Strojírenské materiály pro ekonomy

Transkript

1 Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích Strojírenské materiály pro ekonomy Studijní opora pro kombinovanou formu studia Studijního programu Podniková ekonomika doc. Ing. Karel Gryc, Ph.D. Ústav technicko-technologický Environmentální výzkumné pracoviště Autor: doc. Ing. Karel Gryc, Ph.D.

2 Obsah 1 Anotace Příprava na přednášky Úvod do materiálů, základní rozdělení a jejich využití ve strojírenské praxi Hmota, její vnitřní stavba, krystalová stavba kovů, bodové, čárové, plošné a prostorové poruchy krystalové mřížky Základy termodynamiky, kinetiky a difúze kovových soustav Fázové přeměny v kovech. Základní typy binárních systémů. Souvislost binárních diagramů s vlastnostmi slitin Tuhnutí a krystalizace kovů a slitin, segregační jevy. Fázové přeměny v tuhém stavu Metalografie. Světelná mikroskopie, makrostruktura, čistota kovů, velikost zrna Mechanické vlastnosti kovů a jejich slitin: vliv mikrostruktury na mechanické vlastnosti, druhy deformace Zkoušení mechanických vlastností kovů a jejich slitin: zkoušky statické, tvrdosti a rázem v ohybu. Zkoušky pro hodnocení mezních stavů materiálů Slitiny železa - oceli. Jejich charakteristika, vlastnosti a užití Slitiny železa - litiny. Jejich charakteristika, vlastnosti a užití Stručná charakteristika vybraných slitin neželezných kovů a jejich užití, část Stručná charakteristika vybraných slitin neželezných kovů a jejich užití, část Koroze kovů. Typy koroze a důsledky. Aktivní a pasivní protikorozní ochrana kovů 49 3 Příprava na semináře Úvodní informace. Bezpečnostní předpisy, způsoby práce v laboratorních podmínkách. Stručný přehled obsahu cvičení a požadavků pro udělení zápočtů. Zadání semestrální práce Exkurze do materiálových laboratoří a zkušeben průmyslových partnerů VŠTE Základní výpočty v oblasti termodynamiky kovů a slitin... 57

3 3.4 Základní binární rovnovážné diagramy Světelná mikroskopie a optická emisní spektrometrie: příprava na praktická cvičení; práce s normami pro hodnocení jednotlivých druhů kovů a slitin. Příprava vybraných typů protokolů Světelná mikroskopie: praktické cvičení; příprava metalografických vzorků, práce s optickým mikroskopem, hodnocení mikrostruktur na základě pořízených fotografií, tvorba protokolu Optická emisní spektrometrie: praktické cvičení; příprava vzorků, kalibrace, práce s optickým emisním spektrometrem, hodnocení výsledku měření a tvorba protokolů Zkoušky tahem a rázem v ohybu: příprava na praktická cvičení; práce s normami pro hodnocení jednotlivých druhů kovů a slitin. Příprava vybraných typů protokolů Zkouška tahem: praktické cvičení; způsob přípravy vzorků, realizace zkoušek tahem, hodnocení výsledku zkoušky a tvorba protokolů Zkouška rázem v ohybu: praktické cvičení; způsob přípravy vzorků, realizace zkoušek rázem, hodnocení výsledku zkoušky a tvorba protokolů Binární diagramy slitin železa: metastabilní (Fe-Fe3C) a stabilní (Fe-C) Vybrané binární diagramy neželezných kovů (Ni, Ti, Al, Cu, Zn, Mg) Závěrečný test, vyhodnocení semestrální práce, udělení zápočtu... 92

4 1 Anotace Období Název předmětu Vyučovací jazyk Garant předmětu Garanční ústav Katedra Vyučující (přednášející) Vyučující (cvičící) Ukončení předmětu Poznámka k ukončení 2. ročník/ 3. semestr Strojírenské materiály pro ekonomy český doc. Ing. Karel Gryc, Ph.D. Ústav technicko-technologický Environmentální výzkumné pracoviště doc. Ing. Karel Gryc, Ph.D. doc. Ing. Karel Gryc, Ph.D. zkouška Průběžné hodnocení semestrální práce 30 bodů (tj. 30 %) Rozsah 2/2 Počet kreditů 5 Závěrečné hodnocení závěrečný test 70 bodů (tj. 70 %) Student prezenční formy studia je povinen na kontaktní výuce, tj. vše kromě přednášek, splnit povinnou 70% účast. Pokud účast nebude splněná, bude student automaticky klasifikován F. Cíle předmětu Cílem předmětu je seznámit posluchače s podstatou konvenčních i výstupy z učení progresivních kovových materiálů využívaných ve strojírenské praxi. Absolvent je schopen se v základních obrysech orientovat v klíčových kovových materiálech, základech fyzikálně-chemických dějů, krystalické stavbě a poruchách mřížky, metodách analýzy mikroskopických struktur, mechanických zkouškách realizovaných v souladu s příslušnými normami. Absolvent dokáže kriticky hodnotit

5 jednotlivé druhy materiálů, třídit a vyhodnocovat informace obsažené v protokolech z měření základních materiálových vlastností. Absolvent dokáže analyzovat základní druhy binárních rovnovážných diagramů. Absolvent se dokáže v základním rozsahu orientovat v problematice koroze a protikorozní ochrany kovů. Absolvent získá základní znalosti a dovednosti v oblasti kovových materiálů, které mu umožní efektivně řídit produkční procesy v podniku, kde se se v rámci materiálového toku, výrobků nebo zboží tyto stěžejní materiály uplatňují. Výstupy z učení Po úspěšném absolvování předmětu student: 18.1 umí definovat základní rozdělení kovových materiálů a dále charakterizovat jejich strukturní, mechanické a užitné vlastnosti 18.2 umí definovat vnitřní stavbu hmoty, krystalovou stavbu kovů, bodové, čárové, plošné a prostorové poruchy krystalové mřížky 18.3 má základní znalosti v oblasti termodynamiky, kinetiky a difúze kovových soustav 18.4 má základní znalosti z oblasti tuhnutí a krystalizace kovů a slitin, segregačních jevů a fázových přeměn v tuhém stavu 18.5 má základní znalosti z oblasti metalografie a mechanických zkoušek kovů a jejich slitin 18.6 má základní znalosti z oblasti koroze a protikorozní ochrany kovů 18.7 dovede realizovat základní rozbor binárních rovnovážných diagramů slitin železa i neželezných kovů 18.8 dovede aplikovat metalografické metody a mechanické zkoušky kovů v souladu s příslušnými normami 18.9 umí základním způsobem kriticky hodnotit jednotlivé typy kovových materiálů vzhledem k jejich vlastnostem a vhodným aplikacím v technické praxi Osnova předmětu Přednášky 1. Úvod do materiálů, základní rozdělení a jejich využití ve strojírenské praxi. (18.1, 18.9) 2. Hmota, její vnitřní stavba, krystalová stavba kovů, bodové, čárové, plošné a prostorové poruchy krystalové mřížky. (18.2) 3. Základy termodynamiky, kinetiky a difúze kovových soustav. (18.3) 4. Fázové přeměny v kovech. Základní typy binárních systémů. Souvislost binárních diagramů s vlastnostmi slitin. (18.4, 18.7, 18.9) 5. Tuhnutí a krystalizace kovů a slitin, segregační jevy. Fázové přeměny v tuhém stavu. (18.4, 18.9) 6. Metalografie. Světelná mikroskopie, makrostruktura, čistota kovů, velikost zrna. (18.5, 18.8, 18.9)

6 7. Mechanické vlastnosti kovů a jejich slitin: vliv mikrostruktury na mechanické vlastnosti, druhy deformace. (18.5, 18.8, 18.9) 8. Zkoušení mechanických vlastností kovů a jejich slitin: zkoušky statické, tvrdosti a rázem v ohybu. Zkoušky pro hodnocení mezních stavů materiálů. (18.5, 18.8, 18.9) 9. Slitiny železa - oceli. Jejich charakteristika, vlastnosti a užití. (18.7, 18.9) 10. Slitiny železa - litiny. Jejich charakteristika, vlastnosti a užití. (18.7, 18.9) 11. Stručná charakteristika vybraných slitin neželezných kovů a jejich užití, část 1. (18.7, 18.9) 12. Stručná charakteristika vybraných slitin neželezných kovů a jejich užití, část 2. (18.7, 18.9) 13. Koroze kovů. Typy koroze a důsledky. Aktivní a pasivní protikorozní ochrana kovů. (18.6, 18.9) Seminář 1. Úvodní informace. Bezpečnostní předpisy, způsoby práce v laboratorních podmínkách. Stručný přehled obsahu cvičení a požadavků pro udělení zápočtů. Zadání semestrální práce. ( ) 2. Exkurze do materiálových laboratoří a zkušeben průmyslových partnerů VŠTE. (18.5, 18.8) 3. Základní výpočty v oblasti termodynamiky kovů a slitin (18.3). 4. Základní binární rovnovážné diagramy. (18.7) 5. Světelná mikroskopie a optická emisní spektrometrie: příprava na praktická cvičení; práce s normami pro hodnocení jednotlivých druhů kovů a slitin. Příprava vybraných typů protokolů. (18.5, 18.9) 6. Světelná mikroskopie: praktické cvičení; příprava metalografických vzorků, práce s optickým mikroskopem, hodnocení mikrostruktur na základě pořízených fotografií, tvorba protokolu. (18.5, 18.9) 7. Optická emisní spektrometrie: praktické cvičení; příprava vzorků, kalibrace, práce s optickým emisním spektrometrem, hodnocení výsledku měření a tvorba protokolů. (18.5, 18.9) 8. Zkoušky tahem a rázem v ohybu: příprava na praktická cvičení; práce s normami pro hodnocení jednotlivých druhů kovů a slitin. Příprava vybraných typů protokolů. (18.5, 18.9) 9. Zkouška tahem: praktické cvičení; způsob přípravy vzorků, realizace zkoušek tahem, hodnocení výsledku zkoušky a tvorba protokolů. (18.5, 18.9) 10. Zkouška rázem v ohybu: praktické cvičení; způsob přípravy vzorků, realizace zkoušek rázem, hodnocení výsledku zkoušky a tvorba protokolů. (18.5, 18.9) 11. Binární diagramy slitin železa: metastabilní (Fe-Fe3C) a stabilní (Fe-C). (18.4, 18.7, 18.9) 12. Vybrané binární diagramy neželezných kovů (Ni, Ti, Al, Cu, Zn, Mg). (18.4, 18.7, 18.9)

7 13. Závěrečný test, vyhodnocení semestrální práce. ( ) Organizační formy výuky Komplexní výukové metody Studijní zátěž přednáška seminář frontální výuka projektová výuka skupinová výuka kooperace brainstorming kritické myšlení samostatná práce individuální nebo individualizovaná činnost výuka podporovaná multimediálními technologiemi apod. Aktivita Počet hodin za semestr Prezenční forma Kombinovan á forma Příprava na přednášky Příprava na seminář, cvičení, tutoriál Příprava seminární práce Účast na přednáškách Účast na semináři/cvičeních/tutoriálu/exkur zi Příprava na závěrečný test Závěrečný test 4 4 Příprava na prezentaci 0 0 Prezentace 0 0 Celkem: Metody hodnocení jejich poměr a Průběžné hodnocení semestrální práce 30 bodů (tj. 30 %) Závěrečné hodnocení závěrečný test 70 bodů (tj. 70 %)

8 Podmínky pro Pro úspěšné splnění předmětu je nutné v součtu dosáhnout z úspěšné průběžného a závěrečného hodnocení minimálně 70 % za níže absolvování stanovených podmínek. V průběžném hodnocení lze získat 30 bodů předmětu včetně tj. 30 %. V závěrečném hodnocení lze celkem získat 70 bodů tj. 70 %. jejich hodnocení Celková klasifikace předmětu, tj. body za závěrečné hodnocení (70-0) + body z průběžného hodnocení (30-0): A , B 89,99 84, C 83,99 77, D 76,99 73, E 72,99 70, FX 69,99 30, F 29,99 0. Informace učitele Literatura povinná Literatura doporučená Webové stránky Publikační činnost Student prezenční formy studia je povinen na kontaktní výuce, tj. vše kromě přednášek, splnit povinnou 70% účast. Pokud účast nebude splněná, bude student automaticky klasifikován F. Účast na výuce ve všech formách řeší samostatná vnitřní norma VŠTE (Evidence docházky studentů na VŠTE). Pro studenty prezenční formy studia je na seminářích povinná 70% účast. ASKELAND, D., R. FULAY, P. P. WRIGHT a J. WENDELIN, The Science and Engineering of Materials. 6. vyd. Stamford: Cengage Learning. ISBN SILBERNAGEL, A., V. HRUBÝ, M. GREGER a J. NĚMEC Struktura, vlastnosti, zkoušení a použití kovů. Ostrava: Kovosil. ISBN SKÁLOVÁ, J., J. KOUTSKÝ a V. MOTYČKA, Nauka o materiálech. 4. vyd. Plzeň: Západočeská univerzita. ISBN SKÁLOVÁ, J., KOVAŘÍK, R., BENEDIKT, V. Základní zkoušky kovových materiálů. 4. vyd. - dotisk. Plzeň: Západočeská univerzita, s. ISBN MACHEK, V. a J. SODOMKA, [Nauka o materiálu. 3. část], Speciální kovové materiály. Praha: České vysoké učení technické. ISBN ASHBY, M., F. a D. R. H. JONES, Engineering Materials 1, An Introduction to Properties, Applications and Design. 4. vyd. Oxford: Elsevier. ISBN KADLEC, J. a M. POSPÍCHAL, Nauka o materiálu I. Brno: Univerzita obrany. ISBN MACHEK, V. a J. SODOMKA, [Nauka o materiálu]. 2. část, Vlastnosti kovových materiálů. Praha: Nakladatelství ČVUT. ISBN SKRBEK, B., Výběr materiálových norem: pracovní pomůcka. Liberec: Technická univerzita v Liberci. ISBN PILOUS, V., Technologie kovových materiálů. 2. vyd. Plzeň: Západočeská univerzita. ISBN Garant předmětu, přednášející a cvičící (doc. Ing. Karel Gryc, Ph.D.) GRYC, K. et al., Vybrané výsledky a srovnání teplot solidu a likvidu reálných jakostí ocelí určených metodami termické analýzy a výpočty. In: Wybrane zagadnienia technologii produkcji w

9 przedsiębiorstwie. Częstochowa: Harit Krzysztof Bednarek, ISBN MICHALEK, K. et al., Study of tundish Slag Entrainment Using Physical Modelling. Archives of Metallurgy and Materials. 61(1), ISSN GRYC, K. et al., Influence of Direct Thermal Analysis Experimental Conditions on Determination of the High Temperature Phase Transformation Temperatures. Archives of Metallurgy and Materials. 60(4), ISSN GRYC, K. et al., Determination of the Solidus and Liquidus Temperatures of the Real-Steel Grades with Dynamic Thermal- Analysis Methods. MATERIALI IN TEHNOLOGIJE. 47(5), ISSN Témata diplomových prací GRYC, K. et al., Thermal Analysis of High Temperature Phase Transformations of Steel. METALURGIJA. 52(4), ISSN Ekonomicky efektivní vstupní kontrola materiálu pomocí vyváženého mixu materiálových analýz Ekonomicky efektivní výstupní kontrola materiálů pomocí vyváženého mix materiálových analýz Operativní řízení mezioperačních materiálových analýz s ohledem na ekonomické aspekty výrobního procesu

10 2 Příprava na přednášky 2.1 Úvod do materiálů, základní rozdělení a jejich využití ve strojírenské praxi Klíčová slova materiál, kovy, slitiny, nekovy, strojírenská aplikace Cíle kapitoly Základním cílem kapitoly je studenty seznámit s pojmem materiál, základním rozdělením materiálů a jejich využitím ve strojírenství. Výstupy z učení 18.1 umí definovat základní rozdělení kovových materiálů a dále charakterizovat jejich strukturní, mechanické a užitné vlastnosti 18.9 umí základním způsobem kriticky hodnotit jednotlivé typy kovových materiálů vzhledem k jejich vlastnostem a vhodným aplikacím v technické praxi Abstrakt Jednou z hlavních hnacích sil vývoje nových materiálů a technologií jsou požadavky trhu. Nejen průmysl, ale i další odvětví, jako je doprava, medicína nebo sport, vyžadují stále lehčí, tužší, pevnější, houževnatější, odolnější a levnější materiály. Charakteristickým důsledkem vlivu trhuje snaha o další zdokonalování vlastností u řady materiálů. Při neustálém zvyšování požadavků na životnost a provozní spolehlivost strojů a zařízení i při zvyšujících se nárocích na snižování hmotnosti výrobků a efektivnější využívání energií a surovin představuje moderní nauka o materiálech jednu z nejvýznamnějších disciplín strojního inženýra. Projektant, konstruktér, technolog, provozní inženýr nebo pracovník v oblasti výzkumu přichází neustále do styku s technickými materiály. Účelná volba vhodného materiálu souvisí nejen s jeho vlastnostmi, ale také s energetickou náročností výroby a zpracování, dostupností a kvalitou základních surovin i otázkami ekologickými. Z ekonomického hlediska je nezbytné

11 dokonale využívat všech vlastností dostupných materiálů a pečlivě zvažovat použití drahých legovaných slitin. Správná volba materiálu, který má odpovídat požadavkům uživatele, včetně určení postupu jeho výroby a zpracování vyžaduje znalost vlastností materiálu a jeho chování v podmínkách použití. Nauka o materiálech, která zkoumá vztah mezi vnitřní stavbou, strukturou a vlastnostmi, spojuje poznatky řady vědních disciplín, především pak fyziky pevné fáze, chemie, fyzikální chemie a krystalografie. Pokroky v teoretickém poznávání zákonitostí vnitřní stavby materiálu dávají pevný vědecký základ dalšímu vývoji a otevírají nové možnosti aplikace jednotlivých druhů materiálů v nejrůznějších oblastech lidské činnosti. Každou látku je možno charakterizovat určitými vlastnostmi, které mohou být kritériem pro rozdělení materiálů. Základní rozdělení látek na kovy a nekovy neposkytuje dostatečné informace o vlastnostech. Z hlediska fyzikálně-inženýrských aplikací se podle vlastností dělí pevné látky (materiály) na kovy, keramiku, plasty a materiály kompozitní. Základní vlastnosti jsou materiálu dány chemickým složením, s nímž souvisí vnitřní struktura. Z chemického hlediska jsou základem všech materiálů prvky. Samotné prvky mají ovšem jen velmi omezené použití v porovnání se slitinami a sloučeninami, u nichž lze dosáhnout dalším zpracováním podstatně rozmanitějších vlastností. Převážná část prvků v periodické soustavě se zařazuje mezi kovy. Ty jsou některými svými vlastnostmi výrazně odlišné od ostatních materiálů, proto tvoří spolu se slitinami jednu specifickou skupinu technických materiálů. Z hlediska použití je významná skupina prvků se zvláštními elektrickými vlastnostmi, která se označuje jako polovodiče. Odlišnými vlastnostmi se vyznačují sloučeniny prvků, které se dále dělí na sloučeniny organické a anorganické. Z organických sloučenin mají zvláště významné vlastnosti polymery, u anorganických sloučenin je třeba připomenout zejména význam keramiky. Člověk ve svém vývojovém procesu pozoroval a zkoumal ty předměty a jevy, jejichž stránky byly pro něho užitečné a zajímavé. Tyto stránky materiálních objektů se označují jako vlastnosti. Při hodnocení objektů postačovalo zpočátku kvalitativní rozlišení a srovnání. Pozdější snaha o přesnější popis a vymezení vlastností objektů vedla k vytvoření kvantitativních kritérií posuzování jednotlivých veličin. Byly tak definovány fyzikální veličiny jako kritéria jevů a vlastností látek. Číselné hodnoty těchto veličin vyjadřují pak kvantitu dané fyzikální vlastnosti. Technická praxe využívá tohoto fyzikálního aparátu ke kvantifikaci jednotlivých stránek technických vlastností materiálů. Podle užití charakterizuje materiály široká škála vlastností, z nichž se sledují zejména vlastnosti fyzikální (magnetické, transportní, tepelné, radiační, optické, emisní), mechanické (pevnost, pružnost, tvrdost, houževnatost), chemické, fyzikálně-chemické (včetně elektrochemických) a technologické tvařitelnost, svařitelnost, kalitelnost, obrobitelnost, slévatelnost, spékatelnost).

12 Dějiny techniky zaznamenaly výrazný technologický vývoj, jehož výsledkem je modifikace vlastností materiálů. Snaha o neustálé zvyšování užitných vlastností však u každého materiálu dospěje k hraničním hodnotám, které jsou dány fyzikálně - chemickou podstatou struktury. Studijní literatura Povinná literatura [1] SKÁLOVÁ, Jana, KOUTSKÝ, Jaroslav a MOTYČKA, Vladislav. Nauka o materiálech. V Plzni: Západočeská univerzita, s. ISBN: [2] ASKELAND, Donald, R., FULAY, Pradeep, P., WRIGHT a Wendelin, J. The Science and Engineering of Materials. 6. vyd. Stamford, USA: Cengage Learning, 2010, 949 s. ISBN [3] SILBERNAGEL, Arnošt, HRUBÝ, Vojtěch, GREGER, Miroslav a NĚMEC, Jiří. Struktura, vlastnosti, zkoušení a použití kovů. Vyd. 1. Ostrava: Kovosil, s. ISBN [4] MACHEK, Václav a SODOMKA, Jaromír. [Nauka o materiálu. 3. část], Speciální kovové materiály. Vyd. 1. V Praze: České vysoké učení technické, s. ISBN Kontrolní otázky 1. Jaké základní rozdělení materiálů znáte? 2. Jak byste zjednodušeně charakterizovali kovy? 3. Jaké základní rozdělení kovů znáte? 4. Definujte čisté kovy. 5. Definujte slitiny. 6. Které charakteristiky kovů by měly být určující při jejich zvažování pro strojírenské aplikace? 7. Slitiny kterého kovu (prvku) jsou vyráběny v celosvětovém měřítku v největším množství (miliardách tun ročně)? 8. Který kov uvedený v [1] (tab. 3.9, str. 157) je nejpevnější? 9. Který kov uvedený v [1] (tab. 3.9, str. 157) je nejtvrdší? 10. Který kov uvedený v [1] (tab. 3.9, str. 157) má největší tažnost?

13 Zajímavosti z dané problematiky World of Metals and Alloys: London Metal Exchange: Odkaz na praktickou část 3.1 Úvodní informace. Bezpečnostní předpisy, způsoby práce v laboratorních podmínkách. Stručný přehled obsahu cvičení a požadavků pro udělení zápočtů. Zadání semestrální práce 3.2 Exkurze do materiálových laboratoří a zkušeben průmyslových partnerů VŠTE Závěrečný test, vyhodnocení semestrální práce, udělení zápočtu

14 2.2 Hmota, její vnitřní stavba, krystalová stavba kovů, bodové, čárové, plošné a prostorové poruchy krystalové mřížky Klíčová slova hmota, kovy, krystalová mřížka, poruchy mřížky, vakance, dislokace Cíle kapitoly Tato kapitola/přednáška si klade za cíl opět pouze rámcově, seznámit studenty s povahou hmoty, jejími parametry, jako jsou rozměry a charakteristická její stavba, především ve vztahu ke kovovým materiálům. Pozornost bude věnována krystalickým mřížkám, jejich poruchám, které jsou velmi významné ve vztahu k nejen k technologickým, ale především k užitným vlastnostem materiálů, především kovů. Výstupy z učení 18.2 umí definovat vnitřní stavbu hmoty, krystalovou stavbu kovů, bodové, čárové, Abstrakt plošné a prostorové poruchy krystalové mřížky Při studiu vnitřní stavby různých látek se sleduje především uspořádání atomů nebo molekul a působení sil, které se v příslušné stavbě uplatňují. Prvky a jejich sloučeniny se mohou vyskytovat ve třech skupenstvích: pevném, kapalném a plynném. Zatímco u plynných látek je vzdálenost mezi sousedními molekulami cca m, u pevných a kapalných látek je mezi sousedními atomy vzdálenost m. Největší pozornost se věnuje materiálům v tuhém stavu, a to kovům a některým materiálům nekovovým. Pevné látky je možno dělit podle chemického hlediska na organické -makromolekulami látky na bázi uhlíku a anorganické. Pro fyzikální účely se rozlišují látky krystalické a amorfní. Nejtěsnější uspořádání atomů mají krystalické látky, které je možno hodnotit buď podle geometrie, stupně uspořádání nebo druhu částic. Krystalické uspořádání mohou vykazovat jak kovové, tak i nekovové materiály, u nichž jsou vytvořeny podmínky k tomu, aby atomy nebo molekuly mohly zaujímat přesné, periodicky se

15 opakující polohy v krystalových mřížkách. Pokud se stejná orientace mřížky týká celého objemu, označuje se tento útvar jako monokrystal, zatímco polykrystal je složen z menších útvarů s rozdílnou orientací mřížky - ze zrn. Periodičnost mřížky je tedy porušena na hranicích zrna, jehož velikost se může pohybovat od 10-9 m až do makroskopických rozměrů. U řady pevných látek je krystalický stav přirozený, neboť energie uspořádaných atomů je nižší než energie nepravidelných shluků stejného počtu atomů. Krystaly vznikají většinou v procesu tuhnutí kapalných látek při jejich pomalém ochlazování z teploty tavení. Vysoká teplota má přitom za následek vysokou pohyblivost atomů. U polymerů mohou vznikat velmi rozsáhlé a nepravidelné molekuly, krystalické uspořádání se u nich netvoří snadno. Vlastnosti jednotlivých prvků vyplývají ze stavby atomů, které jsou tvořeny kladně nabitým jádrem a elektronovým obalem s opačným nábojem. Velikost průměru atomu s elektronovým obalem odpovídá řádově m, což je o 104 až 105 více než připadá na průměr jádra. Od velikosti atomu je třeba odlišovat velikost iontu, která se udává jako iontový poloměr nebo průměr. Tato velikost se mění s atomovým (protonovým) číslem prvku. Kationty jsou v důsledku ztráty elektronu v porovnání s atomem menší, anionty jsou naopak větší. U makromolekulárních látek jsou důležité i rozměry molekul. Z uspořádání vnitřní stavby atomů vyplývají podmínky pro tvorbu složitějších útvarů, které jsou drženy pohromadě jednak magnetickými silami (fyzikální vazba), jednak elektrostatickými silami mezi elektrony a kladným jádrem (chemická vazba). Krystalová struktura pevných látek byla v předcházejících kapitolách popsána jako pravidelné uspořádání základních stavebních částic v celém sledovaném objemu. Takovou strukturu však mají pouze ideální krystaly, zatím co ve skutečnosti existují ve stavbě mřížky nedokonalosti. Tyto nedokonalosti krystalové mřížky mají pro pevné látky (zejména kovy) velký význam, neboť značně ovlivňují jejich vlastnosti a uplatňují se prakticky při všech dějích, které v těchto látkách probíhají. Krystalová struktura není dokonalá, nejsou-li všechny uzlové body v krystalu obsazeny stejnými atomy. Poruchy je možno rozdělit na poruchy strukturní, chemické a elektrické. Strukturní poruchy představují odchylky od pravidelného geometrického uspořádání částic v uzlových bodech mřížky. Chemické poruchy vznikají porušením periodičnosti krystalové struktury vlastními nebo cizími částicemi v uzlových bodech nebo prostorách mezi nimi. Elektrické poruchy se uplatňují především u iontových krystalů, neboť jsou charakterizovány odchylkami od pravidelného průběhu elektrického potenciálu.

16 U kovů, které mají jako konstrukční materiály největší význam, je třeba sledovat především poruchy strukturní, které se z geometrického hlediska dělí na poruchy bodové, čárové, plošné a prostorové. Každá porucha je spojena s určitým charakteristickým množstvím energie, které odpovídá práci potřebné k porušení pravidelnosti mřížky a vytvoření vady. Reálný krystal má tedy oproti ideálnímu vyšší vnitřní energii. Studijní literatura Povinná literatura [1] SKÁLOVÁ, Jana, KOUTSKÝ, Jaroslav a MOTYČKA, Vladislav. Nauka o materiálech. V Plzni: Západočeská univerzita, s. ISBN: [2] ASKELAND, Donald, R., FULAY, Pradeep, P., WRIGHT a Wendelin, J. The Science and Engineering of Materials. 6. vyd. Stamford, USA: Cengage Learning, 2010, 949 s. ISBN Kontrolní otázky 1. Jaké rozměry má atom? 2. Jaké druhy materiálů byste dokázali definovat? 3. Co je charakteristické pro strukturu kovů? 4. Proč kovy dobře vedou elektrický proud? 5. Jakou část periodické soustavy zabírají kovy, rámcově? 6. Jaké další druhy prvků, kromě kovů, máme v periodické soustavě prvků? 7. Jaké základní druhy krystalických mřížek dokážete vyjmenovat? Dokážete je i schematicky zakreslit? 8. Co jsou to bodové poruchy krystalických mřížek? 9. Jaké plošné poruchy krystalických mřížek znáte? 10. Kromě výše uvedených strukturních poruch, jaké další dva základní druhy poruch rozeznáváme? Odkaz na praktickou část 3.4 Základní binární rovnovážné diagramy

17 2.3 Základy termodynamiky, kinetiky a difúze kovových soustav Klíčová slova termodynamika, kinetika, energie, stavové veličiny, difúze Cíle kapitoly Cílem přednášky/kapitoly je seznámit alespoň rámcově studenty s podstatou problematiky fyzikálně-chemických dějů, které jsou velmi dobře kvantifikovány pomocí zákonitostí a vztahů z oblasti termodynamiky, kinetiky a difúze. Zaměření přednášky bude omezeno pouze na problematiku související s kovy a jejich slitinami. Výstupy z učení 18.3 má základní znalosti v oblasti termodynamiky, kinetiky a difúze kovových soustav Abstrakt Termodynamika, která se zabývá studiem podmínek přeměn jedné formy energie v jinou, pomáhá v obecné podobě při hodnocení fázových přeměn, chemických reakcí i fyzikálních dějů v materiálech. Klasická termodynamika ovšem zkoumá soustavy a jejich vlastnosti jako celek a nepřihlíží k atomové stavbě látek. Nemůže tedy podat žádné informace o atomové struktuře. Jak již bylo uvedeno, používají se jako materiály mnohem častěji slitiny a sloučeniny prvků nežli prvky samotné. Ták např. u kovů nacházejí široké uplatnění nejrůznější slitiny, jejichž vlastnosti lze na rozdíl od čistých kovů mnohem více ovlivňovat. Slitiny vznikají ze dvou nebo více prvků, z nichž alespoň jeden musí mít kovový charakter. Z termodynamického hlediska představuje slitina soustavu, v níž jednotlivé prvky tvořící slitinu jsou složky. Soustavou se tedy nazývá souhrn těles, který je hranicí oddělen od okolí. V termodynamických soustavách musí být možný přechod tepla a musí být možná difúze alespoň jedné z látek. Soustavy mohou být uzavřené (s okolím vyměňují pouze energii, nikoli hmotu) a otevřené (vyměňuje energii i hmotu). Podle chemického složení a fyzikálního stavu se rozlišují soustavy homogenní a heterogenní. Homogenní soustava je tvořena jednou fází (v tuhém, kapalném nebo plynném stavu), heterogenní soustava se skládá nejméně ze dvou homogenních oblastí (fází); mezi nimi existuje fázové rozhraní, na němž se vlastnosti mění skokem.

18 Složka je část soustavy, zahrnující všechny atomy jednoho druhu. Podle počtu prvků, které tvoří slitinu, rozlišujeme tedy slitiny podvojné (binární), potrojné (ternární), případně vícesložkové (polykomponentní nebo komplexní). Složka se zúčastní probíhajících reakcí v soustavě, sama se však při nich nemění (nevzniká ani nezaniká). Složka je tedy definována chemickou podstatou. Tak např. v mosazi (slitina mědi a zinku) je složkou měď nebo zinek. Množství složky v soustavě se udává obvykle hmotnostními nebo atomovými procenty. Chemicky a fyzikálně homogenní část soustavy ohraničená rozhraním, na němž se vlastnosti náhle mění, se nazývá fáze. Ta může být tvořena jednou nebo několika složkami. Tak např. u mosazi určitého složení existuje v závislosti na teplotě několik fází. Nad teplotou tavení tvoří obě složky (měď i zinek) jedinou fázi - taveninu. S klesající teplotou vznikají tuhé fáze s určitým krystalickým uspořádáním, které se může podle složení v závislosti na teplotě dále měnit. Přitom počet složek tvořících tyto fáze je stále stejný - jedná se o binární slitinu prvků Cu azn. Maximální počet fází, které jsou za daných podmínek v rovnováze, je dán zákonem, který formuloval J.W. Gibbs. Udává vztah mezi počtem složek, fází a stupněm volnosti. Stav soustavy je z hlediska struktury slitiny vyjádřen energií všech atomů. Z termodynamického hlediska je energie soustavy dána součtem tepelné, mechanické a chemické energie. V izolované soustavě, která nepřijímá ani nevydává energii do okolí, je energie soustavy konstantní. Jednotlivé druhy energie se však mohou navzájem měnit. Pokud je soustava ve styku s okolím, může se její energie měnit přijetím nebo odevzdáním energie. Vlastnosti soustavy jsou z hlediska energie definovány pomocí tzv. stavových funkcí (tlak, teplota, objem). Pokud není soustava schopna svůj stav samovolně měnit, je ve stavu rovnovážném. Pokud je schopna samovolně přejít do jiného stavu, jedná se o nerovnovážný stav. Řada významných dějů probíhajících v čistých kovech a slitinách je spojena s přenosem částic hmoty, který vyvolává změny v koncentraci. Tento děj se označuje jako difúze. Tak např. při krystalizaci slitin vznikají místa s rozdílnou koncentrací složek. Pokud taková slitina bude držena dostatečně dlouhou dobu při vysoké teplotě, mohou se koncentrační rozdíly prakticky úplně odstranit. Existuje-li tedy např. ve slitině o složkách A a B v jednom místě vyšší koncentrace látky A a v jiném místě soustavy je koncentrace této látky nízká, mohou se atomy látky A v soustavě pohybovat (migrovat). Tento pohyb vede ke snížení koncentračního rozdílu. Atomy jedné látky A) se přitom pohybují v krystalové mřížce jiné látky (B). Zároveň však může docházet k pohybu atomů látky B ve vlastní krystalové mřížce.

19 Studijní literatura Povinná literatura [1] SKÁLOVÁ, Jana, KOUTSKÝ, Jaroslav a MOTYČKA, Vladislav. Nauka o materiálech. V Plzni: Západočeská univerzita, s. ISBN: [2] ASKELAND, Donald, R., FULAY, Pradeep, P., WRIGHT a Wendelin, J. The Science and Engineering of Materials. 6. vyd. Stamford, USA: Cengage Learning, 2010, 949 s. ISBN Kontrolní otázky 1. Vysvětlete pojem termodynamika. 2. Vysvětlete pojem stavová funkce. 3. Dokážete rámcově definovat 1. zákon termodynamiky? 4. Dokážete rámcově definovat 2. zákon termodynamiky? 5. Která stavová veličina je z pohledu termodynamické schůdnosti procesu nejvýznamnější? 6. Co si představujete pod pojmem fáze z pohledu materiálu, příp. kovů? 7. Jak si představujete rovnovážný stav soustavy? 8. Jak podle Vás funguje proces difúze a podle koho jsou pojmenovány zákony vztahující se k difúzi? 9. Jak byste zjednodušeně definovali pojem kinetika z pohledu fyzikálně-chemických dějů? 10. Který článek fyzikálně-chemických dějů je z pohledu jejich rychlosti nejkritičtější? Odkaz na praktickou část 3.3 Základní výpočty v oblasti termodynamiky kovů a slitin

20 2.4 Fázové přeměny v kovech. Základní typy binárních systémů. Souvislost binárních diagramů s vlastnostmi slitin Klíčová slova kovy, slitiny, fázové přeměny, binární systémy, vlastnosti slitin Cíle kapitoly Přednáška/kapitola navazuje na předcházející kapitolu (2.3), kdy od teoretických zákonitostí přechází k praktičtějším důsledkům kvantifikovatelných zákonitostí a znalostí z oblasti fázových přeměn v kovech, které jsou klíčové pro technologické a užitné vlastnosti těchto strojírenských materiálů. Výstupy z učení 18.4 má základní znalosti z oblasti tuhnutí a krystalizace kovů a slitin, segregačních jevů a fázových přeměn v tuhém stavu 18.7 dovede realizovat základní rozbor binárních rovnovážných diagramů slitin železa i neželezných kovů 18.9 umí základním způsobem kriticky hodnotit jednotlivé typy kovových materiálů vzhledem k jejich vlastnostem a vhodným aplikacím v technické praxi Abstrakt Většina kovů je v kapalném stavu dokonale rozpustná, takže vzniká homogenní tavenina. U řady slitin je úplná nebo částečná rozpustnost zachována i v tuhém stavu, čímž vznikají tuhé roztoky. Při tvorbě samotného tuhého roztoku je třeba odlišovat vznikající fáze podle typu krystalové mřížky a dále podle toho, jakým způsobem přijímá mřížka základního kovu cizí atomy. Je-li krystalová mřížka vznikajícího tuhého roztoku totožná s mřížkou jedné ze složek, jedná se o tzv. primární tuhý roztok. Při vzniku tuhého roztoku s mřížkou odlišnou od mřížek jednotlivých složek se jedná o sekundární tuhý roztok. Pokud je průměr atomu přidávaného prvku velmi malý, pak se tyto atomy mohou vtěsnat do volných prostor krystalové mřížky a vytvoří se tak interstetický (mezerový) tuhý roztok.

21 Druhý způsob tvorby tuhého roztoku spočívá v tom, že atomy základního kovu se v mřížce nahrazují atomy přísady, které se velikostí a vlastnostmi podobají atomům základního kovu. Vzniklý tuhý roztok se nazývá substituční. Existenční podmínky jednotlivých popsaných fází jsou přesně vymezeny termodynamickými veličinami. Při různých možnostech vzájemné rozpustnosti složek a vzniku sloučenin (intermediálních fází) je existence každé fáze za konstantního tlaku vymezena koncentračním a teplotním rozmezím. Při změně podmínek (nejčastěji teploty a koncentrace) dochází k přeměně jedné fáze v jinou fázi při fázové přeměně. Tato přeměna je důsledkem snahy soustavy o dosažení stavu s minimální energií. Typickými fázovými přeměnami jsou změny skupenství a řada změn probíhajících v kovech a slitinách v tuhém stavu. U mnoha technicky významných slitin dochází po ukončení krystalizace k dalším fázovým přeměnám, které jsou často rozhodující pro výsledné vlastnosti, neboť při nich dochází ke změně struktury materiálu. Přeměny v tuhém stavu mohou mít různé příčiny. Především jsou to změny rozpustnosti přísadového prvku s teplotou u slitin s částečnou rozpustností složek v tuhém stavu, alotropie složek nebo vznik či rozpad sloučeniny stabilní jen za určitých teplot. Někdy dochází také ke změnám uspořádanosti tuhých roztoku. K popisu fázových přeměn ve slitinách při konstantním tlaku se užívá rovnovážných diagramů. Sledujeme-li soustavu o jedné složce, stačí k popisu jeden údaj, tj. teplota. U dvou složek (soustava binární) jsou nutné údaje dva - teplota a koncentrace. Takové systémy se tedy zobrazují v binárních diagramech o souřadnicích teplota -složení slitiny. Ternární systémy se pak zobrazují v ternárních diagramech. Množství složek ve slitinách se udává v hmotnostních procentech. Někdy je výhodnější počítat s atomovými procenty, neboť tak lze lépe rozeznat stavové změny, spojené se vznikem intermediálních fází. Rovnovážné binární diagramy je možno sestrojit buď na základě experimentálních výsledků, nebo výpočtem termodynamických veličin. Nejčastěji se konstruují diagramy na základě termické analýzy, kterou se pro určitý kov nebo slitinu zjišťují křivky chladnutí, tedy závislost teploty na čase. K tomu je třeba dostatečného počtu slitin s proměnnou koncentrací obou složek slitiny od jedné čisté složky ke druhé. Při ochlazování slitiny má křivka chladnutí obecně exponenciální průběh a začátek a konec fázových přeměn se projeví inflexním bodem nebo prodlevou. Všechny rovnovážné diagramy binárních soustav je možno rozdělit do několika základních typů podle rozpustnosti složek v kapalném a tuhém stavu na diagramy: s úplnou rozpustností složek v kapalném a tuhém stavu

22 s úplnou nerozpustností nebo omezenou rozpustností složek v kapalném stavu s úplnou rozpustností složek v kapalném stavu a nerozpustností v tuhém stavu s úplnou rozpustností složek v kapalném stavu a omezenou rozpustností v tuhém stavu s eutektickou nebo peritektickou reakcí s intermediálními fázemi Studijní literatura Povinná literatura [1] SKÁLOVÁ, Jana, KOUTSKÝ, Jaroslav a MOTYČKA, Vladislav. Nauka o materiálech. V Plzni: Západočeská univerzita, s. ISBN: [2] ASKELAND, Donald, R., FULAY, Pradeep, P., WRIGHT a Wendelin, J. The Science and Engineering of Materials. 6. vyd. Stamford, USA: Cengage Learning, 2010, 949 s. ISBN Kontrolní otázky 1. Jak lze zjednodušeně popsat fázové přeměny v kovech? 2. Jaké typy fázových přeměn v kovech byste mohli uvést? 3. Co jsou to binární systémy, diagramy? 4. Dokážete načrtnout příklad binárního diagramu dvou kovů? 5. Ohledně obsahu prvků/složek v binárních i jiných diagramech, grafech, tabulkách; na co je třeba si dávat pozor? 6. Co je to teplota tání? 7. Co je to teplota likvidu? 8. Co je to teplota solidu? 9. Jaké typy fázových přeměn/transformací u kovových slitin znáte? 10. Dokážete na první pohled na binární diagram poznat, zda je složka B plně rozpustná ve složce A? Odkaz na praktickou část 3.4 Základní binární rovnovážné diagramy 3.11 Binární diagramy slitin železa: metastabilní (Fe-Fe3C) a stabilní (Fe-C) 3.12 Vybrané binární diagramy neželezných kovů (Ni, Ti, Al, Cu, Zn, Mg)

23 2.5 Tuhnutí a krystalizace kovů a slitin, segregační jevy. Fázové přeměny v tuhém stavu Klíčová slova kovy, slitiny, krystalizace, tuhnutí, segregační jevy, fázové přeměny Cíle kapitoly Kapitola se blíže zaměří na problematiku krystalizace a tuhnutí kovů a slitin. Tento proces je z pohledu výroby kovových polotovarů kritický, neboť je nutné řádně připravenou taveninu odlít do předdefinovaného tvaru a zajistit výhodné výchozí vlastnosti utuhlého materiálu. Kromě jiného je třeba minimalizovat negativní vliv či rozsah nerovnoměrného rozložení prvků v polotovaru, ke kterému zde existují přirozené tendence na základě procesu zvaného segregace. Výstupy z učení 18.4 má základní znalosti z oblasti tuhnutí a krystalizace kovů a slitin, segregačních jevů a fázových přeměn v tuhém stavu 18.9 umí základním způsobem kriticky hodnotit jednotlivé typy kovových materiálů vzhledem k jejich vlastnostem a vhodným aplikacím v technické praxi Abstrakt Při krystalizaci čistých kovů vznikají krystaly jednoho druhu. Krystalizuje-li slitina, jejíž složky jsou v tuhém stavu dokonale rozpustné, pak po ztuhnutí bude struktura rovněž tvořena krystaly jednoho druhu - krystaly tuhého roztoku. Tyto krystaly vytvářejí homogenní (stejnorodou) strukturu. Pokud se složky navzájem v tuhém stavu nerozpouštějí nebo se rozpouštějí pouze částečně, existují vedle sebe krystaly různých druhů - struktura je heterogenní. Základním stavem materiálu je stav litý, který charakterizuje odlitky. Struktura odlitků se mění s podmínkami ochlazování, závisí tedy na technologii odlévání. Při velmi pomalém chladnutí je možno dosáhnout rovnovážného stavu nebo se k němu alespoň přiblížit. Takový stav se pak časově nemění ani za zvýšených teplot, pokud v soustavě nedochází k fázovým přeměnám. V provozních podmínkách však většinou dochází k

24 nerovnovážné krystalizaci. V odlitcích přitom vznikají pnutí, která souvisejí též se změnami v rozložení legujících prvků a změnami ve struktuře při zvýšených teplotách. U odlitků se setkáváme s dendritickým odmíšením nebo i obráceným odmíšením, které je způsobeno vytlačením poslední tuhnoucí složky do volných prostor mezi dendrity. Nerovnoměrné rozložení legujících prvků i nerovnoměrné vyloučení některých fází nebo strukturních složek je možno odstranit nebo alespoň zmenšit vhodným tepelným zpracováním, jehož podmínky je nutno určit podle typu slitiny a rovnovážných diagramů. Stav materiálu je výsledkem celé technologie zpracování a je určen strukturou. Vlastnosti stavu vzniklého tvářením za tepla závisí především na technologii tváření (válcování, kování, lisování apod.), na teplotě, velikosti a rychlosti deformace. Stav tvářený za studena je silně nerovnoměrný a je spojen s výraznou změnou struktury a změnami fyzikálních i mechanických vlastností. Při následujícím tepelném zpracování za zvýšených teplot dochází ke změnám ve struktuře, což se projeví změnou vlastností. Přebytečné množství složky B, které nemohlo přejít do tuhého roztoku a, se vylučuje ve formě drobných částic na hranicích zrna tuhého roztoku a. Tyto částice se označují jako segregáty. Jejich vylučování je umožněno difúzí atomů přísadového prvku z vnitřku krystalu základního kovu na hranici zrna. Tento pochod, který se označuje jako segregace, vyžaduje určitý čas a je značně závislý na teplotě. Čím je teplota vyšší, tím snadněji segregace probíhá. Rychlým ochlazením je možno odměšování přísadového prvku úplně nebo částečně potlačit. V tomto případě není ovšem slitina v rovnovážném stavu. Je to však výchozí stav pro tepelné zpracování, označované jako precipitační vytvrzování. Popsaný případ krystalizace je dosti častý, vyskytuje se u soustav Ag-Cu, Al-Si, As-Pb, Au-Bi, Au-Co, Au-Si, Bi-Sn, Cd-Pb, Cd-Sn, Cd-Zn, Pb-Sb, Pb-Sn. U slitin, jejichž složky jsou v tuhém stavu omezeně rozpustné a mají velký rozdíl v teplotách tání (např. Pt-Ag), dochází při krystalizaci k peritektické reakci. Dochází-li v případě omezené rozpustnosti složek v tuhém stavu ke změně rozpustnosti v závislosti na teplotě, pak v tuhém roztoku nastávají další změny při poklesu teploty pod hranici rozpustnosti, jak bylo popsáno v kapitole povinné literatury [1]. V tuhých roztocích mohou při ochlazování probíhat také přeměny, při nichž se za určité teploty uspořádávají atomy do pravidelných útvarů v mřížce, čímž vzniká hyperstruktura (uspořádaný tuhý roztok). Změny uspořádání tuhého roztoku jsou provázeny změnami vlastností slitin. Průběh této přeměny byl popsán v kap povinné literatury [1].

25 Studijní literatura Povinná literatura [1] SKÁLOVÁ, Jana, KOUTSKÝ, Jaroslav a MOTYČKA, Vladislav. Nauka o materiálech. V Plzni: Západočeská univerzita, s. ISBN: [2] ASKELAND, Donald, R., FULAY, Pradeep, P., WRIGHT a Wendelin, J. The Science and Engineering of Materials. 6. vyd. Stamford, USA: Cengage Learning, 2010, 949 s. ISBN [3] SILBERNAGEL, Arnošt, HRUBÝ, Vojtěch, GREGER, Miroslav a NĚMEC, Jiří. Struktura, vlastnosti, zkoušení a použití kovů. Vyd. 1. Ostrava: Kovosil, s. ISBN Kontrolní otázky 1. Vysvětlete zjednodušeně pojem krystalizace. 2. Zjednodušeně definujte pojem tuhnutí. 3. Co je to koncentrace? 4. Při jakých teplotách, rámcově, tuhne ocel nebo litina? 5. Při jakých teplotách, rámcově, tuhnou zinkové, hliníkové a titanové slitiny? 6. Jak byste popsali proces segregace? 7. Jaký vliv má na proces segregace doba odlévání? 8. Co je to přehřátí taveniny? 9. Jaký vliv má vysoká teplota přehřátí taveniny na proces segregace? 10. Co byste dokázali říci k fázovým přeměnám probíhající v tuhém stavu? Odkaz na praktickou část 3.4 Základní binární rovnovážné diagramy 3.11 Binární diagramy slitin železa: metastabilní (Fe-Fe3C) a stabilní (Fe-C) 3.12 Vybrané binární diagramy neželezných kovů (Ni, Ti, Al, Cu, Zn, Mg)

26 2.6 Metalografie. Světelná mikroskopie, makrostruktura, čistota kovů, velikost zrna Klíčová slova metalografie, mikroskopie, mikroskopie, čistota kovů, zrno Cíle kapitoly Kapitola je věnována problematice metalografie, která mi klade za cíl sledovat struktury materiálu, v případě náplně tohoto předmětu, kovů a jejich slitin. Pokročilé metalografické metody pak umožňují identifikovat druhy struktur a kvatifikovat jejich počty v souvislosti s potřebami řízení kvalitativních parametrů materiálů, kontroly kvality v souvislosti s požadavky danými příslušnými normami či precizovanými zákazníky. Výstupy z učení 18.5 má základní znalosti z oblasti metalografie a mechanických zkoušek kovů a jejich slitin 18.8 dovede aplikovat metalografické metody a mechanické zkoušky kovů v souladu s příslušnými normami 18.9 umí základním způsobem kriticky hodnotit jednotlivé typy kovových materiálů vzhledem k jejich vlastnostem a vhodným aplikacím v technické praxi Abstrakt Struktura kovů a slitin je projevem jejich krystalové stavby. Protože jednotlivá zrna jsou většinou dobře patrná pouze pomocí mikroskopu, zahrnuje se tvar a uspořádání zrn pod pojem mikrostruktura. Mikrostruktura se obvykle studuje na řezu vzorkem kovu. Hodnocená plocha se vybrousí a vyleští a pak naleptá vhodným chemickým činidlem, čímž se zviditelní hranice mezi zrny a jednotlivá zrna se tak od sebe odliší. Pomocí mikroskopu se struktura pozoruje, případně fotografuje. Různými technikami studia mikrostuktury se zabývá metalografie. Zkoumání struktury má jak teoretický, tak i praktický význam a je základní disciplínou nauky o kovech. Umožňuje hodnotit proces výroby i zpracování (tváření, tepelné zpracování) a je

27 základem pro posouzení vhodnosti materiálu pro daný účel použití. Má velký význam při hodnocení rozsahu a příčin nejrůznějších vad materiálu, vzniklých při jeho zpracování nebo v provozních podmínkách. Většina vlastností kovových materiálů závisí na struktuře, která je odrazem chemického složení a technologie zpracováni. Metalografické metody představují proto jednu z nejstarších a nejpoužívanějších metod, zaměřených na kontrolu technologických operací a hodnocení jakosti kovových výrobků. Nezastupitelné místo mají též ve výzkumu a vývoji nových materiálů. Jednotlivé metody zkoumání struktury poskytují údaje na makroskopické, mikroskopické nebo submikroskopické úrovni. V poslední době se rozšiřují nové metody, využívající složité přístrojové techniky, které jsou často velmi náročné z hlediska interpretace získávaných údajů. Při volbě vhodné metody pro řešení stanoveného úkolu je proto třeba uvažovat nejen přínos experimentu z hlediska dosažených výsledků, ale i z hlediska ekonomického hodnocení. Následující přehled [1], kap. 11, bude věnován významu makroskopických a mikroskopických metod zkoumání struktury materiálu především klasickými laboratorními metodami (světelná a elektronová mikroskopie). Pro úplnost bude uveden i přehled některých dalších moderních metod, i když mnohé zůstávají s ohledem na přístrojovou a interpretační náročnost omezeny na špičková pracoviště základního výzkumu. Studijní literatura Povinná literatura [1] SKÁLOVÁ, Jana, KOVAŘÍK, Rudolf, BENEDIKT, Vladimír. Základní zkoušky kovových materiálů. 4. vyd. - dotisk. Plzeň: Západočeská univerzita, s. ISBN Kontrolní otázky 1. Vysvětlete pojem metalografie? 2. Co je to mikroskop? 3. Jaký zásadní rozdíl spatřujete v možnostech optického světelného mikroskopu a elektronového mikroskopu? 4. Jaké další přístroje vhodné pro metalografické hodnocení struktur kovů znáte? 5. Co lze sledovat makroskopicky? 6. Co především dokážeme pozorovat pomocí světelného mikroskopu?

28 7. Jaké nástroje lze použít pro hodnocení sledovaného zorného pole? 8. Uveďte příklady norem, které se věnují metalografii a hodnocení vzorků oceli. 9. Uveďte příklady norem, které se věnují metalografii a hodnocení vzorků litin. 10. Uveďte příklady norem, které se věnují metalografii a hodnocení vzorků hliníkových slitin. Odkaz na praktickou část 3.5 Světelná mikroskopie a optická emisní spektrometrie: příprava na praktická cvičení; práce s normami pro hodnocení jednotlivých druhů kovů a slitin. Příprava vybraných typů protokolů 3.6 Světelná mikroskopie: praktické cvičení; příprava metalografických vzorků, práce s optickým mikroskopem, hodnocení mikrostruktur na základě pořízených fotografií, tvorba protokolu 3.7 Optická emisní spektrometrie: praktické cvičení; příprava vzorků, kalibrace, práce s optickým emisním spektrometrem, hodnocení výsledku měření a tvorba protokolů

29 2.7 Mechanické vlastnosti kovů a jejich slitin: vliv mikrostruktury na mechanické vlastnosti, druhy deformace Klíčová slova kovy, slitiny, mechanické vlastnosti, vliv mikrostruktury, deformace Cíle kapitoly Kromě v předcházející přednášce/kapitole (2.6) diskutované metalografie je nutné sledovat a posuzovat mechanické vlastnosti kovů a slitin, které samozřejmě vycházejí z jejich struktury. Kvantifikací těchto vlastností, kde dochází k aplikaci přístrojů deformujících vzorek různými způsoby, lze řídit vývoj nových materiálů nebo jednoznačně identifikovat/kontrolovat výrobcem deklarované vlastnosti. Výstupy z učení 18.5 má základní znalosti z oblasti metalografie a mechanických zkoušek kovů a jejich slitin 18.8 dovede aplikovat metalografické metody a mechanické zkoušky kovů v souladu s příslušnými normami 18.9 umí základním způsobem kriticky hodnotit jednotlivé typy kovových materiálů vzhledem k jejich vlastnostem a vhodným aplikacím v technické praxi Abstrakt Mechanické vlastnosti patří k nejdůležitějším vlastnostem kovových materiálů, neboť jsou rozhodující při dimenzování strojních součástí a konstrukcí a ovlivňují dobu jejich funkce. Mechanické vlastnosti charakterizují chování materiálu při působení vnějších sil. Pro jejich hodnocení byly zavedeny zkoušky, které umožňují stanovit podle způsobu namáhání základní pevnostní hodnoty (mez pevnosti, mez kluzu) a hodnoty charakterizující tvárné vlastnosti materiálu (tažnost, kontrakce). Kromě toho je nutná znalost pochodů probíhajících ve struktuře kovů a slitin v závislosti na časovém průběhu působících sil, teplotě, napjatosti, nehomogenitě apod. Tyto pochody je možno vysvětlovat pohybem a interakcí mřížkových poruch. Velký význam pro výklad chování kovů za působení vnějších sil a pro vysvětlení mechanismu

30 plastické deformace má zejména dislokační teorie. Hustota poruch v krystalové mřížce je velmi důležitou charakteristikou materiálu, na níž závisí např. pevnost. Důsledkem působícího zatížení jsou deformace kovového tělesa a v mezním případě porušení jeho soudržnosti. Při rozboru mechanických vlastností se většinou vychází od meze pevnosti. Pevnost kovů a slitin se významně mění s teplotou. Pro dlouhodobé použití kovových materiálů za vysokých teplot je třeba znát hodnoty tečení. Z hlediska praktického použití kovů v souvislosti s kryogenní technikou se naopak sleduje jejich pevnost za velmi nízkých teplot. S pevností kovových materiálů je spojena tvrdost, jejíž hodnota často postačí k informativnímu posouzení pevnosti nebo jejích změn. Fyzikální vlastnosti souvisejí především se stavbou atomu a jsou proto závislé na postavení prvku v periodické soustavě. Uplatňuje se však nejen struktura atomů, vazba mezi atomy a krystalová stavba, ale i nedokonalosti kovových krystalů. Některé fyzikální vlastnosti závisejí na struktuře jen málo nebo jsou na ní nezávislé, jiné se se změnou struktury mění v širokém intervalu hodnot. Řada vlastností je anizotropních, to znamená, že se jejich velikost mění v různých směrech. Mezi fyzikální vlastnosti se zahrnují takové vlastnosti, které jsou přímým projevem vnitřní stavby materiálu bez působení vnějšího mechanického namáhání. Nejběžnější jsou tzv. transportní vlastnosti, určované orbitaly valenčních elektronů. Jsou to typické projevy kovové vazby. Nejdůležitější z nich je elektrická a tepelná vodivost. Mezi fyzikální vlastnosti se zařazují také vlastnosti pružně, hodnocené při všestranném vnějším namáhání, kdy se těleso deformuje. Prakticky se zjišťují hodnoty modulu pružnosti v tahu a ve smyku. S modulem pružnosti úzce souvisí i šíření zvukových vln v kovech (akustická emise). Nejnižší je rychlost zvuku v kovech s nízkým modulem pružnosti a vysokou měrnou hmotností. Zatěžuje-li se kovové těleso opakovaně proměnnou silou, přemění se část energie vynaložené na deformaci v každém cyklu na energii tepelnou a na zvýšení vnitřní energie. Tento jev se označuje jako vnitřní tlumení. Akustická emise i vnitřní tlumení v materiálu jsou spojeny s vnějším působením sil.

31 Studijní literatura Povinná literatura [1] SKÁLOVÁ, Jana, KOUTSKÝ, Jaroslav a MOTYČKA, Vladislav. Nauka o materiálech. V Plzni: Západočeská univerzita, s. ISBN: [2] SKÁLOVÁ, Jana, KOVAŘÍK, Rudolf, BENEDIKT, Vladimír. Základní zkoušky kovových materiálů. 4. vyd. - dotisk. Plzeň: Západočeská univerzita, s. ISBN Kontrolní otázky 1. Uveďte základní rozdělení vlastností kovů a jejich slitin. 2. Definujte podstatu mechanických vlastností kovů a jejich slitin. 3. Zjednodušeně popište, jakým způsobem souvisí struktura materiálu s jejich mechanickými vlastnostmi? 4. Jaké druhy deformace dokážete vyjmenovat? 5. Proč deformační chování materiálu sledujeme? 6. Jsou mechanické vlastnosti kovů a slitin v čase neměnné? 7. Jaké další vlivy, kromě primární struktury/mikrostruktury je možné pomocí deformačního namáhání materiálů pozorovat? 8. Jsou příměsi v primární matrici nebo na hranicích zrn vždy škodlivé? 9. Uveďte příklady negativního vlivu příměsí na mechanické vlastnosti slitin železa. 10. Uveďte příklady negativního vlivu příměsí na mechanické vlastnosti neželezných slitin. Odkaz na praktickou část 3.8 Zkoušky tahem a rázem v ohybu: příprava na praktická cvičení; práce s normami pro hodnocení jednotlivých druhů kovů a slitin. Příprava vybraných typů protokolů 3.9 Zkouška tahem: praktické cvičení; způsob přípravy vzorků, realizace zkoušek tahem, hodnocení výsledku zkoušky a tvorba protokolů 3.10 Zkouška rázem v ohybu: praktické cvičení; způsob přípravy vzorků, realizace zkoušek rázem, hodnocení výsledku zkoušky a tvorba protokolů

32 2.8 Zkoušení mechanických vlastností kovů a jejich slitin: zkoušky statické, tvrdosti a rázem v ohybu. Zkoušky pro hodnocení mezních stavů materiálů Klíčová slova mechanické zkoušky, statické zkoušky, zkoušky tvrdosti, dynamické zkoušky, mezní stavy Cíle kapitoly Kapitola rozšiřuje téma možnosti studia mechanických vlastností materiálů (kovů a slitin) tím, že se zaměřuje na jednotlivé druhy v technické praxi využívaných zkoušek z oblasti statického a dynamického namáhání a to jak ve standardním, tak mezních stavech materiálů. Výstupy z učení 18.5 má základní znalosti z oblasti metalografie a mechanických zkoušek kovů a jejich slitin 18.8 dovede aplikovat metalografické metody a mechanické zkoušky kovů v souladu s příslušnými normami 18.9 umí základním způsobem kriticky hodnotit jednotlivé typy kovových materiálů vzhledem k jejich vlastnostem a vhodným aplikacím v technické praxi Abstrakt Před rozborem jednotlivých mechanických zkoušek je třeba definovat základní pojmy, které vyjadřují mechanické vlastnosti. Jsou to pružnost, pevnost, tvrdost, tvárnost a houževnatost. Pružnost vykazuje hmota, která se působením napětí deformuje a po odstranění tohoto napětí se vrátí do původního stavu. Pevnost je definována jako vnější napětí, kterého je třeba k rozdělení materiálu na dvě části. Podle způsobu namáhání, které vede k porušení, rozlišujeme pevnost v tahu, tlaku, ohybu, krůtu a střihu. Tvrdostí rozumíme odolnost povrchových částí hmoty proti místnímu porušení vnikáním cizího tělesa. Tvrdost však není fyzikálně definovatelnou vlastností, neboť je výslednicí vlastností

33 hmoty, zejména elasticity, křehkosti a plasticity, fyzikálně chemických vlastností povrchu i vlastností chemických. Tvárnost je schopnost hmoty měnit v tuhém stavu bez porušeni soudržnosti vzájemnou polohu částic působením vnějších sil. Je typickou vlastností většiny kovů. Houževnatost je vyjádřením velikosti práce, potřebné k rozdělení hmoty na dvě části. Křehké látky vyžadují nepatrnou práci; houževnatost je protikladem křehkosti. U kovů, které jsou většinou houževnaté, je práce potřebná k rozdělení, prací přetvářnou, neboť rozdělení musí předcházet určité plastické přetvoření. Mechanickými zkouškami získáváme údaje, které jsou pod-kladem pro pevnostní výpočty strojních součástí. Ke zkouškám se používá zvláštních zkušebních strojů a zařízení- Pro zajištění reprodukovatelnosti výsledků je nutno provádět zkoušky jednotným způsobem, předepsaným normou. Mechanické zkoušky se rozdělují podle různých hledisek. Nejčastěji se dělí podle - způsobu zatěžování - fyzikálních podmínek zkoušky - stavu napjatosti Podle způsobu zatěžování rozlišujeme zkoušky statické a dynamické. Zvláštní skupinu tvoři zkoušky tvrdosti, které se nejčastěji provádějí jako zkoušky statické. Mezi fyzikálními podmínkami zkoušek má rozhodující význam teplota. Zkouší se nejen za normálních teplot, ale i za zvýšených teplot, kdy se sleduje jednak vliv teploty na mechanické vlastnosti zjišťované i při normálních teplotách, jednak chování materiálu při dlouhodobém zatěžování (tzv. tečení). Podle použití materiálu v provozních podmínkách se provádějí zkoušky i za nízkých teplot pod 0 C K fyzikálním podmínkám zkoušky patří také povaha prostředí, ve kterém zkouška probíhá. Jako příklad je možno uvést vliv korozního prostředí při statickém zatěžování nebo při zkouškách na únavu. Značný význam při zkoušení materiálu má časový faktor. Podle doby působení zátěžné síly se zkoušky dělí na krátkodobé, kdy doba působení činí řádově minuty, příp. hodiny, a zkoušky dlouhodobé, kdy zátěžné síly působí na zkoušený materiál stovky hodin i více. Podle druhu napjatosti dělíme mechanické zkoušky na tahové, tlakové, ohybové, krutové a střihové. Tyto způsoby zatěžováni se vyznačují různým poměrem mezi napětím normálovým a smykovým. Chování kovu při zatěžování závisí nejen na jeho odporu proti plastické deformaci a proti křehkému lomu, ale i na stavu napjatosti, tj. ne poměru mezi maximálním smykovým a normálovým napětím.

34 Studijní literatura Povinná literatura [1] SKÁLOVÁ, Jana, KOVAŘÍK, Rudolf, BENEDIKT, Vladimír. Základní zkoušky kovových materiálů. 4. vyd. - dotisk. Plzeň: Západočeská univerzita, s. ISBN [2] ASKELAND, Donald, R., FULAY, Pradeep, P., WRIGHT a Wendelin, J. The Science Kontrolní otázky 1. Vyjmenujte druhy mechanických zkoušek, které znáte? 2. V čem spočívá podstata statických mechanických zkoušek? 3. Uveďte příklad přípravy zkušebních těles pro vybraný typ statické mechanické zkoušky. 4. Uveďte, které fyzikální veličiny se ve vybraných typech statických mechanických zkoušek sledují? 5. V čem spočívá podstata dynamických mechanických zkoušek? 6. Uveďte příklad přípravy zkušebních těles pro vybraný typ statické mechanické zkoušky? 7. Uveďte, které fyzikální veličiny se ve vybraných typech dynamických mechanických zkoušek sledují? 8. Co je to krček z pohledu statických mechanických zkoušek? 9. Co je to vrubová houževnatost? 10. Jaké mezní stavy lze pomocí mechanických zkoušek sledovat? Odkaz na praktickou část 3.2 Exkurze do materiálových laboratoří a zkušeben průmyslových partnerů VŠTE 3.8 Zkoušky tahem a rázem v ohybu: příprava na praktická cvičení; práce s normami pro hodnocení jednotlivých druhů kovů a slitin. Příprava vybraných typů protokolů 3.9 Zkouška tahem: praktické cvičení; způsob přípravy vzorků, realizace zkoušek tahem, hodnocení výsledku zkoušky a tvorba protokolů 3.10 Zkouška rázem v ohybu: praktické cvičení; způsob přípravy vzorků, realizace zkoušek rázem, hodnocení výsledku zkoušky a tvorba protokolů

35 2.9 Slitiny železa - oceli. Jejich charakteristika, vlastnosti a užití Klíčová slova oceli, druhy ocelí, vlastnosti ocelí, strojírenské aplikace, normy Cíle kapitoly Kapitola se blíže věnuje základnímu seznámení se se základním technickým kovem, železem, a jeho slitinám, jmenovitě ocelím. Stručně je charakterizován význam, způsob výroby, vlastnosti a možné technické aplikace těchto materiálů. Ve výkladu jsou opět využívány poznatky osvojené při studiu předcházejících kapitol. Výstupy z učení 18.7 dovede realizovat základní rozbor binárních rovnovážných diagramů slitin železa i neželezných kovů 18.9 umí základním způsobem kriticky hodnotit jednotlivé typy kovových materiálů vzhledem k jejich vlastnostem a vhodným aplikacím v technické praxi Abstrakt Slitiny železa představují nejvýznamnější skupinu kovových materiálů, které nacházejí široké uplatnění v nejrůznějších oborech lidské činnosti. Jednotlivé druhy těchto slitin od surového vysokopecního železa a litin přes uhlíkové oceli, až ke speciálním vysokolegovaným materiálům jsou produktem mnohaletých zkušeností, vycházejících z výsledků výzkumu a ověřovaných v provozních podmínkách. Veliká rozmanitost užitných vlastností těchto materiálů vychází z jejich chemického složení a výrobní technologie. Kombinací legujících prvků a vhodným tepelným zpracováním lze získat oceli s vysokými pevnostními hodnotami i dostatečnou houževnatostí pro práci za extrémních podmínek. Široký sortiment ocelí se přitom neustále mění, a to nejenom vznikem inovovaných značek s vyššími parametry, ale také nových skupin ocelí, které jsou schopny nahradit slitiny jiných kovů. Přesto, že se ocelí jako technických materiálů užívá již po tisíciletí, teprve druhá polovina minulého století znamená začátek jejich výraznějšího rozvoje. Do té doby se rozlišovaly prakticky pouze dva základní typy ocelí, a to uhlíková ocel s nízkým obsahem uhlíku (tzv. měkké železo") a tvrdší kalitelná ocel s vyšším obsahem uhlíku, pro niž bylo vyhrazeno

36 označení ocel". Teprve po roce 1880 se začala rozšiřovat výroba prvních legovaných ocelí (niklové oceli pro výrobu pancéřových desek). Rozvoj hromadné výroby oceli podnítil zájem o strukturu a vlastnosti slitin železa. Pokroky experimentální fyziky umožnily získat hodnoty fyzikálních vlastností slitin železa, základní teoretickou disciplínou při konstrukci rovnovážných diagramů se stala termodynamika. Teprve v roce 1929 byl přijat spolkem německých hutníků diagram železo - uhlík, který byl dále upřesňován. Technické slitiny železa zaujímají v celkové světové výrobě kovů nejvýznamnější postavení. Uplatnění těchto slitin téměř ve všech průmyslových odvětvích souvisí s mnohostranností fyzikálních i mechanických vlastností železa a jeho schopností tvořit s četnými kovy i nekovy slitiny nejrůznějších vlastností. Při zpracování základních surovin v železárnách není snahou vyrobit železo ve formě čistého kovu, ale vyrábí se technické železo, resp. slitiny železa, které obsahují vedle uhlíku ještě další příměsi (mangan, křemík fosfor, síru aj.). Další prvky se přidávají úmyslně jako legury k úpravě konečných vlastností slitiny. Hlavní příměsí technického železa je uhlík, který nejvíce ovlivňuje jeho mechanické vlastnosti, možnost tepelného zpracování, obrobitelnost apod. Podle obsahu uhlíku lze rozdělit technické slitiny železa na oceli s obsahem uhlíku pod 2 % a surová železa a litiny, v nichž je obsah uhlíku obvykle vyšší než 2%. Slitiny s velmi nízkým obsahem uhlíku bývají považovány za technicky čisté železo. Surová železa a litiny se od sebe liší výrobou a použitím. Surové železo jako produkt vysokopecní výroby obsahuje kromě 3-4 % uhlíku ještě 0,5-2 % křemíku, kolem 1 % manganu, až 0,1 % fosforu a asi 0,05 % síry. Používá se převážně pro výrobu oceli (surové železo ocelářské) nebo litiny (surové železo slévárenské), jen výjimečně se odlévají tvarové odlitky přímo ze surového železa. Úkolem ocelářského pochodu, při němž probíhají zkujňovací a rafinační procesy, je snížení obsahu uhlíku a dalších prvků tak, aby ocel měla požadované mechanické a technologické vlastnosti. Kromě uhlíku obsahují technické slitiny železa ještě další kovové i nekovové prvky, z nichž některé se přidávají úmyslně pro dosažení určitých požadovaných vlastností (prvky přísadové - legující), některé souvisejí s výrobním procesem {prvky doprovodné). Podle vlivu na vlastnosti slitin železa se doprovodné prvky rozdělují na prvky škodlivé (nečistoty), které vlastnosti ovlivňují negativně a prvky prospěšné, jichž se využívá při výrobě ocelí zejména k odstranění nečistot.

37 Úmyslně přidávané legující prvky svým vlivem překrývají působení přítomného uhlíku a ovlivňují vlastnosti slitin v požadovaném směru. Nejčastěji se vyskytující prvky v ocelích a litinách je tedy možno na základě uvedených skutečností rozdělit takto: Prvky doprovodné: o škodlivé: fosfor, síra, kyslík, vodík, dusík o prospěšné: mangan, křemík, hliník, někdy též měď, síra, fosfor Prvky legující: chrom, nikl, mangan, molybden, wolfram, vanad, titan, niob, hliník, kobalt, měď. Z uvedeného přehledu je zřejmé, že některé doprovodné prvky jsou zároveň uvažovány jako legury. Kritériem pro posouzení jejich vlivu je koncentrace, stanovená normou. Tak např. mangan je považován za leguru při obsahu vyšším než 0,9%, křemík nad 0,5%, chrom nad 0,3%, nikl nad 0,2% atd. Studijní literatura Povinná literatura [1] SKÁLOVÁ, Jana, KOUTSKÝ, Jaroslav a MOTYČKA, Vladislav. Nauka o materiálech. V Plzni: Západočeská univerzita, s. ISBN: [2] SILBERNAGEL, Arnošt, HRUBÝ, Vojtěch, GREGER, Miroslav a NĚMEC, Jiří. Struktura, vlastnosti, zkoušení a použití kovů. Vyd. 1. Ostrava: Kovosil, s. ISBN [3] ASKELAND, Donald, R., FULAY, Pradeep, P., WRIGHT a Wendelin, J. The Science and Engineering of Materials. 6. vyd. Stamford, USA: Cengage Learning, 2010, 949 s. ISBN Kontrolní otázky (10 otázek ověřujících výstupy z učení. Po jejich správném zodpovězení musí být zřejmé, že student rozumí probrané látce a zároveň nabyl příslušné výstupy z učení.) 1. Jaký je rozdíl mezi železem jako prvkem a technickým železem? 2. Jaký je rozdíl mezi technickým železem a ocelí? 3. Stručně popište způsob výroby oceli a jejich litých polotovarů. 4. Který prvek, kromě Fe, je z pohledu klasifikace ocelí nejvýznamnější?

38 5. Jaké druhy ocelí znáte? 6. Které prvky v oceli lze obecně považovat za škodlivé? 7. Které prvky v oceli lze obecně považovat za prospěšné? 8. Jaký je rozdíl mezi ocelí a litinou? 9. Jaké základní druhy litin znáte? 10. Jakým způsobem se nejčastěji litiny odlévají? Odkaz na praktickou část 3.2 Exkurze do materiálových laboratoří a zkušeben průmyslových partnerů VŠTE 3.4 Základní binární rovnovážné diagramy 3.8 Zkoušky tahem a rázem v ohybu: příprava na praktická cvičení; práce s normami pro hodnocení jednotlivých druhů kovů a slitin. Příprava vybraných typů protokolů 3.9 Zkouška tahem: praktické cvičení; způsob přípravy vzorků, realizace zkoušek tahem, hodnocení výsledku zkoušky a tvorba protokolů 3.10 Zkouška rázem v ohybu: praktické cvičení; způsob přípravy vzorků, realizace zkoušek rázem, hodnocení výsledku zkoušky a tvorba protokolů 3.11 Binární diagramy slitin železa: metastabilní (Fe-Fe3C) a stabilní (Fe-C)

39 2.10 Slitiny železa - litiny. Jejich charakteristika, vlastnosti a užití Klíčová slova litina, bílá litina, šedá litina, grafit, legované litiny, tepelné zpracování litin, strojírenské aplikace Cíle kapitoly Kapitola se blíže věnuje základnímu seznámení se se základním technickým kovem, železem, a jeho slitinám, tentokrát litinám. Stručně je charakterizován význam, způsob výroby, vlastnosti a možné technické aplikace těchto materiálů. Ve výkladu jsou opět využívány poznatky osvojené při studiu předcházejících kapitol. Výstupy z učení 18.7 dovede realizovat základní rozbor binárních rovnovážných diagramů slitin železa i neželezných kovů 18.9 umí základním způsobem kriticky hodnotit jednotlivé typy kovových materiálů vzhledem k jejich vlastnostem a vhodným aplikacím v technické praxi Abstrakt Základní rozdíl mezi ocelí a litinou spočívá v jejich obsahu uhlíku. V litinách obvykle přesahuje obsah uhlíku mezní rozpustnost v austenitu za eutektické teploty. Kromě vyššího obsahu uhlíku mívají litiny většinou více příměsí (Mn, Si, P, S). Litiny se získávají převážně přetavováním surových želez a kovového odpadu ve slévárenských pecích. Jsou poměrně levným materiálem, používaným většinou pro konstrukční účely. Jejich přednosti spočívají více v příznivých vlastnostech technologických (zejména dobrá slévatelnost) než v mechanických. Odlévají se z nich tvarové odlitky, používané jako součásti strojů a zařízení. Fázové přeměny ve slitinách železa s vyšším obsahem uhlíku mohou probíhat podle diagramu stabilní nebo metastabilní soustavy. Podle chemického složení taveniny a podmínek tuhnutí se tak může ve struktuře litin vyskytovat uhlík buď vázaný v cementitu nebo volný jako grafit. Přítomností grafitu se zbarvuje lomová plocha do Šeda. Základní rozdělení litin na šedé SL bílé vychází tedy z barvy lomu a odpovídá existenci stabilní nebo metastabilní rovnováhy.

40 Litina je křehká, nelze ji tvářet za tepla ani za studena. Čím obsahuje více karbidu, tím je tvrdší a křehčí, čím více feritu, tím je měkčí. Litina má dobrou pevnost v tlaku, menší pevnost v tahu a nízký modul pružnosti. Vlastnosti litin jsou značně ovlivněny tvarem a tlouštkou stěny odlitku. K nejstarším konstrukčním materiálům patří šedá litina. V ní je uhlík přítomen většinou ve tvaru lupínkového grafitu. Podle způsobu výroby je možno rozdělit šedou litinu s lupínkovým grafitem na obyčejnou a očkovanou. U očkované litiny se přísadou ferosilicia do taveniny ovlivní krystalizace grafitu, čímž se vytvoří pravidelné a jemné lístky grafitu. Taková litina má zvýšenou pevnost. Zvláštní skupinu litin tvoří litiny tvárné, v nichž je grafit vyloučen ve tvaru kulových zrn. V bílých litinách je uhlík přítomen ve vázané formě jako cementit. Tyto litiny mají nižší obsah křemíku, takže tuhnou podle metastabilního diagramu Fe- Fe3C. Jsou tvrdé a křehké. Žíháním bílé litiny se získává litina temperovaná, která má nižší tvrdost, dobrou pevnost v tahu a houževnatost. Kombinaci struktury litiny šedé a bílé vykazuje litina tvrzená, která při vhodném chemickém složení a určité ochlazovací rychlosti tuhne v jádře průřezu podle stabilního rovnovážného diagramu, zatímco povrch ztuhne do určité hloubky jako litina bílá. Zvláštní skupinu tvoří litiny legované, které mohou být na lomu šedé nebo bílé podle druhu a obsahu přísad a jejich vlivu na stabilitu cementitu. Podle vlastností se užívají jako materiály korozivzdorné, žáruvzdorné, se zvláštními fyzikálními vlastnostmi atd. Studijní literatura Povinná literatura [1] SKÁLOVÁ, Jana, KOUTSKÝ, Jaroslav a MOTYČKA, Vladislav. Nauka o materiálech. V Plzni: Západočeská univerzita, s. ISBN: [2] SILBERNAGEL, Arnošt, HRUBÝ, Vojtěch, GREGER, Miroslav a NĚMEC, Jiří. Struktura, vlastnosti, zkoušení a použití kovů. Vyd. 1. Ostrava: Kovosil, s. ISBN [3] ASKELAND, Donald, R., FULAY, Pradeep, P., WRIGHT a Wendelin, J. The Science and Engineering of Materials. 6. vyd. Stamford, USA: Cengage Learning, 2010, 949 s. ISBN

41 Kontrolní otázky 1. Jaký je rozdíl mezi ocelí a litinou? 2. Jaké základní druhy litin znáte? 3. V čem spočívá klíčový význam grafitu a jeho přítomnosti v litinách? 4. Alespoň rámcově vysvětlete možnosti způsobů výroby litin? 5. Jaká je orientační teplota lití litin? 6. Jaké základní vlastnosti litin se sledují? 7. Jakým způsobem se nejčastěji litiny odlévají? 8. Jaké jsou nejčastější technické aplikace litin podle jejich druhů? 9. V čem je významný proces tepelného zpracování litin? 10. Válcují se litiny, pokud ano, jak? Odkaz na praktickou část 3.2 Exkurze do materiálových laboratoří a zkušeben průmyslových partnerů VŠTE 3.4 Základní binární rovnovážné diagramy 3.8 Zkoušky tahem a rázem v ohybu: příprava na praktická cvičení; práce s normami pro hodnocení jednotlivých druhů kovů a slitin. Příprava vybraných typů protokolů 3.9 Zkouška tahem: praktické cvičení; způsob přípravy vzorků, realizace zkoušek tahem, hodnocení výsledku zkoušky a tvorba protokolů 3.10 Zkouška rázem v ohybu: praktické cvičení; způsob přípravy vzorků, realizace zkoušek rázem, hodnocení výsledku zkoušky a tvorba protokolů 3.11 Binární diagramy slitin železa: metastabilní (Fe-Fe3C) a stabilní (Fe-C)

42 2.11 Stručná charakteristika vybraných slitin neželezných kovů a jejich užití, část 1 Klíčová slova neželezné kovy, feroslitiny, nízkotavitelné neželezné kovy, technologické vlastnosti, zinek, olovo Cíle kapitoly Neželezné kovy a jejich slitiny tvoří vzhledem k množství kovů zastoupených v periodické soustavě prvků rozsáhlou a pestrou skupinu technicky využívaných materiálů s rozličnými vlastnostmi. Tato kapitola je věnována základnímu seznámení se s těmito materiály a blíže se poté zaměřuje pouze na slitiny tzv. nízkotavitelných kovů, tj. kovů s nízkou teplotou tání. Výstupy z učení 18.7 dovede realizovat základní rozbor binárních rovnovážných diagramů slitin železa i neželezných kovů 18.9 umí základním způsobem kriticky hodnotit jednotlivé typy kovových materiálů vzhledem k jejich vlastnostem a vhodným aplikacím v technické praxi Abstrakt Mezi neželezné kovy patří celá řada prvků, které mají technický význam buď jako čisté kovy, nebo jsou složkami různých jednoduchých i složitějších slitin, lišících se od sebe nejen chemickým složením, ale i možnostmi tepelného zpracování, strukturou a vlastnostmi. I když je ve srovnání se slitinami železa produkce a spotřeba neželezných kovů podstatně menší, jsou neželezné kovy pro svoje specifické vlastnosti v mnoha případech nenahraditelné. Vedle kovů, které se uplatňují zejména při výrobě ocelí jako legury a vyrábějí se ve formě feroslitin (feromangan, ferochrom, feromolybden, ferovanad aj.), nacházejí slitiny neželezných kovů uplatnění zejména pro svoje vlastnosti fyzikální (elektrická a tepelná vodivost, magnetické vlastnosti, tepelná roztažnost, měrná hmotnost) a technologické (tvárnost, slévatelnost). Často se využívá výborné tepelné odolnosti. Mechanické vlastnosti slitin neželezných kovů nedosahují za normální teploty většinou vlastností ocelí.

43 Řada průmyslových odvětví se bez neželezných kovů a jejich slitin neobejde (energetika, elektronika, radiotechnika, doprava, chemie aj.). Výskyt neželezných kovů u nás však zdaleka nestačí krýt výrobu a spotřebu, takže je třeba, aby bylo zajištěno maximální využití jejich vlastností. Z velkého množství neželezných kovů a jejich různých slitin bude dále věnována pozornost pouze těm, které jsou nejznámější a v praxi nejběžnější. Množství neželezných kovů a slitin používaných v technické praxi je nutno účelně třídit. Ke třídění se používá různých hledisek; jako nejvhodnější se jeví třídění podle teploty tání a podle vlastností (měrná hmotnost, chemická stálost, tvorba slitin apod.). Takové třídění je účelné především z hlediska výroby a užití. Podle těchto zásad je možno neželezné kovy rozdělit do následujících skupin: 1. Kovy s nízkou teplotou tání : Zn, Cd, Hg, Ga, In, TI, Sn, Pb, Sb, B a kovy alkalické: Li, Na, K, Rb, Cs 2. Lehké kovy: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, AI 3. Kovy se střední teplotou tání: Mn, Co, Ni, Cu 4. Kovy s vysokou teplotou tání: Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Tc, Re 5. Ušlechtilé kovy: Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Ag, Au 6. Radioaktivní kovy: Ra, Ac, 77z, Po, U Slitiny se obvykle zařazují podle prvku, který ve slitině převládá (Ms 70 AI - slitina se 70% Cu). Někdy však nelze uvedené třídění uplatňovat důsledně. Je to zejména v těch případech, kdy se vyrábějí slitiny podobných fyzikálních vlastností s odstupňovaným množstvím prvků. Tak např. slitina PY 36 s 36% Ni se zařazuje do slitin niklu mezi magnetické materiály (PY 42, PY 76, PY 78) přesto, že ve složení převládá železo. V ČR se označují neželezné kovy a jejich slitiny šestimístnou značkou podle ČSN. Podle této značky je možno určit typ slitiny, skupinu legujících prvků a pořadové číslo slitiny. Kovy a slitiny s nízkou teplotou tání - Z řady kovů, které byly zahrnuty do této skupiny, mají největší technický význam olovo, cín, antimon a zinek. Studijní literatura Povinná literatura [1] SKÁLOVÁ, Jana, KOUTSKÝ, Jaroslav a MOTYČKA, Vladislav. Nauka o materiálech. V Plzni: Západočeská univerzita, s. ISBN:

44 [2] SILBERNAGEL, Arnošt, HRUBÝ, Vojtěch, GREGER, Miroslav a NĚMEC, Jiří. Struktura, vlastnosti, zkoušení a použití kovů. Vyd. 1. Ostrava: Kovosil, s. ISBN [3] ASKELAND, Donald, R., FULAY, Pradeep, P., WRIGHT a Wendelin, J. The Science and Engineering of Materials. 6. vyd. Stamford, USA: Cengage Learning, 2010, 949 s. ISBN Kontrolní otázky 1. Jaký je základní rozdíl mezi slitinami železa a neželezných kovů? 2. Jaké je základní rozdělení neželezných kovů? 3. Jaká je teplota tání olova? 4. Charakterizujte slitiny olova a jejich využití? 5. Jaká je teplota tání cínu? 6. Charakterizujte slitiny cínu a jejich využití? 7. Jaká je teplota tání zinku? 8. Charakterizujte slitiny zinku a jejich využití? 9. Jaká je teplota tání antimonu? 10. Charakterizujte slitiny antimonu a jejich využití? Odkaz na praktickou část 3.2 Exkurze do materiálových laboratoří a zkušeben průmyslových partnerů VŠTE 3.4 Základní binární rovnovážné diagramy 3.8 Zkoušky tahem a rázem v ohybu: příprava na praktická cvičení; práce s normami pro hodnocení jednotlivých druhů kovů a slitin. Příprava vybraných typů protokolů 3.9 Zkouška tahem: praktické cvičení; způsob přípravy vzorků, realizace zkoušek tahem, hodnocení výsledku zkoušky a tvorba protokolů 3.10 Zkouška rázem v ohybu: praktické cvičení; způsob přípravy vzorků, realizace zkoušek rázem, hodnocení výsledku zkoušky a tvorba protokolů 3.12 Vybrané binární diagramy neželezných kovů (Ni, Ti, Al, Cu, Zn, Mg)

45 2.12 Stručná charakteristika vybraných slitin neželezných kovů a jejich užití, část 2 Klíčová slova lehké neželezné kovy, teplota tání, ušlechtilé kovy, hliník, měď, titan, zlato, stříbro Cíle kapitoly Kapitola navazuje na předcházející přednášku (2.11) tím, že se zaměřuje na neželezné kovy a jejich slitin v dalších skupinách definovaných teplotou tání, jejich ušlechtilostí nebo radiačními vlastnostmi. Přednáška uzavírá výklad o kovech a jejich slitinách z pohledu základního seznámení se s jejich charakteristikou a strojírenskými aplikacemi. Výstupy z učení 18.7 dovede realizovat základní rozbor binárních rovnovážných diagramů slitin železa i neželezných kovů 18.9 umí základním způsobem kriticky hodnotit jednotlivé typy kovových materiálů vzhledem k jejich vlastnostem a vhodným aplikacím v technické praxi Abstrakt Lehké kovy - K lehkým kovům se řadí prvky alkalických zemin (Be, Mg, Ca, Sr, Ba) a hliník. Kovy alkalických zemin jsou značně reaktivní, rychle oxidují a snadno se zapalují. Hliník je ušlechtilejší díky vlastnostem ochranné vrstvy oxidu hlinitého, který tvoří souvislý povlak a zabraňuje další korozi v atmosféře. Ostatním prvkům této skupiny je blízký svou měrnou hmotností. Ve strojírenství má význam vedle hliníku hlavně hořčík a v poslední době také berylium. Slitiny těchto kovů jsou významným konstrukčním materiálem s velmi příznivým poměrem pevnosti k měrné hmotnosti. Hliník patří mezi nejběžnější technické kovy. Krystalizuje v krychlové plošně středěné soustavě, vyznačuje se velikou tepelnou a elektrickou vodivostí. Měrný odpor se nečistotami a tvářením za studena zvětšuje. Čistý hliník je měkký, málo pevný a dobře tvárný. Tvářením za studena se zpevňuje, se vzrůstající teplotou jeho pevnost klesá. Korozní odolnost hliníku stoupá

46 s jeho čistotou. Odolává také mořské vodě, neodolává však koncentrovaným roztokům silných zásad. Využití nachází hliník pro dobrou korozní odolnost a mechanické vlastnosti v potravinářském průmyslu, strojírenství a stavebnictví. Velká část hliníku se spotřebuje v elektrotechnice. Velmi dobrá tvařitelnost umožňuje výrobu fólií. Značné množství hliníku připadá na výrobu slitin tvářených i slévárenských. Nevýhodou je špatná tavná svařitelnost. Hořčík krystalizuje v hexagonálni soustavě. Jako čistý kov má špatné mechanické vlastnosti - nízkou pevnost i tvárnost. Má nejmenší měrnou hmotnost z technických kovů, poměrně špatnou tvárnost (zejména za studena), ale dobrou slévatelnost, zejména u slitin s hliníkem. Hořčík je značně reaktivní, intenzivně se slučuje s kyslíkem. V poslední době stoupá použití odlitků z hořčíkových slitin nejen v letectví a dopravě, ale i ve strojírenství a přístrojové technice. Slitiny mají nižší hodnotu vrubové houževnatosti a poměrně nízký modul pružnosti. Metalograficky se podobají slitinám AI. Slitiny hořčíku se dělí na tvářené a slévárenské, které mají větší význam a jichž se vyrábí asi 70% z celkového množství. Kovy se střední teplotou tání - Do skupiny kovů se střední teplotou tání patří technicky velmi důležité kovy, a to mangan, feromagnetické kovy - železo, kobalt a nikl a dále měď. Samostatné uplatnění nacházejí z nich Cu, Ni a Co. Alotropický mangan je důležitou přísadou slitin železa i některých dalších slitin (Cu, AI, Mg, Ni). Většinou se vyrábí ve formě feroslitin. Ze slitin manganu je nejznámější slitina s 18% Cu a 10% Ni, která má velký koeficient tepelné roztažnosti a používá se na výrobu bimetalů. Měď se používá jako čistý kov především v elektrotechnice pro výbornou elektrickou vodivost. Slitiny mědi jsou velmi hodnotným konstrukčním materiálem, zejména pro dobrou odolnost proti korozi, výborné kluzné vlastnosti a velmi dobrou tvárnost. Některé slitiny mají výborné slévárenské vlastnosti, jiné nacházejí uplatnění především pro fyzikální vlastnosti (elektrická vodivost, tepelná roztažnost). Mosazi jsou slitiny mědi a zinku, které se vyrábějí jako slitiny jednoduché (pokud lze vliv dalších prvků zanedbat) a mosazi speciální, obsahující legury pro dosažení určitých vlastností. Podle způsobu zpracování rozlišujeme mosazi tvářené a. slévárenské. Slitiny Cu- Zn s malou přísadou zinku, kdy má slitina ještě načervenalou barvu, jsou tombaky. Rozhraní mezi mosazemi a tombaky není přesně stanoveno; u nás se považují za tombaky slitiny od 80% mědi výše (Ms 96, 90, 85, 80). Jako bronzy se běžně označují veškeré slitiny mědi s různými prvky kromě zinku. Bronz se blíže označuje podle hlavního legujícího prvku (např. bronz cínový, hliníkový, beryliový apod.). Podle způsobu výroby se bronzy dělí opět na tvářené a slévárenské. Vedle označení

47 číslem příslušné normy jakosti se běžně užívá označení, které je sestaveno ze značek hlavních prvků a doplněno číselným údajem procentního obsahu přísad. (CuSn3, CuA19Mn atd.). Ušlechtilé kovy - Technické použití těchto kovů a jejich slitin je založeno jednak na jejich výborné korozní odolnosti (elektrické kontakty), jednak na jejich elektrických a termoelektrických vlastnostech (odporové dráty a dráty pro termočlánky z platiny a příbuzných kovů. Kovy s vysokou teplotou tání - Do této skupiny se zařazují kovy, které mají podobně jako většina ušlechtilých kovů vysokou teplotu tání, avšak vyznačují se značnou slučivostí s kyslíkem. Proto musí být při tavení chráněny před účinky atmosféry a působení nekovů. Technicky významné jsou titan, zirkonium, vanad, niob, tantal, molybden a wolfram. Největší význam mají jako legury v ocelích a některých dalších slitinách. Studijní literatura Povinná literatura [1] SKÁLOVÁ, Jana, KOUTSKÝ, Jaroslav a MOTYČKA, Vladislav. Nauka o materiálech. V Plzni: Západočeská univerzita, s. ISBN: [2] SILBERNAGEL, Arnošt, HRUBÝ, Vojtěch, GREGER, Miroslav a NĚMEC, Jiří. Struktura, vlastnosti, zkoušení a použití kovů. Vyd. 1. Ostrava: Kovosil, s. ISBN [3] ASKELAND, Donald, R., FULAY, Pradeep, P., WRIGHT a Wendelin, J. The Science and Engineering of Materials. 6. vyd. Stamford, USA: Cengage Learning, 2010, 949 s. ISBN Doporučená literatura (Uvádět literaturu pouze v případě rozšíření či bližšího vysvětlení problematiky) Kontrolní otázky 1. Charakterizujte slitiny mědi a jejich využití? 2. Jaký je základní rozdíl mezi bronzy a mosazemi? 3. Charakterizujte slitiny hliníku a jejich využití? 4. Charakterizujte slitiny niklu a jejich využití? 5. Charakterizujte slitiny olova a jejich využití?

48 6. Charakterizujte slitiny vzácných kovů a jejich využití? 7. Které druhy kovů a jejich slitin se využívají ve zbrojním průmyslu? 8. Který neželezný kov má nejvyšší teplotu tání? 9. Který neželezný kov má nejvyšší elektrickou vodivost? 10. Který neželezný kov má největší tažnost? Odkaz na praktickou část 3.2 Exkurze do materiálových laboratoří a zkušeben průmyslových partnerů VŠTE 3.4 Základní binární rovnovážné diagramy 3.8 Zkoušky tahem a rázem v ohybu: příprava na praktická cvičení; práce s normami pro hodnocení jednotlivých druhů kovů a slitin. Příprava vybraných typů protokolů 3.9 Zkouška tahem: praktické cvičení; způsob přípravy vzorků, realizace zkoušek tahem, hodnocení výsledku zkoušky a tvorba protokolů 3.10 Zkouška rázem v ohybu: praktické cvičení; způsob přípravy vzorků, realizace zkoušek rázem, hodnocení výsledku zkoušky a tvorba protokolů 3.12 Vybrané binární diagramy neželezných kovů (Ni, Ti, Al, Cu, Zn, Mg)

49 2.13 Koroze kovů. Typy koroze a důsledky. Aktivní a pasivní protikorozní ochrana kovů Klíčová slova koroze, plošná koroze, bodová koroze, elektro-chemická koroze, pasivní ochrana, aktivní ochrana Cíle kapitoly Významnou vlastností, která souvisí s technickou aplikací kovů, je jejich korozní odolnost. Kapitola pojednává o korozi, jejich typech, způsobech iniciace a v neposlední řadě je pozornost věnována také aktivním či pasivním mechanismům a metodám protikorozní ochrany, která zajišťuje funkčnost materiálů v různých druzích korozně agresivních prostředích. Výstupy z učení 18.6 má základní znalosti z oblasti koroze a protikorozní ochrany kovů 18.9 umí základním způsobem kriticky hodnotit jednotlivé typy kovových materiálů vzhledem k jejich vlastnostem a vhodným aplikacím v technické praxi Abstrakt Koroze kovů je již od pradávna chápána jako nežádoucí proces, a to je také obsaženo v její definici: Koroze kovů je fyzikálně-chemická interakce kovu a prostředí, vedoucí ke změnám vlastností kovu, které mohou vyvolávat významné zhoršení funkce kovu, prostředí nebo technického systému, jehož jsou kov a prostředí složkami. Za dobu používání kovů nashromáždili lidé mnoho empirických poznatků (často i rozporných), o korozních systémech (kombinace kov - prostředí), které byly již prakticky použity (někdy neúspěšně), nebo prošly korozními zkouškami. Fenomén koroze kovů je v posledních sto letech racionálně zkoumán především v souvislosti s rozsáhlým průmyslovým použitím kovových materiálů. Pro korozní inženýrství je nezbytná znalost základních principů korozních procesů a mechanizmů jednotlivých druhů koroze i technologií protikorozní ochrany. Základem k tomu jsou znalosti z chemie, elektrochemie i dalších částí fyzikální chemie, chemického inženýrství i materiálové znalosti z fyzikální metalurgie a fyziky kovů i znalosti o zásadách konstrukce

50 zařízení. V oblasti teoretických disciplín se korozní inženýrství překrývá s korozní vědou, jejíž hlavním cílem je vysvětlit mechanizmy korozních procesů a hledat nové korozně odolné materiály. Pro oblast restaurování a konzervace kovů jsou poznatky z korozního inženýrství cenné, protože nejsou založeny pouze na empirickém přístupu a vysvětlují souvislosti významné pro interakci prostředí a kovového materiálu. Elektrochemická koroze kovů - Elektrochemie se zabývá chováním iontů v roztoku a na fázovém rozhraní. Týká se to jak rovnovah v soustavě elektroda-elektrolyt, tak procesů v této soustavě, tj. při přenosu náboje z jedné fáze do druhé, kdy dochází ke změně nosiče náboje z elektronu na ion a naopak. Heterogenity jsou obsaženy již ve struktuře většiny kovových materiálů. Vedou k činnosti tzv. mikročlánků, které jsou dány strukturní nehomogenitou. Ta je dána gradientem chemického složení fáze, různými fázemi, precipitáty, vměstky, různou orientací krystalových rovin, poruchami mřížky a nehomogenitou vnitřního mechanického pnutí. Pasivita kovů - Potlačení korozní reakce na pasivním kovu je způsobeno ochrannou vrstvou vzniklou obvykle samovolně na povrchu, kterou označujeme jako pasivní. Pozornost je třeba věnovat rovněž druhům koroze, v této přednášce je tedy v základních obrysech představena koroze plošná, galvanické a koncentrační články, štěrbinová koroze, koroze bodové, mezikrystalové a selektivní. Také jsou naznačeny mechanické a fyzikální procesy související s iniciací korozních procesů dané namáháním či okolním prostředím. Význam aktivní a pasivní protikorozní ochrany je v této kapitole rovněž akcentován. Studijní literatura Povinná literatura [1] SKÁLOVÁ, Jana, KOUTSKÝ, Jaroslav a MOTYČKA, Vladislav. Nauka o materiálech. V Plzni: Západočeská univerzita, s. ISBN: [2] SILBERNAGEL, Arnošt, HRUBÝ, Vojtěch, GREGER, Miroslav a NĚMEC, Jiří. Struktura, vlastnosti, zkoušení a použití kovů. Vyd. 1. Ostrava: Kovosil, s. ISBN

51 [3] ASKELAND, Donald, R., FULAY, Pradeep, P., WRIGHT a Wendelin, J. The Science and Engineering of Materials. 6. vyd. Stamford, USA: Cengage Learning, 2010, 949 s. ISBN Kontrolní otázky 1. Charakterizujte význam koroze v technické praxe. 2. Charakterizujte základní mechanismus vzniku bodové koroze. 3. Charakterizujte základní mechanismus vzniku plošné koroze. 4. Jaký rozdíl je mezi chemicky a fyzikálně-chemicky aktivovanou korozí? 5. Jaké je základní rozdělení prostředí (4 prostředí), která při posuzování koroze rozlišujeme? 6. Jaká rizika s sebou nese mechanické namáhání funkčních součástí technologických či konstrukčních celků? 7. Jaké rozlišujeme způsoby ochrany proti korozi. 8. Uveďte příklady způsobu ochrany proti bodové korozi. 9. Uveďte příklady způsobu ochrany proti plošné korozi. 10. Uveďte příklady způsobu ochrany proti elektro-chemicky aktivované korozi. Odkaz na praktickou část 3.5 Světelná mikroskopie a optická emisní spektrometrie: příprava na praktická cvičení; práce s normami pro hodnocení jednotlivých druhů kovů a slitin. Příprava vybraných typů protokolů 3.6 Světelná mikroskopie: praktické cvičení; příprava metalografických vzorků, práce s optickým mikroskopem, hodnocení mikrostruktur na základě pořízených fotografií, tvorba protokolu 3.7 Optická emisní spektrometrie: praktické cvičení; příprava vzorků, kalibrace, práce s optickým emisním spektrometrem, hodnocení výsledku měření a tvorba protokolů 3.8 Zkoušky tahem a rázem v ohybu: příprava na praktická cvičení; práce s normami pro hodnocení jednotlivých druhů kovů a slitin. Příprava vybraných typů protokolů

52 3 Příprava na semináře 3.1 Úvodní informace. Bezpečnostní předpisy, způsoby práce v laboratorních podmínkách. Stručný přehled obsahu cvičení a požadavků pro udělení zápočtů. Zadání semestrální práce Klíčová slova obsah seminářů, bezpečnost práce, požadavky na semináře, semestrální práce Cíle kapitoly Cílem kapitoly je seznámit studenty se strukturou seminářů, zásadami práce v laboratoři. Budou uvedeny požadavky pro udělení zápočtu a zadány semestrální práce. Výstupy z učení 18.1 umí definovat základní rozdělení kovových materiálů a dále charakterizovat jejich strukturní, mechanické a užitné vlastnosti 18.2 umí definovat vnitřní stavbu hmoty, krystalovou stavbu kovů, bodové, čárové, plošné a prostorové poruchy krystalové mřížky 18.3 má základní znalosti v oblasti termodynamiky, kinetiky a difúze kovových soustav 18.4 má základní znalosti z oblasti tuhnutí a krystalizace kovů a slitin, segregačních jevů a fázových přeměn v tuhém stavu 18.5 má základní znalosti z oblasti metalografie a mechanických zkoušek kovů a jejich slitin 18.6 má základní znalosti z oblasti koroze a protikorozní ochrany kovů 18.7 dovede realizovat základní rozbor binárních rovnovážných diagramů slitin železa i neželezných kovů 18.8 dovede aplikovat metalografické metody a mechanické zkoušky kovů v souladu s příslušnými normami 18.9 umí základním způsobem kriticky hodnotit jednotlivé typy kovových materiálů vzhledem k jejich vlastnostem a vhodným aplikacím v technické praxi Bezpečnostní předpisy, způsoby práce v laboratorních podmínkách

53 Studenti se musí chovat dle pokynů platných v dané laboratoři. Před vstupem do laboratoře jsou studenti obeznámeny a poučeni s BOZP a zavazuji se podle těchto pokynů chovat, co stvrzují svým podpisem v prezenční listině. Stručný přehled obsahu cvičení a požadavků pro udělení zápočtů 1. Úvodní informace. Bezpečnostní předpisy, způsoby práce v laboratorních podmínkách. Stručný přehled obsahu cvičení a požadavků pro udělení zápočtů. Zadání semestrální práce. 2. Exkurze do materiálových laboratoří a zkušeben průmyslových partnerů VŠTE. 3. Základní výpočty v oblasti termodynamiky kovů a slitin. 4. Základní binární rovnovážné diagramy. 5. Světelná mikroskopie a optická emisní spektrometrie: příprava na praktická cvičení; práce s normami pro hodnocení jednotlivých druhů kovů a slitin. Příprava vybraných typů protokolů. 6. Světelná mikroskopie: praktické cvičení; příprava metalografických vzorků, práce s optickým mikroskopem, hodnocení mikrostruktur na základě pořízených fotografií, tvorba protokolu. 7. Optická emisní spektrometrie: praktické cvičení; příprava vzorků, kalibrace, práce s optickým emisním spektrometrem, hodnocení výsledku měření a tvorba protokolů. 8. Zkoušky tahem a rázem v ohybu: příprava na praktická cvičení; práce s normami pro hodnocení jednotlivých druhů kovů a slitin. Příprava vybraných typů protokolů. 9. Zkouška tahem: praktické cvičení; způsob přípravy vzorků, realizace zkoušek tahem, hodnocení výsledku zkoušky a tvorba protokolů. 10. Zkouška rázem v ohybu: praktické cvičení; způsob přípravy vzorků, realizace zkoušek rázem, hodnocení výsledku zkoušky a tvorba protokolů. 11. Binární diagramy slitin železa: metastabilní (Fe-Fe3C) a stabilní (Fe-C). 12. Vybrané binární diagramy neželezných kovů (Ni, Ti, Al, Cu, Zn, Mg). 13. Závěrečný test, vyhodnocení semestrální práce, udělení zápočtu. Zadání jednotlivých témat seminárních prací Studenti si volí seminární práci dle pokynů vyučujícího. Volí si vlastní téma, nebo studentům téma semestrální práce zadá vyučující. Semestrální práce se vypracuje dle schválené šablony na semestrální práce, která je stanovená interním předpisem VŠTE. Tématem semestrální práce je konkrétní prvek nebo slitina, její charakteristika a popis.

54 Zadání samostatné práce (úkolu) Studentům je zadáno téma semestrální práce, přičemž přednášející/cvičící dohlédne, že studenti nebudou mít stejná témata. Každý student má vlastní téma na zpracování. Příklady témat: Ocel její charakteristika, vhodné materiálové analýzy pro podmínky výroby litích polotovarů Slitina ZL0410 na odlitky ZP0410 vhodné typy materiálových analýz, návrh protokolů v návaznosti na příslušné normy Studijní literatura Povinná literatura [1] ASKELAND, D., R. FULAY, P. P. WRIGHT a J. WENDELIN, The Science and Engineering of Materials. 6. vyd. Stamford: Cengage Learning. ISBN [2] SILBERNAGEL, A., V. HRUBÝ, M. GREGER a J. NĚMEC Struktura, vlastnosti, zkoušení a použití kovů. Ostrava: Kovosil. ISBN [3] SKÁLOVÁ, J., J. KOUTSKÝ a V. MOTYČKA, Nauka o materiálech. 4. vyd. Plzeň: Západočeská univerzita. ISBN [4] SKÁLOVÁ, J., KOVAŘÍK, R., BENEDIKT, V. Základní zkoušky kovových materiálů. 4. vyd. - dotisk. Plzeň: Západočeská univerzita, s. ISBN [5] MACHEK, V. a J. SODOMKA, [Nauka o materiálu. 3. část], Speciální kovové materiály. Praha: České vysoké učení technické. ISBN Doporučená literatura [1] ASHBY, M., F. a D. R. H. JONES, Engineering Materials 1, An Introduction to Properties, Applications and Design. 4. vyd. Oxford: Elsevier. ISBN [2] KADLEC, J. a M. POSPÍCHAL, Nauka o materiálu I. Brno: Univerzita obrany. ISBN [3] MACHEK, V. a J. SODOMKA, [Nauka o materiálu]. 2. část, Vlastnosti kovových materiálů. Praha: Nakladatelství ČVUT. ISBN [4] SKRBEK, B., Výběr materiálových norem: pracovní pomůcka. Liberec: Technická univerzita v Liberci. ISBN [5] PILOUS, V., Technologie kovových materiálů. 2. vyd. Plzeň: Západočeská univerzita. ISBN

55 3.2 Exkurze do materiálových laboratoří a zkušeben průmyslových partnerů VŠTE Klíčová slova kovy, slitiny, metalografie, materiálové zkoušky, praktické aplikace, zpráva z exkurze Cíle kapitoly Cílem exkurze je seznámit studenty s praktickými aspekty průběhu materiálových analýz zaměřených na hodnocení struktury a mechanických vlastností ve vybraných průmyslových podnicích. Exkurze také povede ke zvýšení zájmu o následující semináře. Výstupy z učení 18.5 má základní znalosti z oblasti metalografie a mechanických zkoušek kovů a jejich slitin 18.8 dovede aplikovat metalografické metody a mechanické zkoušky kovů v souladu s příslušnými normami Příklad, uvedení vzorového úkolu Bude prezentován vzor zprávy z exkurze. Obsah zprávy z exkurze Úvod 1. Popis navštívené firmy Sem uvedete charakteristiku firmy, kterou najdete také na internetu. Vše je nutno správně citovat dle normy ISO690 přes hranatou závorku [1] Text je definován následovně: Times New Roman velikost 12. Řádkování 1.5 v celém dokumentu. 2. Popis exkurze V této části se budete věnovat konkrétně exkurzi. Co jste viděli a popíšete průběh. 3. Závěr Zhodnocení přínosu pro studenta 4. Použitá literatura

56 [1] Norma ISO 690 dostupné na internetu < Bezpečnostní pokyny pro návštěvu slévárenských provozů. Studenti se musí chovat dle pokynů platných v provozu. Při návštěvě podniku jsou studenti obeznámeny a poučeni s BOZP daného podniku a zavazuji se podle těchto pokynů chovat, co stvrzují svým podpisem. Zadání samostatné práce (úkolu) Studenti vypracují zprávu z exkurze podle nadefinovaného zadání. Studijní literatura Povinná literatura [1] SKÁLOVÁ, Jana, KOVAŘÍK, Rudolf, BENEDIKT, Vladimír. Základní zkoušky kovových materiálů. 4. vyd. - dotisk. Plzeň: Západočeská univerzita, s. ISBN

57 3.3 Základní výpočty v oblasti termodynamiky kovů a slitin Klíčová slova energetické stavové funkce, entalpie, entropie, tepelná kapacita, teplota, tlak, molární hmotnost Cíle kapitoly Cílem kapitoly/semináře je pouze v náznacích seznámit studenty s mechanismem základních termodynamických výpočtů, které umožňují predikovat chování materiálů v závislosti na teplotě a tlaku a determinují schůdnost fyzikálně-chemických procesů. Výstupy z učení 18.3 má základní znalosti v oblasti termodynamiky, kinetiky a difúze kovových soustav Příklad, uvedení vzorového úkolu 1. věta termodynamická Změna vnitřní energie soustavy může nastat pouze prací nebo tepelnou výměnou U = Q + W 2. věta termodynamická Není možný periodicky pracující stroj, který by nekonal nic jiného, než odebíral z tepelného zásobníku teplo a měnil je na ekvivalentní množství práce. Maximální účinnost takového stroje je = 1 - T2/T1 3. věta termodynamická Funkce H 0 a G 0 mají v blízkosti absolutní nuly společnou tečnu. lim 0 H lim T 0 T 0 G 0 Tepelná kapacita udává, jaká je výměna tepla při určité změně teploty.

58 Q C T Změna entalpie soustavy H je rovna teplu dodávanému (odebíranému) soustavě za stálého tlaku Q H = U + p. V Entropie je míra neuspořádanosti systému Q ds 0 T Př.: Vypočítejte množství tepla, které je nutno dodat 1 molu CaO(s) při ohřevu z teploty T1 = 298,15 K na teplotu T2 = 1173 K za konstantního tlaku p = Pa. Molová tepelná kapacita CaO(s) při stálém tlaku je vyjádřena teplotní závislostí: c ( CaO ) 49,62 4, T 6, T pm ( s) [J.K -1.mol -1 ] Pro p = konst. platí platné pro Tε <298,15; 2888 K> Q p H n. T2 T1 c pm dt Pro daný případ je H H m ( CaO( s) ) (49,62 4, T 6, T ) dt 298,15 0 m ( CaO ( s) ) ,62. T 2, T 6, T , 15 0 H m( CaO( s) ) 61906, , ,22 [J.mol -1 ] Zadání samostatné práce (úkolu) Př.: Vypočítejte změnu molové entalpie hliníku při ohřevu z teploty T1 = 298,15 K na teplotu T2 = 1275 K při tlaku Pa. Dále je zadáno

59 c ( Al 3 ) 20,67 12,38.10 T [J.K -1.mol -1 ] 0 pm ( s). 0 c Al ) 31,8 [J.K -1.mol -1 ] pm( ( l) platné pro Tε <298,15; 933,15 K> platné pro Tε <933,15; 1650 K> Tta(Al) = 933,15 K Př.: Vypočítejte molární entropii mědi při teplotě 1000 K, je-li dáno 0 1 S298,15( Cu( s ) ) 33,11J. K. mol 1 c ( CaO ) 24,85 3, T 1, T pm ( s) [J.K -1.mol -1 ] Studijní literatura platné pro Tε <298,15; 1357 K> Povinná literatura [1] SKÁLOVÁ, Jana, KOUTSKÝ, Jaroslav a MOTYČKA, Vladislav. Nauka o materiálech. V Plzni: Západočeská univerzita, s. ISBN: [2] ASKELAND, Donald, R., FULAY, Pradeep, P., WRIGHT a Wendelin, J. The Science and Engineering of Materials. 6. vyd. Stamford, USA: Cengage Learning, 2010, 949 s. ISBN

60 3.4 Základní binární rovnovážné diagramy Klíčová slova Gibbsovo pravidlo fází, fáze kovových soustav, binární diagram, teploty fázových transformací Cíle kapitoly Cílem kapitoly/semináře je na praktických ukázkách prezentovat základy práce a význam rovnovážných binárních diagramů, které slouží nejen k orientaci v základních parametrech fázových přeměn standardních materiálů, ale také jsou významným pomocníkem při teoretickém studiu a vývoji nových, progresivních strojírenských materiálů. Výstupy z učení 18.7 dovede realizovat základní rozbor binárních rovnovážných diagramů slitin železa i neželezných kovů Příklad, uvedení vzorového úkolu Na vlastnosti technických slitin železa má nejvýznamnější vliv právě uhlík, neboť uhlík nejvýznamnějším způsobem ovlivňuje důležité vlastnosti slitin železa. Uhlík se železem tvoří intersticiální tuhé roztoky s omezenou rozpustností uhlíku. Po překročení rozpustnosti uhlíku v tuhém roztoku se uhlík vylučuje jako samostatná fáze. Při nízkých obsazích tvoří uhlík intersticiální sloučeninu Fe3C. Tato sloučenina není stabilní a může se rozkládat na grafit a železo. Soustava Fe-Fe3C se označuje jako soustava metastabilní a podle této soustavy tuhnou především oceli. Jestliže je uhlík vyloučen jako grafit, jedná se o soustavu stabilní, která má svůj význam zejména pro posuzování změn při tuhnutí litin a surových želez. Rovnovážný stav v soustavě nastává při termodynamické rovnováze. Pokud se bude jednat o změnu rovnovážného stavu, bude se jednat jen o změnu teploty nebo o změnu chemického složení. Změna teplot ale musí být velmi pomalá, aby v materiálu mohly probíhat dokonalé difúzní procesy. Této podmínce odpovídá rychlost změny teploty max. 3 C/h.

61 Z rovnovážných fázových diagramů je možno: 1) Vyčíst průběh chladnutí nebo ohřevu slitiny daného složení, tj. - určit při dané teplotě množství a chemické složení jednotlivých fází; - určit při dané teplotě původ jednotlivých fází; - stanovit teploty přeměn jednotlivých fází či směsí fází a jim odpovídající chemické složení. 2) Určit teploty tavení složek a rozmezí teplot mezi začátky a konci tavení slitin. 3) Navrhovat tepelná zpracování slitiny o daném chemickém složení. 4) Sledovat případnou alotropii složek. Gibbsův zákon fází Počet fází, které mohou spolu za daných podmínek existovat v rovnováze, není libovolný a je určen Gibbsovým zákonem fází. Tento zákon vyjadřuje vztah mezi stupněm volnosti soustavy v, počtem složek n tvořících soustavu, počtem fází f a počtem vnějších nezávisle proměnných činitelů r. v = n + r f Nezávisle proměnné r dané soustavy jsou vnější faktory, které ovlivňují její rovnováhu. Jsou-li těmito faktory tlak, teplota a chemické složení, pak počet nezávisle proměnných r = 2, třetí proměnná je již závislá. Gibbsův zákon má pak tvar: v = n + 2 f. Důležitým pojmem v termodynamice je stupeň volnosti. Ten vyjadřuje počet vnějších i vnitřních činitelů soustavy (teplota, chemické složení, tlak), které je možno současně nezávisle na sobě měnit, aby se změnil počet nebo množství fází. Za předpokladu stálého tlaku (tzv. izobarická soustava), který je obvykle atmosférický, jsou proměnnými jen teplota a chemické složení. Pak počet nezávisle proměnných je roven 1 (buď teplota nebo chemické složení) a stupeň volnosti se vypočítává podle zjednodušeného Gibbsova zákona fází: v = n f

62 (kde v je počet stupňů volnosti (teplota a chemické složení), n je počet složek tvořících danou soustavu (u binárních soustav je n =2, f je počet fází, které se v daném místě binárního diagramu nachází). Pro dvousložkovou soustavu platí, že: a) při f = 1, tj. v jednofázovém roztoku, je v = 2 a rovnováha je bivariantní, což znamená, že je možné měnit nezávisle na sobě teplotu i chemické složení soustavy a soustava zůstává jednofázová; b) při f = 2, tj. ve dvojfázovém roztoku, je v = 1 a rovnováha je monovariantní, což znamená, že pokud se nemá změnit množství obou fází, je možné v soustavě měnit jen jednu volnost, tj. budˇ teplotu a chemické složení se přizpůsobí, nebo měnit chemické složení s tím, že se přizpůsobí teplota; c) při f = 3, tedy v místech, kde existují současně 3 fáze, je stupeň volnosti v = 0 a rovnováha je nonvariantní (invariantní, nulvariantní), kdy není možno v soustavě měnit teplotu ani chemické složení, aniž by se nezměnil počet a množství fází. Proto při ochlazování nebo ohřevu slitiny o chemickém složení odpovídající nonvariantnímu bodu se veškeré množství látky přeměňuje při jediné teplotě a jediném chemickém složení. Popis obecného binárního diagramu

63 Na horizontální ose binárních diagramů se znázorňuje chemické složení slitiny, na vertikální ose pak teplota. Chemické složení je udáno buď v procentech hmotnostních nebo atomových, což musí být zřetelně v diagramu uvedeno. Označení složky A představuje 100% jejího obsahu ve slitině a současně obsah 0% složky B, u označení B je tomu naopak. Na vertikální ose binárního diagramu lze přímo odečítat teploty tavení obou složek TA a TB. Nejvýše položená křivka každého fázového diagramu se nazývá křivka likvidu. Označuje rozhraní mezi tekutou fází (taveninou) a oblastí, kde se již kromě taveniny vyskytují i krystaly daného materiálu Tuto hranici tvoří jedna nebo více na sebe navazujících spojitých křivek. Nad křivkou likvidu neexistuje pevná fáze. Dolní hranici dvoufázové oblasti tavenina-krystaly tvoří obdobná křivka, která se nazývá křivka solidu. Ta je opět tvořena jednou spojitou čarou nebo více na sebe navazujícími spojitými čarami či úsečkami. Pod křivkou solidu neexistuje tekutá fáze. K rovnovážným diagramům se vážou tyto základní pojmy: Likvidus - čára v rovnovážném diagramu, při které se při ohřevu mění poslední zbytky tuhé fázi na taveninu. Nad touto teplotou se při rovnovážných podmínkách nachází jenom tavenina. Při ochlazování z oblasti stabilní taveniny se na čáře likvidu začínají vylučovat z ochlazované taveniny první krystalky tuhé fázi. Solidus - čára v rovnovážném diagramu, při které se při ohřevu začíná proces přeměny tuhé fázi na taveninu, teda začínají se objevovat první oblasti s přítomnosti taveniny. Při ochlazování na čáře solidu tuhnou poslední zbytky taveniny přítomné v ochlazované slitině. Solvus - čára změny rozpustnosti v tuhém stavu. Podle této čáry dochází při ochlazování slitiny k změně rozpustnosti v tuhém stavu, co má za následek vylučovaní precipitátů fázi odlišného typu z přesyceného tuhého roztoku. Eutektikum - mechanická směs minimálně dvou fázi, která vzniká při určité (přesně definované) koncentraci přísadového prvku izotermickou přeměnou přímo z taveniny. Eutektoid - mechanická směs minimálně dvou fází, která vzniká při určité (přesně definované) koncentraci přísadového prvku izotermickou přeměnou tuhého roztoku. Tvar rovnovážného binárního diagramu (RBD) závisí od toho, jak navzájem reagují obě složky jestli jsou rozpustné anebo nerozpustné v tuhém anebo kapalném, úplně anebo částečně. Na základě toho poznáme několik základních typů RBD.

64 Zadání samostatné práce (úkolu) 1. Popište jednotlivé části diagramu 2. Vysvětlete pojmy: solidus, likvidus, eutektikum 3. Vysvětlete Gibbsův zákon fází. Studijní literatura Povinná literatura [1] SKÁLOVÁ, Jana, KOUTSKÝ, Jaroslav a MOTYČKA, Vladislav. Nauka o materiálech. V Plzni: Západočeská univerzita, s. ISBN: [2] SILBERNAGEL, Arnošt, HRUBÝ, Vojtěch, GREGER, Miroslav a NĚMEC, Jiří. Struktura, vlastnosti, zkoušení a použití kovů. Vyd. 1. Ostrava: Kovosil, s. ISBN [3] ASKELAND, Donald, R., FULAY, Pradeep, P., WRIGHT a Wendelin, J. The Science and Engineering of Materials. 6. vyd. Stamford, USA: Cengage Learning, 2010, 949 s. ISBN

65 3.5 Světelná mikroskopie a optická emisní spektrometrie: příprava na praktická cvičení; práce s normami pro hodnocení jednotlivých druhů kovů a slitin. Příprava vybraných typů protokolů Klíčová slova mikroskop, spektrometr, protokol, měření, norma Cíle kapitoly Studenti získají základní poznatky ve tvorbě protokolu, osvojí si zručnosti práce s přístroji a vyhodnocování vzorků na základě normovaných postupů. Výstupy z učení 18.5 má základní znalosti z oblasti metalografie a mechanických zkoušek kovů a jejich slitin 18.9 umí základním způsobem kriticky hodnotit jednotlivé typy kovových materiálů vzhledem k jejich vlastnostem a vhodným aplikacím v technické praxi Příklad, uvedení vzorového úkolu Úspěšná interpretace výsledků laboratorního bádání je podmíněna mimo jiné již správným odebráním správného vzorku v terénu. Ani použití nejmodernějších a nejsofistikovanějších laboratorních metod nemůže napravit chyby vnesené během terénní etapy. Odběr vzorku pro laboratorní zpracování nelze nikdy podceňovat, neboť bezchybně vybraný vzorek je podmínkou dosažení realistických výsledků. Příprava vzorku dle normy ČSN Pro hodnocení makrostruktury - Na povrchu vzorek se řádně očistí, odmastí a naleptá vhodným leptadlem. - Na řezech musí se plocha makrovýbrusu opracovat do té míry, aby bylo možné vyvolat původní strukturu materiálu. (hrubozrnné materiály = soustružení, frézování; měkké kovy a slitiny = diamantové případně tvrdokovové nástroje při

66 malém posuvu a vysokých otáčkách; jemnozrnné materiály = vzorek stačí vybrousit, případně vyleštit.). Připravený makrovýbrus se opláchne vodou, etanolem a osuší se. 2. Pro hodnocení mikrostruktury - Velikost vzorku se volí podle zvolené mikroskopové techniky. - Z malých vzorků se vytvoří preparáty zalisováním nebo zalitím do syntetické pryskyřice. - Vzorek se vždy zalije nebo zalisuje pro potřeby nutnosti kontroly struktury povrchové vrstvy. - V nutných případech se povrch vzorku pokoví. - Při preparování se obvykle používají metody: a) upevnění vzorků nebo svazků vzorků do mechanických svěrek a držáků, b) zalisování vzorků pod tlakem do práškových syntetických pryskyřic při zvýšené teplotě, c) zalití vzorků do syntetické pryskyřice (nejvhodnější). U pozorování povrchů nebo podpovrchových oblastí, a tam, kde nesmí dojít k zaoblení hran je možno vzorky povrchově upravit nanesením vrstvy epoxidového lepidla nebo pokovením (vždy takovým kovem, který se barvou liší od zkoumaného materiálu, a který nereaguje s leptadlem použitým na vyvolání struktury). - Vzorky s mědi se niklují, vzorky se slitin mědi lze pomědit. Vhodné lázně a proudivé podmínky pro galvanické pokovování je uvedeno v normě v tab Hliník a slitiny hliníku se mohou niklovat v lázních pro bezproudé niklování. 3. Příprava mikro výbrusu - Zarovnáním plochy výbrusu = pilováním, přebroušením, nebo obráběním. - Hrubé broušení = za mokra, ručně nebo strojové na kotoučových bruskách a za použití brusných plátů o zrnitosti č. 100, Jemné broušení = na kotoučových bruskách o otáčkách od 200 do 300 mim -1 za mokra na sérii brusných metalografických papírů stále jemnější zrnitosti (č. 240, 320, 400, 600), = doba broušení na papíru jedné zrnitosti je dvakrát tak dlouhá než čas potřebný na odstranění stop po předchozím broušení, = při každém přechodu na jemnější broušení se vzorek dokonale opláchne a očistí, a výbrus se otočí o Předleštění = účelem je odstranění rysek po broušení, a hlavně odstranění zdeformované povrchové vrstvy materiálu, která zůstává na povrchu výbrusu,

67 = provádí se na leštících kotoučích při otáčkách od 150 min -1 do 300 min -1 v suspenzi korundového prášku zrnitosti od 20 do 25. Kotouč se vlhčí mýdlovým roztokem, = předleštění je možno provádět i pomocí diamantových past hrubší zrnitosti 15, 10, 7 µm na tvrdých podložkách za použití smáčedel. - Jemné leštění = na leštících kotoučích za použití diamantových past v zrnitosti 3,1 a 0,25 µm na podložkách z polyamidové tkaniny nebo z plátna pro metalografické účely, nebo ze syntetického semiše za použití smáčedel. = mohou se používat suspenze τ modifikace oxidu hlinitého ředěné vodou. Tento druh leštidla není vhodný pro měkké kovy a slitiny. Po vyleštění se preparát důkladně opláchne v proudu vody, dále se opláchne etylalkoholem a osuší se v proudu vzduchu. Po odstranění nečistot je vhodné použit ultrazvuk na odstranění z dutin, pórů a trhlin. Vyvolání struktury Struktura se vyvolává - naleptáním vhodným leptadlem, - makrovýbrusy se leptají ponořením, potíráním nebo přeléváním leptadla přes plochu makrovýbrusu, - mikrovýbrusy se používá leptání ponořením nebo potíráním, - elektrolytickým leštěním v elektrolytech. Zadání samostatné práce (úkolu) Studenti vypracují protokoly na základě zadání a naměřených hodnot a stanoví, jestli složení daného materiálu je v souladu s normou ČSN EN Zinek a slitiny zinku sekundární zinek Při provádění jakýchkoliv pokusů nebo pozorování je nutné vést laboratorní protokol. Opravdu je potřeba si všechno zapisovat. Nespoléhat se na to, že si budeme delší dobu pokus pamatovat. Do protokolu musíme zaznamenat: jaký pokus jsem prováděl kdy jsem pokus prováděl co všechno jsem potřeboval s kým jsem spolupracoval co jsem zjistil a jaký jsem vyvodil závěr

68 Studenti vypracují laboratorní cvičení na základě zadaných a naměřených hodnot a stanoví, jestli složení daného materiálu je v souladu s normou ČSN EN Zinek a slitiny zinku rozbor optickou emisní spektrometrií. Laboratorní cvičení č. Datum: kdy jsi prováděl cvičení (ne kdy píšeš protokol) Téma: tématický celek, kterého se cvičení týká Úkol č.1: název prvního úkolu Pomůcky: vyjmenuj všechny pomůcky, které jsi k pokusu používal Chemikálie: vyjmenuj všechny chemické látky, které jsi k pokusu potřeboval Pracovní postup: napiš stručný popis toho, jak jsi při pokusu postupoval (postup piš tak, aby podle tvého popisu mohl kdokoliv pokus přesně zopakovat) Nákres aparatury: pokud se při pokusu používala aparatura, je dobré ji schematicky zakreslit a popsat (kreslíme tužkou, popisujeme zásadně perem) Pozorování: zapiš, jaké jevy jsi pozoroval při pokusu nebo zaznamenej výsledky měření Chemické rovnice: chemické změny probíhající během pokusu je třeba zapsat chemickou rovnicí Závěr: do závěru napiš, co jsi pokusem zjistil Studijní literatura Povinná literatura [1] SKÁLOVÁ, Jana, KOUTSKÝ, Jaroslav a MOTYČKA, Vladislav. Nauka o materiálech. V Plzni: Západočeská univerzita, s. ISBN: [2] SKÁLOVÁ, Jana, KOVAŘÍK, Rudolf, BENEDIKT, Vladimír. Základní zkoušky kovových materiálů. 4. vyd. - dotisk. Plzeň: Západočeská univerzita, s. ISBN

69 3.6 Světelná mikroskopie: praktické cvičení; příprava metalografických vzorků, práce s optickým mikroskopem, hodnocení mikrostruktur na základě pořízených fotografií, tvorba protokolu Klíčová slova mikroskop, objektiv, zvětšení, fáze, zrna, protokol, měření, norma Cíle kapitoly Studenti získají základní poznatky ve tvorbě protokolu, osvojí si zručnosti práce s přístroji a vyhodnocování vzorků na základě normovaných postupů. Výstupy z učení 18.5 má základní znalosti z oblasti metalografie a mechanických zkoušek kovů a jejich slitin 18.9 umí základním způsobem kriticky hodnotit jednotlivé typy kovových materiálů vzhledem k jejich vlastnostem a vhodným aplikacím v technické praxi Příklad, uvedení vzorového úkolu Stavba světelného mikroskopu Kromě objektivů a okulárů se složený mikroskop skládá z celé řady dalších komponent. Mechanickými částmi jsou stativ, stolek a tubus.

70 Základní pokyny pro práci s mikroskopem 1. zaostřím na preparát (objektiv zvětšující více než 10x), je-li mikroskop vybaven kondenzorem s odklápěcí čočkou, odklopím ji. 2. zcela zavřu polní clonu; její okraje zaostřím pohybem kondenzoru nahoru a dolu (takže bude zároveň ostrý obraz preparátu a polní clony) 3. při postupném otevírání polní clony její okraje musí ležet na všech stranách stejně daleko právě mimo zorné pole (pokud by nebyl kondenzor vycentrovaný, umístím obraz polní clony pomocí kondenzorových centrovacích šroubů do středu zorného pole. Tímto mám nastavenu vzdálenost kondenzoru pro daný objektiv a otevření polní clony. 4. kontrast obrazu prohlíženého preparátu upravím pomocí kondenzorové clony kondenzoru pomocí aperturní clony. Nikdy nepoužívejte kondenzorovou clonu na úpravu intenzity osvětlení! 5. intenzitu světla upravím příkonem osvětlení nebo použitím filtrů.

71 Zadání samostatné práce (úkolu) 1. Připravte vzorky dle pokynů v kapitole Umístěte vzorek do mikroskopu a pořiďte fotografie výbrusu. 3. Vyhodnoťte základní charakteristiky výbrusu podle pokynů vyučujícího a vyplňte protokol. Zpracované fotografie analyzovaného vzorku by měly vypadat obdobně jako vzory na obrázcích: Studijní literatura [1] SKÁLOVÁ, Jana, KOUTSKÝ, Jaroslav a MOTYČKA, Vladislav. Nauka o materiálech. V Plzni: Západočeská univerzita, s. ISBN: [2] SKÁLOVÁ, Jana, KOVAŘÍK, Rudolf, BENEDIKT, Vladimír. Základní zkoušky kovových materiálů. 4. vyd. - dotisk. Plzeň: Západočeská univerzita, s. ISBN

72 3.7 Optická emisní spektrometrie: praktické cvičení; příprava vzorků, kalibrace, práce s optickým emisním spektrometrem, hodnocení výsledku měření a tvorba protokolů Klíčová slova optický emisní spektrometr, drsnost povrchu, protokol, měření, norma Cíle kapitoly Studenti získají základní poznatky ve tvorbě protokolu, osvojí si zručnosti práce s přístroji a vyhodnocování vzorků na základě normovaných postupů. Výstupy z učení 18.5 má základní znalosti z oblasti metalografie a mechanických zkoušek kovů a jejich slitin 18.9 umí základním způsobem kriticky hodnotit jednotlivé typy kovových materiálů vzhledem k jejich vlastnostem a vhodným aplikacím v technické praxi Příklad, uvedení vzorového úkolu Stolní jiskrový optický emisní spektrometr Q4 Tasman je navržen pro měření velkého množství vzorků a lze jej využít pro analýzu prakticky všech kovových materiálů. Vyniká svou analytickou výkonností, nejnižšími provozními náklady, spolehlivostí, stabilitou a správností měření. Na VŠTE jsou dostupné kompletní kalibrační moduly pro odpovídající báze, jako Fe, Al, Cu, Ni, Co, Ti, Mg, Zn, Sn a Pb.

73 Příklad výsledku analýzy: Zadání samostatné práce (úkolu) Na základě pokynů vyučujícího analyzujte v rámci semináře (3.5) připravené vzorky. 1. Podle typu slitiny vyberte v programu vhodný typ materiálové báze. 2. Sledujte průběh výměny akčních členů, kterou realizuje vyučující. 3. Připravte kalibrační sadu a sledujte průběh kalibrace. 4. Proveďte vlastní měření na vyučujícím vybraných vzorcích. 5. Vyexportujte protokol s výsledným chemickým složením. Studijní literatura Povinná literatura [1] SKÁLOVÁ, Jana, KOUTSKÝ, Jaroslav a MOTYČKA, Vladislav. Nauka o materiálech. V Plzni: Západočeská univerzita, s. ISBN: [2] SKÁLOVÁ, Jana, KOVAŘÍK, Rudolf, BENEDIKT, Vladimír. Základní zkoušky kovových materiálů. 4. vyd. - dotisk. Plzeň: Západočeská univerzita, s. ISBN

74 3.8 Zkoušky tahem a rázem v ohybu: příprava na praktická cvičení; práce s normami pro hodnocení jednotlivých druhů kovů a slitin. Příprava vybraných typů protokolů Klíčová slova slitiny, mechanické zkoušky, normy, protokoly Cíle kapitoly Cílem semináře je navázat na přednášky a studentům umožnit blíže nahlédnout do problematiky mechanického zkoušení kovových materiálů. Seminář je chápan jako úvod do následujících dvou kapitol (3.9, 3.10), ve kterých pak bude práce více zaměřena na vlastní realizace či sledování zkoušky tahové, resp. rázem v ohybu. Výstupy z učení 18.5 má základní znalosti z oblasti metalografie a mechanických zkoušek kovů a jejich slitin 18.9 umí základním způsobem kriticky hodnotit jednotlivé typy kovových materiálů vzhledem k jejich vlastnostem a vhodným aplikacím v technické praxi Příklad, uvedení vzorového úkolu Zkoušení kovových materiálů je v technické praxi nezbytnou součástí jak vlastního výrobního postupu, tak i kontroly jakosti výrobků a polotovarů. Slouží tedy jak výrobci, tak i spotřebiteli. Zkoušení materiálu je však také důležitým prostředkem a základem vývojových a výzkumných prací. Pro pevnostní výpočty strojních součástí a zařízení má rozhodující význam soubor vlastností, které se označují jako vlastnosti mechanické. Vyjadřuji chování materiálu za působení vnějších sil. Mechanické vlastnosti představují napěťové a deformační charakteristiky materiálu. Zkouška tahem patří mezi nejdůležitější mechanické zkoušky. Cílem je stanovit tahový diagram a určit základní mechanické charakteristiky (Re, Rm, A, Z), případně další napěťové a deformační charakteristiky, např. R0,005, εf atd.

75 Zkouška rázem v ohybu patří k dalším významným a v praxi používaným analýzám zaměřených na prověření mechanických vlastností strojírenských materiálů, schematicky je znázorněna na obrázku: Na hloubku vrubu je obzvlášť citlivý houževnatý materiál, křehký materiál je na ni poměrně necitlivý. U houževnatého materiálu se při rázu plasticky deformuje značný objem materiálu v okolí vrubu. S rostoucí hloubkou vrubu klesá tato deformace a při zkoušce zjistíme zmenšováni vrubové houževnatosti. U křehkého materiálu se zkušební tyč před rozlomením vůbec nedeformuje, takže se hloubka vrubu, nemůže uplatnit. Všeobecně platí, že mělčí a ostřejší vrub dovoluje jemnější rozlišení houževnatosti.

76 Zadání samostatné práce (úkolu) Definujte základní normy vztahující se ke zkouškám v tahu a rázu v ohybu. Připravte návrh laboratorních protokolů z těchto zkoušek. Studijní literatura Povinná literatura [1] SILBERNAGEL, Arnošt, HRUBÝ, Vojtěch, GREGER, Miroslav a NĚMEC, Jiří. Struktura, vlastnosti, zkoušení a použití kovů. Vyd. 1. Ostrava: Kovosil, s. ISBN [2] SKÁLOVÁ, Jana, KOVAŘÍK, Rudolf, BENEDIKT, Vladimír. Základní zkoušky kovových materiálů. 4. vyd. - dotisk. Plzeň: Západočeská univerzita, s. ISBN

77 3.9 Zkouška tahem: praktické cvičení; způsob přípravy vzorků, realizace zkoušek tahem, hodnocení výsledku zkoušky a tvorba protokolů Klíčová slova zkouška tahem, mez pružnosti, mez pružnosti, zkušební vzorky Cíle kapitoly Cílem semináře je podtrhnout význam jedné ze základních mechanických zkoušek standardně realizovaných u materiálů, které jsou následně aplikovány ve strojírenské praxi. Výstupy z učení 18.5 má základní znalosti z oblasti metalografie a mechanických zkoušek kovů a jejich slitin 18.9 umí základním způsobem kriticky hodnotit jednotlivé typy kovových materiálů vzhledem k jejich vlastnostem a vhodným aplikacím v technické praxi Příklad, uvedení vzorového úkolu Zkušební tyče kruhového průřezu s válcovými hlavami k upínání do rychloupínacích čelistí V průběhu zkoušky je tedy možno stanovit napětí jako podíl zatížení F a plochy původního průřezu SQ. Nazývá se smluvní jmenovité napětí:

78 Pracovní diagram zkoušky tahem měkké uhlíkové oceli Zadání samostatné práce (úkolu) Proveďte zkoušku tahem na zkušebních tyčích z měkké uhlíkové oceli a litiny. Stanovte základní mezní hodnoty napětí ve zkušební tyči z měkké uhlíkové oceli. Nakreslete tíhové diagramy zkoušeného materiálu a vyjádřete graficky závislost A - LQ a A - n. dq pro měkkou uhlíkovou ocel. Obsah zprávy z měření: 1. Postup měření 2. Schéma zkušebních tyčí 3. Výpočet základních hodnot a sestavení tabulek 4. Grafické vyhodnocení 5. Závěr - zhodnocení zkoušky Provedení zkoušky a zpracování výsledků je předepsáno ČSN

79 Postup měření: a) pro uhlíkovou ocel 1. Proměřeni a orýsování zkušební tyče 2. Upnutí tyče do čelistí trhacího stroje 3. Kontrola a nastaveni registračního zařízeni 4. Plynulé zatěžování zkušební tyče 5. Odečteni síly na mezi kluzu při zkoušce a síly na mezi pevnosti po přetržení tyče 6. Proměřeni tyče po zkoušce 7. Zhodnocení lomové plochy b) pro litinu 1. Proměřeni zkušební tyče 2. Upnutí tyče do čelistí trhacího stroje 3. Kontrola a nastavení registračního zařízení 4. Plynulé zatěžování zkušební tyče do destrukce 5. Odečteni síly na mezi pevnosti po přetržení tyče 6. Zhodnocení lomové plochy Studijní literatura Povinná literatura [1] SILBERNAGEL, Arnošt, HRUBÝ, Vojtěch, GREGER, Miroslav a NĚMEC, Jiří. Struktura, vlastnosti, zkoušení a použití kovů. Vyd. 1. Ostrava: Kovosil, s. ISBN [2] SKÁLOVÁ, Jana, KOVAŘÍK, Rudolf, BENEDIKT, Vladimír. Základní zkoušky kovových materiálů. 4. vyd. - dotisk. Plzeň: Západočeská univerzita, s. ISBN

80 3.10 Zkouška rázem v ohybu: praktické cvičení; způsob přípravy vzorků, realizace zkoušek rázem, hodnocení výsledku zkoušky a tvorba protokolů Klíčová slova zkouška rázem, příprava vzorku, houževnatost, vrub, křehký lom, Charpyho kladivo Cíle kapitoly Cílem kapitoly/semináře je blíže studenty seznámit s další z významných zkoušek prověřující mechanické vlastnosti strojírenských materiálů vrubovou houževnatostí. Ukázky výsledků a možnost vyzkoušet si tuto experimentální činnost prohloubí znalosti studentů z této oblasti. Výstupy z učení 18.5 má základní znalosti z oblasti metalografie a mechanických zkoušek kovů a jejich slitin 18.9 umí základním způsobem kriticky hodnotit jednotlivé typy kovových materiálů vzhledem k jejich vlastnostem a vhodným aplikacím v technické praxi

81 Příklad, uvedení vzorového úkolu Zadání samostatné práce (úkolu) 1. Popište princip zkoušky rázem v ohybu (ZRO). Nakreslete (narýsujte) a okótujte standardní zkušební těleso pro ZRO a) s V-vrubem, b) s U-vrubem.

82 2. Odvoďte rovnici pro hodnotu nárazové práce při ZRO na Charpyho kladivu. Definujte její fyzikální význam. Pomocí odvozené rovnice vypočtete a) nominální energii standardního rázového kladiva, b) výchozí úhel kladiva pro případ, kdy požadovaná nominální energie kladiva je 150 J. 3. Nakreslete schematicky teplotní závislost nárazové práce K a teplotní závislost vzhledu lomu (podíl tvárného lomu na lomové ploše). Vyznačte charakteristické oblasti tranzitní křivky a popište je. Do grafu zakreslete nejčastěji používané tranzitní teploty a uveďte, jak jsou definovány. Studijní literatura Povinná literatura [1] SILBERNAGEL, Arnošt, HRUBÝ, Vojtěch, GREGER, Miroslav a NĚMEC, Jiří. Struktura, vlastnosti, zkoušení a použití kovů. Vyd. 1. Ostrava: Kovosil, s. ISBN [2] SKÁLOVÁ, Jana, KOVAŘÍK, Rudolf, BENEDIKT, Vladimír. Základní zkoušky kovových materiálů. 4. vyd. - dotisk. Plzeň: Západočeská univerzita, s. ISBN

83 3.11 Binární diagramy slitin železa: metastabilní (Fe-Fe3C) a stabilní (Fe-C) Klíčová slova slitiny železa, binární diagram, metastabilní soustava, stabilní soustava Cíle kapitoly Cílem kapitoly je doplnit předané poznatky a ověřit pochopení výkladu přednášek prostřednictvím intepretace binárních diagramů slitin železa. Výstupy z učení 18.4 má základní znalosti z oblasti tuhnutí a krystalizace kovů a slitin, segregačních jevů a fázových přeměn v tuhém stavu 18.7 dovede realizovat základní rozbor binárních rovnovážných diagramů slitin železa i neželezných kovů 18.9 umí základním způsobem kriticky hodnotit jednotlivé typy kovových materiálů vzhledem k jejich vlastnostem a vhodným aplikacím v technické praxi Příklad, uvedení vzorového úkolu Soustava železo uhlík Po překročení jeho rozpustnosti v železe se uhlík může vyskytovat ve dvou formách: jako chemická sloučenina, karbid železa Fe3C, s hmotnostním obsahem uhlíku 6,69 %, označovaná jako cementit jako čistý uhlík ve formě grafitu Systém s uhlíkem ve formě cementitu označujeme jako soustavu metastabilní, systém s grafitem jako soustavu stabilní, Podle soustavy metastabilní se chovají většinou oceli. Ocel je slitina železa, uhlíku a dalších prvků s obsahem uhlíku do 2,11 %. Podle soustavy stabilní se chovají grafitické litiny. Litina je slitina železa, uhlíku a dalších prvků s obsahem uhlíku více než 2,11 %.

84 Diagram železo uhlík metastabilní (fázový) Diagram železo uhlík stabilní (fázový)

85 Diagram Fe C metastabilní - austenit, ledeburit V oblasti omezené rozpustnosti se nachází tuhý roztok uhlíku v železe γ, který se označuje jako austenit. Maximální rozpustnost uhlíku v austenitu, jak vyplývá z diagramu, je 2, 11 % při teplotě 1148 C. Eutektikem je směs austenitu a eutektického cementitu, označovaná jako ledeburit. Eutektická koncentrace uhlíku je 4,3 %. Diagram Fe C metastabilní - primární cementit. V oblasti nadeutektické koncentrace uhlíku krystalizuje z taveniny primární cementit. Proto také eutektikum je tvořeno směsí krystalů tuhého roztoku (austenitu) a cementitu. Cementit je v této soustavě rovnovážnou fází a jakmile někde vznikne, už se dále nemění. Diagram Fe C metastabilním- sekundární cementit V oblasti pod solidem na straně železa (omezená rozpustnost v tuhém stavu), se nachází segregační čára, která vyjadřuje pokles rozpustnosti uhlíku v austenitu s klesající teplotou. Přebytečný uhlík segreguje po hranicích zrn austenitu jako sekundární cementit a koncentrace uhlíku v austenitu postupně klesá, až při teplotě 727 C dosáhne hodnoty 0,77 %. V oblasti pod solidem na straně železa (omezená rozpustnost v tuhém stavu), se nachází segregační čára, která vyjadřuje pokles rozpustnosti uhlíku v austenitu s klesající teplotou. Přebytečný uhlík segreguje po hranicích zrn austenitu jako sekundární cementit a koncentrace uhlíku v austenitu postupně klesá, až při teplotě 727 C dosáhne hodnoty 0,77 %. Diagram Fe C metastabilní Za těchto podmínek (teplota 727 C a koncentrace uhlíku 0,77 %) dochází k rozpadu austenitu. Bod v diagramu se označuje jako eutektoidní, stejně tak jako produkt rozpadu se označuje jako eutektoid. Diagram Fe C metastabilní -ferit V metastabilní soustavě Fe C s klesající teplotou (od teploty 910 C) dochází u slitin s nízkým obsahem uhlíku vlivem překrystalizace železa k vylučování dalšího tuhého roztoku z autenitu. Je to tuhý roztok uhlíku v železe α označovaný jako ferit. Podle diagramu je zřejmé, že maximální obsah uhlíku ve feritu je 0,018 % při teplotě 727 C.

86 Diagram Fe C metastabilní -perlit Pod eutektoidní teplotou i u feritu klesá rozpustnost uhlíku podél segregační čáry a vylučuje se terciární cementit. Je ho však velmi malé množství, které obvykle není ani viditelné optickou mikroskopií. Eutektoidní rozpad tuhého roztoku se v metastabilní soustavě Fe C označuje jako perlitická přeměna a produkt rozpadu jako perlit. V této soustavě je to směs feritu a perlitického cementitu. Diagram Fe C metastabilní -transformovaný ledeburit Eutektoidní rozpad austenitu na perlit při eutektoidní teplotě probíhá i v rámci transformace ledeburitu. Ledeburit se přechodem přes eutektoidní teplotu mění na ledeburit transformovaný Podle diagramu metastabilní soustavy se chovají především oceli. Oceli s obsahem uhlíku pod 0,77 % se nazývají podeutektoidní a používají se jako konstrukční, oceli s vyšším obsahem uhlíku se nazývají nadeutektoidní, jsou to obvykle oceli nástrojové. Diagram Fe C metastabilní -bílá litina Slitiny železa s vyšším obsahem uhlíku než 2,11 % chovající se metastabilně se označují jako bílé litiny. Podle obsahu uhlíku se dělí na podeutektické a nadeutektické. Rozdíl mezi eutektickou a eutektoidní reakcí: eutektikum vzniká z fáze kapalné, eutektoid rozpadem tuhého roztoku tedy z fáze pevné. Shoda: eutektikum i eutektoid jsou směsí tuhých fází. Diagram Fe-C stabilní Oproti diagramu metastabilnímu je posunut mírně směrem vlevo nahoru tj. směrem k vyšším teplotám a nižším koncentracím uhlíku Stabilní složkou je grafit, proto jeho pravá osa je posunuta až do 100 % C Grafit se objevuje všude tam, kde v metastabilní soustavě byl cementit Primární grafit krystalizuje z taveniny při koncentraci uhlíku vyšší než eutektická (4,26 % C a teplota 1152 C). Eutektikum v stabilní soustavě Fe-C je tvořeno směsí austenitu a eutektického grafitu a nazývá se grafitové eutektikum GEM.

87 Při přechodu přes eutektoidní teplotu (738 C) transformuje na GEM transformované, přičemž austenit se přeměnil na GED - grafitový eutektoid, směs feritu a eutektoid-ního grafitu. Pod eutektickou teplotou z austenitu segreguje sekundární grafit při eutektoidní teplotě a koncentraci (738 C, 0,68 % C) se austenit rozpadá na grafitový eutektoid GED, který je tvořen směsí feritu a eutektoidního grafitu Zadání samostatné práce (úkolu) Nakreslete a popište diagram železo uhlík metastabilní (strukturní). Studijní literatura Povinná literatura [1] SKÁLOVÁ, Jana, KOUTSKÝ, Jaroslav a MOTYČKA, Vladislav. Nauka o materiálech. V Plzni: Západočeská univerzita, s. ISBN: [2] SILBERNAGEL, Arnošt, HRUBÝ, Vojtěch, GREGER, Miroslav a NĚMEC, Jiří. Struktura, vlastnosti, zkoušení a použití kovů. Vyd. 1. Ostrava: Kovosil, s. ISBN [3] SKÁLOVÁ, Jana, KOVAŘÍK, Rudolf, BENEDIKT, Vladimír. Základní zkoušky kovových materiálů. 4. vyd. - dotisk. Plzeň: Západočeská univerzita, s. ISBN

88 3.12 Vybrané binární diagramy neželezných kovů (Ni, Ti, Al, Cu, Zn, Mg) Klíčová slova neželezné kovy, binární systémy, praktická aplikace, interpretace Cíle kapitoly Cílem kapitoly je umožnit studentům rámcově se seznámit s příklady reálných v praxi využívanými slitinami neželezných kovů v souvislostech přesahujících výklad binárních diagramů realizovaný v rámci přednášek. Výstupy z učení 18.4 má základní znalosti z oblasti tuhnutí a krystalizace kovů a slitin, segregačních jevů a fázových přeměn v tuhém stavu 18.7 dovede realizovat základní rozbor binárních rovnovážných diagramů slitin železa i neželezných kovů 18.9 umí základním způsobem kriticky hodnotit jednotlivé typy kovových materiálů vzhledem k jejich vlastnostem a vhodným aplikacím v technické praxi Příklad, uvedení vzorového úkolu Hliník tvoří s většinou přísadových kovů tuhé roztoky. Maximální rozpustnost v tuhém stavuje dána eutektickou teplotou, s klesající teplotou rozpustnost klesá a při teplotě okolí je většinou zanedbatelná. Základní typ binárních diagramů AI - M představuje obrázek. Nejvýznamnější jsou slitiny hliníku s hořčíkem, křemíkem, manganem, mědí a niklem; běžné jsou i ternární slitiny. Malá přísada dalších prvků (Cr, Ti, Mo, Pb ) ovlivňuje některé vlastnosti slitiny. Nejdůležitější údaje k technicky významným slitinám hliníku udává tabulka. V binárních systémech se z přesyceného tuhého roztoku vylučuje buď intermediální fáze (Cu, Mg, Mn), nebo tuhý roztok bohatý na přísadový kov, nebo prakticky čistá druhá složka (Si, Zn). Rozpustnost železa a niklu v hliníku je velmi malá, a proto jsou v binárních slitinách vyloučeny tyto prvky v podobě přechodných fází již od nepatrných koncentrací.

89 T t Al c0 c1 c 2 - M Binární diagran AI - M 1 - slitiny tvářené, 2 - slitiny slévárenské, 3 - slitiny vytvrditelné, 4 - slitiny nevytvrditelné Přísadové prvky ve slitinách hliníku způsobují zvýšení pevnosti buď vyloučením tvrdé fáze již při tuhnutí slitiny (železo), nebo přítomností prvku v tuhém roztoku (křemík). Významného zvýšení pevnosti se dosahuje precipitačním vytvrzováním. Zvyšování pevnosti má většinou za následek snížení tvárnosti - nepříznivý vliv má zvláště železo, jehož obsah musí být ve slitinách k tváření držen na nízké úrovni. Příznivě na tvárnost i houževnatost naopak působí nikl a mangan, který kompenzuje škodlivý vliv železa. Přísadové prvky ovlivňují též korozní odolnost hliníkových slitin. Nepříznivě působí Cu a Fe, pozitivní vliv má Mg, Mn,Si, Zn a Ni. Systém T i ( C) Hmotnostní procenta C0 C1 C2 Vytvrzující fáze Al-Cu 548 0,1 5,65 33 Al 2 Cu AI-Mg 451 1,9 14,9 34,5 Al 3 Mg 2 AI-Si 577 0,01 1,65 11J Si Al-Fe 655 0,005 0,06 1,9 Al 3 Fe Al-Mn 658-1,82 1,95 AlgMn Charakteristika technicky významných slitin hliníku