní mosazi mají kromě zinku i jiné přísady, které zlepšují jejich vlastnosti, např. cín zlepšuje akustické vlastnosti, nikl zvyšuje odolnost proti korozi, s hliníkem jsou vhodné na ventilová sedla, mosazi s teplotou tavení vyšší než 500 C jsou tzv. tvrdé pájky Bronz Obecný název pro slitinu mědi s jiným kovem podle kterého se bronz nazývá cínový bronz, pro tváření obsahuje do 9% Sn, cínový bronz pro odlévání obsahují 10-12% Sn, dobrá pevnost a houževnatost, odolnost proti korozi a výborné třecí vlastnosti. Červený bronz ternární (potrojná) slitina Cu-Sn-Zn, odlitky armatur, součásti čerpadel atd. Hliníkové bronzy, obsah Al do 12%, dobrá žáruvzdornost až 800 a vysoká odolnost proti korozi. Tvrdé slitiny s dobrou odolností proti opotřebení s dobrými kluznými vlastnostmi. Křemíkové bronzy náhrada za drahé cínové bronzy,větší pevnost a širší spektrum teplotní odolnosti. Fosforový bronz, tvrdé pájení, spoj je však křehký. Beryliové bronzy, nejpevnější slitiny na bázi Cu, obsah berylia cca 2%, slitina má po vytvrzení pevnost až 1400MPa a tvrdost 400HV. Olověné bronzy, výborné kluzné vlastnosti (kluzné ložiska). Niklové a manganové bronzy, vhodné jako odporové materiály pro elektrotechniku. 79) Slitiny hliníku základní skupiny - slitiny pro tváření - slitiny pro odlévání

59 Hliník se velmi dobře slévá s četnými kovy a tvoří mnoho významných vlastnostmi se lišících slitin. Základní binární slitiny jsou Al-Cu, Al-Mg, Al-Mn, Al-Si, Al-Zn,. Základní ternární slitiny jsou A-Cu-Mg, Al-Cu-Mg, Al-Cu-Si, Al-Cu-Ni, Al-Cu-Zn, Al-Mg-Si, Al-Mg-Mn, Al-Zn-Mg a další. Slitiny Al-Cu-Mg jsou nejvíce používané materiály s vysokou pevností (duraly) Rm až 350 MPa. Slitiny pro odlévání mají zpravidla větší obsah přísad, jsou méně tvárné a při vyšších teplotách svojí tvárnost ztrácejí. Naproti tomu mají výborné slévárenské vlastnosti (zabíhavost). Tepelné zpracování slitin hliníku - Nejčastější TZ hliníku je rekrystalizační žíhání - Hlavní TZ slitin hliníku je žíhání a vytvrzování - Žíhání na odstranění pnutí u tvarově složitých součástí tvářených za tepla, u odlitků litých zejména do kokil a po svařování C - Žíhání rekrystalizační mezioperace po tváření za studena C - Žíhání stabilizační pro stabilizaci struktury (vlastností i rozměry) C - Žíhání vytvrzených slitin k dosažení odpevnění je-li vytvrzený materiál určen k další operaci tváření C - Vytvrzování rozpouštěcí ohřev s následným ochlazením a vytvořením metastabilního přesyceného tuhého roztoku a jeho následné stárnutí. - Rychlost ochlazování je určena kritickou rychlostí stanovenou z kinetických diagramů rozpadu nerovnovážného tuhého roztoku. Stárnutí je rozpad přesyceného tuhého roztoku (přirozené, umělé). - Vzhledem k velmi úzkému teplotnímu intervalu mezi křivkou rozpustnosti a solidem je třeba teplotu rozpouštěcího žíhání dodržovat s přesností 5 C!! 80) Slitiny titanu - běžné + nízká měrná hmotnost, vysoká měrná pevnost, použití za nízkých teplot - vysoké náklady na výrobu a zpracování, nízký modul pružnosti Používá se především v chemickém, papírenském a textilním průmyslu (je odolný vůči chlóru a jeho sloučeninám.), v lékařství, letectví Titan má dvě alotropické modifikace: 1. Ti α s mřížkou hexagonální, do 882,5 C 2. Ti β s mřížkou prostorově středěnou kubickou, do teploty tání 1668 C Přísadové prvky se v obou modifikacích rozpouštějí úplně nebo částečně a tvoří roztoky alfy nebo beta, které zachovávají mřížku dané modifikace titanu Podle konečné struktury se dělí na: 1. Slitiny α 2. Slitiny pseudo α 3. Slitiny α+β 4. Slitiny pseudo β 5. Slitiny β Slitiny α Obsahují stabilizátor hliník Mají velkou tepelnou stabilitu, dobrou pevnost a odolnost proti křehkému porušení za velmi nízkých teplot Slitiny pseudo α Do základní báze Ti-Al jsou přidány prvky stabilizující a zpevňující fázi β Mají vyšší pevnost a tvárnost Slitiny α+β Nejčastěji používané slitiny Mají lepší tvařitelnost, lepší odolnost proti únavovému namáhání a lze je vytvrdit (mají nižší KI) - Svařitelnost a odolnost vůči creepu je horší - Pro lopatky turbín a kompresorů, součásti leteckých draků, jízdní kola Slitiny β a pseudo β

60 - Vysoká odolnost proti korozi, velmi dobrá tvařitelnost - Vyšší hmotnost, pevnost až 1400 Mpa Žáropevné pseudoslitiny titanu - Základ intermetalické sloučeniny (Ti3Al, TiAl) - Žárupevnost je srovnatelná se slitinami niklu - Nízká tvárnost Materiály a s tvarovou pamětí - Základem je intermetalid TiNi, tvařitelný za studena - Vratná martenzitická přeměna ohřevem TZ žíhání na odstranění pnutí, rekrystalizační, izotermické, stabilizační, vytvrzování 81) Nikl a jeho slitiny Konstrukční slitiny niklu - Ni - Cu monely vysoká odolnost proti korozi, pevnost MPa, používají se pro zařízení chemického, potravinářského a farmaceutického průmyslu, součásti čerpadel a lopatky turbín. - Ni - Be (do 2 %Be) po vytvrzení mají pevnost až 1800 MPa při dobré houževnatosti. Použití do 500 C na pružiny, membrány, trysky - Ni Mn odolávají korozi i za vyšších teplot elektrody zapalovacích svíček. - Ni Mo vhodné pro odlitky, odolává působení kyseliny solné a chloridů. Slitiny niklu se zvláštními fyzikálními vlastnostmi - Termočlánkové, Ni-Cr chromel, teplotní rozsah C. - Odporové, Ni-Cr (20 %) topné odpory do 1150 C. - Magneticky měkké Ni-Fe (22-64 %) permaloy jádra transformátorů měřících zařízení. - Slitiny s malou roztažností invar, elinvar, kovar. Žárovzdorné a žáropevné slitiny niklu - Jsou určeny pro teplotně a napěťově nejvíce namáhané součásti. - Tavení a odlévání vyžaduje vakuovou technologii!! - Žárovzdorné slitiny jsou na bázi Ni-Cr nebo Ni-Cr-Fe. - Nikl s chrómem tvoří soustavu s úplnou rozpustností v tuhém stavu. - Chróm je základním přísadovým prvkem %. - Struktura je tvořena tuhým roztokem s plošně středěnou krychlovou mřížkou, zpevnění je substituční creep!! - Žáropevné slitiny jsou také na bázi Ni-Cr + Al, Ti (tvoří zpevňující fázi) + prvky karbidotvorné - Po rozpouštěcím žíhání následuje rychlé ochlazení (metastabilní tuhý roztok) a stárnutí (precipitace intermetalik) (Ni3Ti, Ni3Al ) - Spodní hranice je 550 C horní pak 950 C. 82) Prášková metalurgie princip výroby a zpracování, příklady použití Podstata práškové metalurgie Prášková metalurgie - technologie, při které jsou zhotovovány polotovary nebo hotové výrobky spojováním kovů nebo kovů s nekovy ve formě prášků působením tlaku a tepla při teplotách nižších než je teplota tavení alespoň jedné ze spojovaných složek. Prášková metalurgie umožňuje vyrábět materiály z práškových směsí kovů navzájem neslévatelných a tak vhodně spojovat vlastnosti jednotlivých složek nepravé slitiny, tzv. pseudoslitiny. Prášková metalurgie se uplatňuje především pro drobné a tvarově i rozměrově přesné součásti se zvláštním požadavkem na užitné vlastnosti (např. otěruvzdornost).

61 Nevýhodami práškové metalurgie jsou: menší hutnost a tím i pevnost a houževnatost vyrobených materiálů vysoké náklady na nástroje. Výroba prášků fyzikálně drcením a mletím, které se užívají zejména u Cu, Fe, Al, Cr, Mn rozprašováním tekutého kovu vzduchem nebo vodou, které se užívá zejména u Pb, Zn, Sn, Al, Fe kondenzací par, která se užívá zejména u Zn, Cd chemicky, založenými na redukci rud, které se užívají zejména u Cu, Ag, Fe, Ni, Co, W, Mo, Ti. Úprava prášků navazuje na jejich výrobu a způsoby úpravy a závisí na dalším zpracování, nejběžnější úpravy jsou: redukce prášků po jejich výrobě rozprašováním vzduchem sušení prášků po jejich výrobě rozprašováním vodou prosévání a třídění prášků podle velikosti částic míchání prášků podle žádaného složení výrobků přidávání dalších složek podle zvláštních požadavků, například přidávání maziva pro zlepšení lisovatelnosti. Technologie zpracování do výrobků Lisování prášků Účelem lisování prášků je dosažení částečně zhutněného základního tvaru budoucího výrobku před jeho spékáním. Způsob lisování, druh lisovacích nástrojů a lisovací tlak závisejí: na spékaném materiálu, rozměrech, tvaru a účelu výrobků. Tlaky se proto pohybují v širokém rozmezí od 200 do 2000 Mpa. Lisovací nástroje mohou pracovat - přímočarým pohybem - lisováním - rotačně - válcováním - vytlačováním kalibrovaným otvorem. Přímočaré lisování může probíhat - z jedné strany - z obou stran - ze všech stran Jednostranné lisování se užívá u výlisků z dobře lisovatelných prášků a u nízkých výlisků, protože u lisovníku je zhutnění největší, ve vzdálenějších místech je zhutnění menší. Oboustranné lisování se užívá u vyšších výlisků. Zhutnění v místech přímého působení lisovníků je větší než zhutnění uprostřed výlisku. Lisování ze všech stran se užívá u tvarově složitějších výlisků. Výlisek se nejdříve předlisuje jednostranně nebo oboustranně do přibližného tvaru. Pak se vloží do válce s kapalinou, nejčastěji olejem, na kterou tlačí píst. Tlak v kapalině působí rovnoměrně ze všech stran výlisku. Tímto postupem je dosahováno nejvyššího zhutnění ve všech směrech. Při válcování prášek ze zásobníku vstupuje mezi válce, které ho stlačují a zhutňují. Výrobkem jsou tyče nebo pásy. Pokud dosažené zhutnění nepostačuje, může být opakováno. Při vytlačování kalibrovaným otvorem jsou vytvářeny polotovary tyčového tvaru. Spékání (slinování) prášků Spékáním se rozumí tepelné působení na polotovar zhotovený předchozím lisováním, obecněji zhutněním.

62 Teplota slinování závisí na druhu spojovaného materiálu a na jeho složení. V případě slinování polotovarů vytvořených z jednoho prášku, tj. prášku vyrobeného z jediného materiálu, se volí teplota slinování ve výši asi 80 % teploty jeho tavení. Ke spojování částic prášku dochází difusí. Ke spojení prachových částic může dojít dvojím způsobem: - teplota slinování je nižší než teplota tavení všech složek směsi a ke spojení dochází difusí. - teplota slinování je vyšší než teplota tavení některé nebo některých složek, přičemž alespoň jedna ze složek zůstává v tuhém stavu. Pak dochází ke spojení tuhých částic jejich smáčením kapalnou fází a následující difusí (podobně jako při pájení). V případě nebezpečí oxidace prášků nebo jejich jiného nežádoucího chemického ovlivnění se slinování provádí v ochranné atmosféře nebo ve vakuu. Konečná úprava slinutých výlisků Slinuté výrobky často ještě nevyhovují na ně kladeným požadavkům, proto se u nich provádí konečná úprava, která závisí: na druhu spékaného materiálu a účelu výrobků. Nejčastějšími konečnými úpravami jsou: - opakované lisování a slinování s cílem zvýšení hutnosti a tím i pevnosti a houževnatosti - kalibrování, což je dolisování za studena pro dosažení přesného tvaru a rozměrů - nauhličení, které se provádí u ocelových výrobků, které mají být za účelem zvýšení tvrdosti kaleny - zaplnění pórů kovem s nižší teplotou tavení, například mědí nebo niklem, za účelem odstranění poréznosti - sycení mazivem u výrobků, které mají mít nízký součinitel tření (samomazná ložiska). - povrchová ochrana proti korozi. Výrobky práškové metalurgie Výrobky zhotovené technologií práškové metalurgie mohou být vytvořeny z různých materiálů a sloužit různým účelům. - Konstrukční (strojní) součásti - Kluzná ložiska - Třecí materiály - Pórovité materiály (kovové filtry) - Žárovzdorné a žáropevné materiály - Elektrotechnické součásti - Nástrojové materiály 83) Polymery charakteristické vlastnosti základních skupin Makromolekulární přírodní nebo syntetické látky bez zřetele na typ polymerace, kterou byly vyrobeny. Většina je vyráběna z ropy nebo zemního plynu. Nejdůležitější polyreakce jsou: - polymerace = slučování molekul monomeru(ů) ve větší celky řetězením bez vzniku vedlejšího produktu vznikne homopolymer nebo kopolymer nazývaná též adiční, - polykondenzace = tvorba makromolekul z monomerů při které dochází k odštěpování nízkomolekulárního produktu (voda, čpavek atd.), - polyadice = vznik polymeru s neuhlíkovým atomem v řetězci, nevznikají vedlejší produkty a reakce se zpravidla zúčastní dvě chemicky odlišné sloučeniny. Základní rozdělení tvoří tři hlavní skupiny 1. Termoplasty jejich základní vlastností je schopnost opakovaně měknout a ochlazením tuhnout v určitém teplotním intervalu. Např. polyetylen (PE), polyvinylchlorid (PVC), Polyacetaly, Polystyrén, Polyakryláty 2. Reaktoplasty (dříve termosety) např. bakelit, epoxidová pryskyřice, Fenoplasty, Animoplasty, Polyesterové pryskyřice. Většinou amorfní, trojrozměrná zesítěná struktura křehké!!! Nemají přechod skelný kaučukovitý stav. Nedají se tavit při

63 ohřevu dochází k rozkladu. Použití dnes hlavně jako součást kompozitních materiálů!!!! 3. Elastomery mění svou strukturu síťování nazývanou vulkanizace. Tento proces probíha za teploty C a za přítomnosti tzv. vulkanizačního činidla. Nejběžnějším vulk. činidlem je síra. Výsledným produktem vulkanizace je pryž jejíž základní vlastností je schopnost velké plastické deformace při zatěžování v tahu. Jsou schopny vysoké elastické deformace při působení nízkých napětí. Mezi kaučuky pro všeobecné použití patří: Polyizopren, polybutadienový kaučuk, Butadien-styrenový kaučuk, Olejivzdorné kaučuky a Tepluvzdorné kaučuky. Každá skupina rozdílná vnitřní stavba, rozdílné vlastnosti. Vnitřní stavba 1. Lineární polymery, dobrá houževnatost v tuhém stavu, dobrá zpracovatelnost v tekutém stavu 2. Rozvětvené polymery, snížená tekutost v roztaveném stavu 3. Zesíťované polymery, z důvodů vnitřní stavby tohoto druhu ztrácejí tyto polymery rozpustnost, tavitelnost, schopnost krystalizace, zhoršení se týká i houževnatosti, avšak zlepší se teplotní odolnost a tvrdost. 84) Polymery teplotní závislost modulu pružnosti I skelná oblast Mat. je křehký!!! II - Přechodová oblasttg teplota skelného přechodu III - Kaučukovitá oblast - schopnost elast. i plast. def. IV oblast viskózního tečení mat. se chová jako kapalina Teplotní závislost modulu pružnosti Termoplasty teplotní závislost modulu pružnosti souvisí s pohyblivostí atomů v rámci makromolekulárního řetězce a také s pohyblivostí řetězců navzájem. Pohyb je usnadněn vyšší teplotou a přítomností van der Waalsových vazeb mezi řetězci Reaktoplasty pohyb atomů i řetězců je jen velice omezený v důsledku prostorového zesítění!!! Obecně je teplotní odolnost horší než u kovů, běžně odolávají plasty teplotám do C, dražší kční plasty do C, speciální plasty do 200 C. U všech plastů platí, že při zvyšování teploty se snižuje modul pružnosti a roste tažnost až do fáze měknutí polymeru. 85) Polymery deformační chování, pevnost a lom Deformace polymerů - termoplasty Ve skelné oblasti pod teplotou skelného přechodu je možná jen elastická deformace a po ní dochází k lomu. V kaučukovité oblasti (nad teplotou skelného přechodu) je možná i plastická deformace) Etapy a) Výchozí stav b) Napřimování řetězců v amorfní části c) Natáčení krystalických částí ve směru půs. napětí

64 d) e) 86) Vzájemný posuv (oddělování) krystalických částí Natahování řetězců v amorfních i krystalických oblastech Kompozity členění Kompozity (neboli kompozitní materiály) tvoří jedna nebo více nespojitých fází, uložených ve fázi spojité. Kompozity se skládají ze dvou částí: 1. Diskontinuální fáze bývá obvykle pevnější než fáze spojitá a označuje se jako výztuž 2. Spojitá fáze (plnivo) se nazývá matrice. Matrice je nositelkou tvaru kompozitu a její funkcí je přenos zatížení do vyztužující fáze. V porovnání s výztuží má obvykle nižší pevnost a vyšší plasticitu. Odděluje jednotlivé částice zpevňující fáze a brání rozvoji křehkého lomu. Materiálem matrice může být kov, polymer nebo keramika keramikafáze. Pro kompozitní materiály je charakteristický tzv. synergismus, což znamená, že vlastnosti kompozitu jsou vyšší, než by odpovídalo pouhému poměrnému sečtení