Nauka o materiálu I. Strojírenství. Ing. Martin Podařil, PhD České Budějovice

Transkript

1 Nauka o materiálu I Strojírenství Ing. Martin Podařil, PhD České Budějovice 1

2 Tento učební materiál vznikl v rámci projektu "Integrace a podpora studentů se specifickými vzdělávacími potřebami na Vysoké škole technické a ekonomické v Českých Budějovicích" s registračním číslem CZ.1.07/2.2.00/ Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 1. vydání ISBN Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích, 2014 Vydala: Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích, Okružní 10, České Budějovice Za obsahovou a jazykovou správnost odpovídají autoři a garanti příslušných předmětů. 2

3 Obsah Kapitola 1 - Úvod do studia materiálové problematiky Strojírenské materiály Kovy a jejich slitiny Polokovy Nekovy Kapitola 2 - Základy nauky o kovech Vazby mezi atomy Krystalová mřížka a její nedokonalosti Poruchy krystalické mřížky Bodové poruchy Čárové poruchy Plošné vady Prostorové vady Kapitola 3 - Základní související termodynamické pojmy Základní pojmy Termodynamická soustava Složky termodynamické soustavy Fáze termodynamické soustavy Fázové pravidlo Difuze Základní pojmy a význam Mechanizmy difuze

4 Kapitola 4 - Kovy a slitiny za působení vnějších sil Elastická deformace Anelastická deformace Plastická deformace a deformační zpevnění Plastická deformace monokrystalu Plastická deformace polykrystalu Zpevňování kovu Houževnatost materiálu Únava materiálu Tečení a relaxace Tečení a lom při tečení Relaxace Kapitola 5 - Čisté kovy a slitiny, stavba kovových soustav Čisté kovy Slitiny Tuhé roztoky Substituční tuhé roztoky Intersticiální tuhé roztoky Intermediální fáze Elektrochemické sloučeniny Sloučeniny určené velikostním faktorem Elektronové sloučeniny Kapitola 6 - Fázové přeměny v kovových soustavách

5 6.1 Krystalizace kovů Krystalizace čistých kovů Fázové přeměny v tuhém stavu Fázové přeměny s tepelně aktivovaným růstem Kapitola 7 - Rovnovážné diagramy binárních soustav Diagramy s úplnou rozpustností složek v kapalném i tuhém stavu Pákové pravidlo Diagramy s omezenou rozpustností složek v tuhém stavu Diagram slitin s úplnou nerozpustností složek v tuhém stavu Kapitola 8 - Technické slitiny železa Čisté železo Vliv doprovodných prvků na vlastnosti slitin železa Vliv manganu Vliv křemíku Vliv fosforu Vliv síry Vliv kyslíku Vliv dusíku Vliv vodíku Kapitola 9 - Fázový a strukturní rozbor slitin železa s uhlíkem Uhlík ve slitinách železa Metastabilní soustava železo - karbid železa Stabilní soustava železo - grafit

6 Kapitola 10 - Základy tepelného zpracování ocelí a litin Tepelné zpracování slitin železa Žíhání Kalení a popouštění Chemicko-tepelné zpracování Cementování Nitridování Boridování Mechanicko-tepelné zpracování Kapitola 11 - Označování ocelí Systémy označování ocelí Systém zkráceného označování Systém číselného označování (EN ) Konstrukční ocele Konstrukční oceli obvyklých jakostí Konstrukční ocele ušlechtilé Oceli a slitiny se zvláštními vlastnostmi Nástrojové oceli Uhlíkové nástrojové oceli Slitinové nástrojové oceli Rychlořezné oceli Kapitola 12 - Neželezné kovy a jejich slitiny Měď a její slitiny

7 Slitiny mědi se zinkem Hliník a slitiny hliníku Slitiny hliníku Cín Olovo Měkké pájky Kompozice Zinek Kapitola 13 - Kovové materiály pro výrobu částí výrobních strojů Konstrukční oceli Oceli a slitiny se zvláštními vlastnostmi Oceli a slitiny se zvláštními fyzikálními vlastnostmi Oceli na odlitky Použitá literatura

8 Kapitola 1 - Úvod do studia materiálové problematiky KLÍČOVÉ POJMY metalografie, kov, slitina, polokov, nekov CÍLE KAPITOLY Po prostudování této kapitoly bude student umět: Z jakých technických materiálů se vyrábějí strojní součásti Vysvětlit pojem metalografie Charakterizovat kovy a jejich slitiny Charakterizovat polokovy a nekovy a uvést několik příkladů 4-6 hodin ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU U KAPITOLY VÝKLAD 1.1 Strojírenské materiály Konstruktér, který navrhuje strojní součást, určuje kromě velikosti a tvaru také druh materiálu. Při volbě materiálů bude rozhodovat druh a velikost namáhání,, jemuž je součást 8

9 vystavena, a to jak v průřezu, tak na povrchu. Povrch součástí je namáhán třením, které vyvolávají tlaky na povrch součásti a vlivy prostředí (voda, pára, chemické látky ), ve kterém plní svou funkci. Často ovlivní volbu materiálu i teplota prostředí, ve kterém součást pracuje, protože mění jeho mechanické a jiné vlastnosti. Při volbě materiálu musíme uvažovat souhrnné působení všech provozních podmínek na chování navrhované součásti jako celku: mechanická pevnost deformace kluznost, otěruvzdornost, schopnost útlumu rázů a tepelná vodivost (u pohybujících se součástí) elektroizolační a dielektrické vlastnosti chemická odolnost (při vyšší teplotě se obvykle zhoršuje) tepelná odolnost tvarová stálost odolnost proti stárnutí a povětrnostním vlivům odolnost proti hoření Strojní součásti se vyrábějí z technických materiálů, které lze rozdělit na: a) technické kovy technické železo oceli k tváření na odlitky 9

10 litiny šedé (tvárné) bílé (temperované) neželezné kovy těžké lehké b) nekovové materiály anorganické přírodní (diamant, azbest, grafit) umělé (sklo, keramika, kamenina) organické přírodní (dřevo, korek, kůže, textilie) umělé pryž, papír plastomery, duromery, elastomery Pro volbu vhodného materiálu jsou rozhodující jeho vlastnosti ve vztahu k provozním podmínkám, funkci a způsobu výroby součásti. Metalografie je nauka, která se zabývá pozorováním a zkoumáním vnitřní stavby (struktury) kovů a slitin. Stanoví, jak tato stavba souvisí s chemickým složením, teplotou a tepelným nebo mechanickým zpracováním. 10

11 1.1.1 Kovy a jejich slitiny Pojem kov se vztahuje na prvek, který má většinu z těchto vlastností: 1. Charakteristický lesk tj. vysokou odrazivost pro viditelné světlo 2. Velkou tažnost a kujnost 3. Velkou tepelnou a elektrickou vodivost 4. Velký elektropozitivní charakter Mezi kovy a nekovy není přesná hranice. Některé prvky na hranici mezi kovy a nekovy mají vlastnosti obou skupin. Čisté kovy se vyznačují malou pevností a velkou tvárností. Proto je nemůžeme, až na malé výjimky, v technické praxi použít. Abychom je mohli v dostatečné míře používat, musíme jim dát ty vlastnosti, které jim chybí - tj. potřebnou tvrdost, pevnost a houževnatost. Tyto vlastnosti získá kov tím, že k základnímu kovu přidáme jeden nebo více přísadových kovů nebo nekovů (tzv. legur). Tyto legovací prvky změní vlastnosti základního kovu - vytvořili jsme slitinu. Slitiny mohou vzniknout několika způsoby: 1. Slitím dvou nebo více roztavených kovů, 2. Rozpuštěním malých kousků tuhého přísadového kovu či nekovu ve velkém množství roztaveného kovu základního, 3. Difuzí tak, že jeden kov ve stavu tuhém, obalený práškovým kovem druhým, žíháme, nebo že páry kovu nebo nekovu necháme působit na druhý kov za vysoké teploty. 11

12 Podle počtu složek dělíme slitiny na: 1. Podvojné (binární)- obsahují dvě složky, 2. Potrojné (ternální)- obsahují tři složky, 3. Počtverné (kvaternární)- obsahují čtyři složky, 4. Komplexní - obsahují více než čtyři složky. Charakteristickou vlastností slitin je, že všechny krystalizují. Skládají se z více nebo méně dokonalých krystalů. Jde-li o homogenní slitinu, obsahuje pouze krystaly jednoho druhu, heterogenní slitina je tvořena krystaly dvou a více druhů. Složky, které tvoří slitinu, nazýváme komponenty. Vlastnosti slitin se úplně liší od vlastností kovů, ze kterých vznikly. Kovy jsou hojně průmyslově využívány pro svoje ojedinělé fyzikální vlastnosti a pro snadnou zpracovatelnost, vyskytují se převážně ve sloučeninách - rudách. Tzv. drahé kovy se však obvykle vyskytují v ryzí formě, protože tvoří sloučeniny pouze velmi obtížně. Mezi známé kovy patří: Antimon, baryum, beryllium, bismut, cer, cesium, cín, draslík, gallium, hliník, hořčík, chrom, indium, iridium, kadmium, kobalt, lanthan, lithium, mangan, měď, molybden, nikl, olovo, osmium, palladium, platina, rhodium, rtuť, rubidium, skandium, sodík, stříbro, stroncium, thalium, titan, uran, vanad, vápník, wolfram, yttrium, zinek, zlato, železo. Typickými slitinami, známými z běžného života, jsou např.: Amalgámy, alpaka, bronz (dělovina, zvonovina), dural, mosaz, ocel. 12

13 1.1.2 Polokovy Polokovy tvoří společně s kovy a nekovy tři hlavní skupiny chemických prvků. Rozdělení je prováděno s ohledem na vazebné a ionizační vlastnosti prvků. Jejich vlastnosti tvoří přechod mezi kovy a nekovy. Je velmi obtížné rozlišit kovy a nekovy, konvenčně se za polokovy považují polovodiče. Seznam polokovů: Bor, Křemík, Germanium, Arsen, Antimon, Tellur, Polonium, Astat Nekovy Nekovy jsou jedna ze tří skupin chemických prvků. Nekovy mají vysokou elektronegativitu,, tzn. že jejich valenční elektrony jsou pevně poutány k atomu. Mezi nekovy patří halogeny (fluor, chlor, brom, jód, astat), inertní plyny (helium, neon, argon, krypton, xenon, radon) a také tyto prvky: Vodík, Uhlík, Dusík, Kyslík, Fosfor, Síra, Selen. Známe pouze 18 nekovů, zatímco kovů je známo více než osmdesát. Ale koncentrace nekovů na Zemi je podstatně vyšší než koncentrace kovů. STUDIJNÍ MATERIÁLY povinná literatura SKÁLOVÁ, J., KOUTSKÝ, J. a V. MOTYČKA, Nauka o materiálech.. 2. vyd. Plzeň: Západočeská univerzita, 232 s. ISBN PTÁČEK, L. a kol., Nauka o materiálu I. Brno: CERM. FREMUNT, P. a T. PODRÁBSKÝ, Konstrukční oceli.. Brno: CERM. 13

14 SKÁLOVÁ, J., BENEDIKT, V. a R. KOVAŘÍK, Základní zkoušky kovových materiálů. Plzeň: Západočeská univerzita, 175 s. ISBN PLUHAŘ, J., Nauka o materiálech Celostátní učebnice pro skupinu studijních oborů Strojírenství a ostatní kovodělná výroba.. 1. vyd. Praha: SNTL, 549 s. MACEK, K. a kol., Nauka o materiálu.. Praha: ČVUT Praha. doporučená literatura PTÁČEK, L. a kol., Nauka o materiálu II.. Brno: CERM. OTÁZKY A ÚKOLY 1. Z jakých technických materiálů se vyrábějí strojní součásti? 2. Vysvětlete pojem metalografie. 3. Charakterizujte kovy a jejich slitiny. 4. Charakterizujte polokovy a nekovy a uveďte několik příkladů. KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK Viz výklad. 14

15 Kapitola 2 - Základy nauky o kovech KLÍČOVÉ POJMY vnitřní stavba kovů, vazby atomů, molekula, krystal, krystalografie, mřížka CÍLE KAPITOLY Po prostudování této kapitoly bude student umět: Popsat vnitřní stavbu kovů Charakterizovat vazby mezi atomy Vysvětlit pojem krystalografie Popsat jednotlivé typy krystalografické rafické mřížky a jejich poruchy 4-6 hodin ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU U KAPITOLY VÝKLAD 2.1 Vazby mezi atomy V kovech v tuhém stavu jsou jednotlivé atomy v takových vzdálenostech, při nichž jsou přitažlivé a odpudivé síly ve vzájemné rovnováze. Jsou-li tyto síly v rovnováze, je za dané 15

16 teploty vzdálenost mezi atomy konstantní. Tyto přitažlivé a odpudivé síly, zvané vazební síly, jsou elektrostatického původu a jsou ovlivněny uspořádáním elektronů v atomovém obalu. Energie vazby mezi atomy určuje i práci, kterou je třeba vynaložit na jejich oddálení z rovnovážné polohy Mezi základní vazby mezi atomy patří: Iontová (heteropolární) vazba je nejjednodušší vazba, která spočívá v elektrické přítažlivosti mezi elektropozitivními (uvozují ze svého obalu jeden a více elektronů) a elektronegativními (vážou elektrony) ionty. Elektropozitivní atom půjčí jeden elektron sousednímu elektronegativnímu atomu. Mezi dvojicí různých takto vzniklých iontů vznikne přitažlivá elektrostatická síla a atomy se pak mohou uspořádat do krystalu. Iontová vazba se vyskytuje u prvků, které leží v periodické obrlce blízko vzácných plynů. Příkladem je sloučenina NaCl. Kovalentní vazba (homopolární), je na rozdíl od iontové vazby charakterizována společnými dvojicemi valenčních elektronů elektricky neutrálních atomů. Tyto elektrony jsou potom polovinu doby v oblasti vlivu jednoho atomového jádra a polovinu doby v oblasti vlivu druhého atomového jádra. Tato vazba je velmi silná, takže ani táním nebo rozpuštěním se molekuly nemění. Příkladem této vazby je např.: H 2 O, CO 2. Pro kovy je nejdůležitější vazba kovová, která se podobá vazbě kovalentní. Jakmile se atomy kovů k sobě přiblíží a vytvoří krystalickou strukturu, valenční elektrony se jako plyn volně pohybují mezi ionty, kterými jsou kationty, čímž vyvolají vazebné síly. Tento volný pohyb valenčních elektronů se označuje jako valenční mrak a způsobuje dobrou elektrickou a tepelnou vodivost kovů. Projevuje se především u prvků, které mají nízký počet elektronů ve vnější sféře, což jsou právě především kovy. Ostatní vazby jsou pro kovy a jejich slitiny nepodstatné. 16

17 Vazba van der Waalsova je běžná u prvků nebo chemických sloučenin s velmi stabilní valenční skupinou, což jsou např. inertní plyny. Jejich molekuly jsou v plynném stavu jednoatomové a neslučují se s jinými atomy. Mají mimořádně nízký bod varu a tím mají ze všech prvků nejmenší meziatomovou soudržnost. Tato slabá vazba umožňuje vytvoření krystalického stavu až při velmi nízkých teplotách. Příkladem jsou parafín, led (voda), organické látky. Vazby van der Waalsovy jsou nejvýznamnější u makromolekulárních látek. Vodíková vazba (vodíkový můstek) vzniká v důsledku vazby H na silně elektronegativním prvku (F, N, O), čímž se na H přenáší kladný elektrický náboj protonu. Uvedené typy vazeb představují ideální mezní případy. Ve skutečnosti se různé jevy překrývají, takže reálné pevné látky jsou tvořeny součinností až několika druhů vazeb. Určit všechny tyto vazby a jejich podíl v daném materiálu je velmi obtížné. 2.2 Krystalová mřížka a její nedokonalosti Technické materiály se dělí na látky amorfní a krystalické. Amorfní (beztvaré) látky jsou zpravidla látky plynné, kapalné a makromolekulární. Tuhé amorfní látky (sklo, struska) se považuji za velmi husté kapaliny ve stavu silně přechlazeném. Amorfní látky jsou charakterizovány izotropii (stejné vlastnosti ve všech směrech). Mezi amorfní látky se řadí i kovová skla, u nichž rychlost chladnutí taveniny dosáhla extrémně vysokých hodnot (10 5 až 10 6 K.s -1 ) Krystalické látky se vyznačují tím, že vnitřní síly při změně skupenství při přechodu ze stavu kapalného do tuhého řadí atomy a molekuly ve zcela přesném pořadí a vzniká útvar krystalický. Každý krystal má zcela přesné uspořádání ve svém vnějším tvaru, které je dáno jeho prostorovou (krystalovou) mřížkou. Veškeré kovy jsou (s výjimkou rtuti) za teploty okolí (tj. 20 C) látky tuhé a krystalické. Z elementárních buněk se jejich pravidelným opakováním vytvoří krystalická struktura. Mřížka krystalické struktury tvoří prostorovou krystalovou mřížku. Z krystalické struktury jsou pak složena jednotlivá zrna. 17

18 Ideálně vyvinutá zrna se nazývají krystaly, které se v praxi běžně nevyskytují. Vyznačují se rovinnými stěnami, mezi nimiž se zákonitě opakují stejné úhly. Krystaly tvoří polyedrickou strukturu (tj. strukturu, jejíž tvar se blíží tvaru šestiuhelníka) tehdy, když tavenina tuhne volně a ze všech stran rovnoměrně. Monokrystal (krystalový jedinec) je útvar, v němž jsou všechny elementární mřížky orientovány ve stejném smyslu. Monokrystal je uměle vytvořený samotný krystal, který lze laboratorně připravit z taveniny při přesné kontrole podmínek tuhnutí. Monokrystalům se také říká whiskery. Skutečné krystaly kovů se nazývají krystality. Nemají tak dokonale se opakující skladby atomů a vyskytují se v nich různé nedokonalosti a nepravidelnosti. Vznikají již při tuhnutí a jejich množství se zvětšuje plastickou deformací nebo transformacemi při rychlém ochlazení. Jejich náhodným uspořádáním vzniká polykrystal, který má v důsledku této nahodilosti izotropní vlastnosti. Orientace krystalitů může však být tvářením za studena usměrněna. Technické kovy jsou polykrystalické. Při umístnění mřížky elementární buňky do trojrozměrného pravoúhlého souřadnicového systému lze všechny buňky podle velikosti úhlů a délek úseček, které tvoří tvar buňky, zařadit do jedné ze 7 krystalografických soustav. V každé této soustavě mohou existovat až 4 typy základních mřížek: mřížka prostá, bazálně středěná, prostorově středěná a plošně středěná. Elementární buňka prostá (primitivní) je ze všech čtyřech typů nejjednodušší. Přísluší jí 1 atom, protože každý její rohový atom je společný 8 sousedním buňkám. Elementární buňka bazálně středěná obsahuje kromě rohových atomů ještě po jednom atomu ve spodní a horní základně (bázích), který je umístěn ve středu každé podstavy. Každý z nich přísluší svou jednou polovinou i buňce sousední. Jedné elementární buňce bazálně centrované přísluší tedy celkem 8/8 + 2/2 = 2 atomy. Elementární buňka prostorově středěná (stereocentrická) obsahuje kromě rohových atomů ještě jeden atom umístněný ve středu rovnoběžnostěnu. Jedné buňce přísluší pak celkem = 2 atomy. 18

19 Elementární buňka plošně středěná (planicentrická) obsahuje kromě rohových atomů ještě ve středu každé stěny jeden atom. Jedné buňce tak přísluší 8/8 + 6/2 = 4 atomy. Většina technicky důležitých kovů krystalizuje v soustavě krychlové plošně středěné, krychlově tělesně a šesterečné. Obr. 1. Základní krystalová buňka (Chotěborský, 2006) Celkem existuje 14 prostorových typů mřížek v 7 krystalografických soustavách: 1. trojklonná (triklinická) a b c; α β γ 90 ; existuje jen prostá mřížka 2. jednoklonná (monoklinická) a b c; α = β = 90 γ; existuje mřížka prostá a bazálně centrovaná 3. kosočtverečná (ortorombická) a b c; α = β = γ = 90 ; existují všechny 4 typy mřížek 4. čtverečná (tetragonální) a = b c; α = β = γ = 90 ; existuje mřížka prostá a prostorově centrovaná 5. trigonální (romboedrická) a = b = c ; 120 > α = β = γ 90 ; existuje jen mřížka prostá 6. šesterečná (hexagonální) a = b c ; α = β = 90 ; γ = 120 ; existuje jen mřížka bazálně centrovaná. Tato mřížka tvoří kolmý hranol, jehož podstavou je pravidelný šestiúhelník. 7. krychlová (kubická, regulární, teserální) a = b = c ; α = β = γ = 90 ; existuje mřížka prostá, prostorově centrovaná a plošně centrovaná. Tato mřížka tvoří krychli. 19

20 2.3 Poruchy krystalické mřížky V ideálním krystalu jsou atomy uloženy v místech minimální potenciální energie, to znamená, že každá porucha krystalické mřížky atomy z těchto poloh vychýlí a zvyšuje mřížkovou energii, deformuje průběh potenciálového pole mřížky, vysunuje okolní atomy z jejich středních poloh. Způsobuje tedy distorzi mřížky a vyvolává pnutí ve svém okolí. Z geometrického hlediska lze vady v krystalech rozdělit na: Bodové vady Čárové vady Plošné vady Prostorové vady Bodové poruchy Základní bodové poruchy krystalické mřížky jsou vakance a intersticiály v čistých kovech. V tuhých roztocích k nim přistupují ještě substituční a intersticiální příměsi. Tyto vady mohou tvořit ještě složitější útvary, které rovněž považujeme za bodové útvary: bivakance, párová porucha intersticiál - vakance, substituční příměs - vakance. Vakancí rozumíme neobsazenou uzlovou polohu krystalické mřížky včetně jejího blízkého okolí deformované mřížky. Intersticiál je mřížkový atom umístění v intersticiální poloze mimo uzlový bod. Rovněž intersticiál způsobuje distorzi mřížky. Tvarově podobné jsou poruchy mřížky příměsovými atomy. 20

21 Obr. 2. Druhy bodových poruch (Chotěborský, 2006) a - vakance, b - vlastní intersticiál, c - intersticiál příměsi, d - substituční atom příměsi Vlastnosti bodových poruch Vakance mohou vznikat na povrchu kovu jako tzv. Schottkyho poruchy přechodem atomu základní mřížky do uzlové polohy na povrchu nebo jako tzv. Frankelovy poruchy přechodem mřížkového atomu do intersticiální polohy. Vzniká tak párová porucha intersticiál - vakance. Vakance se rovněž v krystalu tvoří při primární krystalizaci. Jiné zdroje vakancí mohou být např. hranice zrn. Intersticiály vznikají snadno v krystalech s velkou meziatomovou vzdáleností. Všechny intersticiální polohy nemohou být obsazeny z důvodů elastické deformace okolí poruchy. S přechodem atomu do intersticiální polohy je spojena dilatace mřížky, se vznikem vakance komprese mřížky. Aktivační energie vzniku krystalické mřížky se dotuje z energie tepelných kmitů mřížky. Dodáme-li kovovému krystalu další energii z vnějšku, dochází ke generaci bodových poruch, jejichž hustota je větší než rovnovážná koncentrace. 21

22 2.3.2 Čárové poruchy Čárové poruchy krystalické mřížky vznikají přesunutím (dislokací) určitého množství atomů při skluzovém pohybu vzhledem k vrstvě sousední. Poruchy se nazývají dislokace. Obr. 3. Burgersova smyčka (Chotěborský, 2006) A) mřížka bez poruch, B) mřížka s hranovou dislokací, b - Burgersův vektor Obr. 3 znázorňuje smyčku z translačních vektorů vedenou neporušenou oblastí krystalu tak, že ve dvou směrech je vytvořena stejným počtem kroků v kladném a záporném smyslu (Burgersova smyčka). Je zřejmé, že pro oblast krystalu bez dislokace se smyčka uzavře. Přítomnost dislokace v krystalu vyvolává pružnou deformaci mřížky, které odpovídá napěťové pole okolo dislokace. Napěťové pole hranové dislokace má smykové i normálové složky. Napěťové pole šroubové dislokace má jen smykové složky, je válcově souměrné a napětí τ v kterémkoli místě pole je nepřímo závislé jen na vzdálenosti od dislokační čáry. Napěťová pole dislokací mají dlouhý dosah na rozdíl od napěťových polí bodových poruch. Zasahují celý krystal a navzájem na sebe působí. Významnou vlastností dislokací je schopnost pohybovat se krystalovou mřížkou. Hranové i šroubové dislokace se mohou pohybovat především skluzem ve skluzové rovině, překročí-li skluzové napětí v rovině a směru skluzu určitou mezní hodnotu. 22

23 Obr. 4. Modely hranové dislokace (a, b) (Chotěborský, 2006) a) postup určení jejího Burgersova vektoru b) + c) prostorový model Obr. 5. Model šroubové dislokace a určení jejího Burgersova vektoru b. (Chotěborský, 2006) Plošné vady Mezi plošné vady řadíme vrstevní chyby, vnitřní rozhraní (hranice subzrn, hranice zrn) a okrajové i volné plochy krystalů. Vnitřní rozhraní mohou oddělovat disorientované oblasti téže mřížky, nebo oblasti mřížky odlišného typu (různé fáze). Jsou tvořeny plošnými sítěmi dislokací a oddělují v rámci téhož zrna úseky mřížky subzrna, vzájemně odkloněné většinou jen o 1 až 2. Subzrna vznikají například při žíhání kovu po tváření za studena. 23

24 2.3.4 Prostorové vady Mají tloušťku jen několik mřížkových parametrů a odklon mřížek je větší než 15. Z hlediska uspořádanosti je to vysoce poruchová oblast, která má vyšší energii než mřížka uvnitř zrna a je charakterizována určitou energií. Proto se hranice zrna vyznačují specifickými fyzikálními i chemickými vlastnostmi, kterými jsou ovlivňovány některé pochody v polykrystalických materiálech: na hranicích zrn segregují příměsi, přednostně precipitují sekundární fáze, hranice ovlivňují mez kluzu, houževnatost, korozní odolnost aj. STUDIJNÍ MATERIÁLY povinná literatura SKÁLOVÁ, J., KOUTSKÝ, J. a V. MOTYČKA, Nauka o materiálech.. 2. vyd. Plzeň: Západočeská univerzita, 232 s. ISBN PTÁČEK, L. a kol., Nauka o materiálu I. Brno: CERM. FREMUNT, P. a T. PODRÁBSKÝ, Konstrukční oceli.. Brno: CERM. SKÁLOVÁ, J., BENEDIKT, V. a R. KOVAŘÍK, Základní zkoušky kovových materiálů. Plzeň: Západočeská univerzita, 175 s. ISBN PLUHAŘ, J., Nauka o materiálech Celostátní učebnice pro skupinu studijních oborů Strojírenství a ostatní kovodělná výroba.. 1. vyd. Praha: SNTL, 549 s. MACEK, K. a kol., Nauka o materiálu.. Praha: ČVUT Praha. doporučená literatura PTÁČEK, L. a kol., Nauka o materiálu II.. Brno: CERM. 24

25 OTÁZKY A ÚKOLY 1. Které vazby patří mezi základní vazby mezi atomy? 2. Charakterizujte vazby, které jsou podstatné pro kovy a jejich slitiny. 3. Charakterizujte 4 typy základních mřížek. 4. Rozdělte vady v krystalech podle geometrického hlediska a charakterizujte je. KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK Viz výklad. 25

26 Kapitola 3 - Základní související termodynamické pojmy KLÍČOVÉ POJMY látka, složka, fáze, chemická reakce, difuze CÍLE KAPITOLY Po prostudování této kapitoly bude student umět: Charakterizovat t základní termodynamické pojmy Vysvětlit t pojem termodynamická soustava Charakterizovat složky a fáze termodynamické soustavy Popsat fázové pravidlo (Gibbsův zákon fází) Vysvětlit význam a popsat mechanizmy difuze 4-6 hodin ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU U KAPITOLY 26

27 VÝKLAD 3.1 Základní pojmy Látka je chemické individuum (prvek nebo sloučenina) lišící se od ostatních látek sumárním nebo strukturním vzorcem. Příkladem dvou různých látek může být pentan a 2- methylbutan, zatímco rutil a anata jsou dvě různé polymorfní formy (strukturní modifikace) téže látky - oxidu titaničitého TiO 2. Této definici odpovídá anglický termín substance. Složka je látka v určitém skupenství či strukturní modifikaci. Pevný, kapalný a plynný křemík jsou tři různé složky, ale stále stejná látka. Termín látka je tak obecnější než termín složka, avšak v případě homogenních systémů jsou termíny látka a složka rovnocenné. Anglickým ekvivalentem jsou termíny species nebo chemical species. Nezávislá složka je termín užívaný ve spojení s Gibbsovým fázovým pravidlem. Jelikož při použití tohoto pravidla je důležitý počet nezávislých složek a ne jejich přesná identita, není slovní definice termínu nezávislá složka nezbytná. Je ale možné striktně stanovit základní vlastnosti, které množina "libovolně vybraných" nezávislých složek musí splňovat. Anglickým ekvivalentem jsou termíny constituent nebo independent component nebo pouze component. V případě označení jednosložkový systém, dvousložkový systém atd. jsou implicitně uvažovány nezávislé složky, které daný systém tvoří. Fáze je část sytému, ve které jsou jeho vlastnosti konstantní nebo se mění spojitě. Od jiných fází je oddělena fázovým rozhraním, na kterém se vlastnosti systému mění skokem. Fáze může být jednosložková, pokud je tvořena jednou látkou (např. pevný Al 2 O 3 ), či vícesložková, pokud je tvořena homogenní směsí (roztokem) alespoň dvou různých látek (např. Tavenina Si-Ge). Fázová přeměna je děj, jehož se účastní jedna nebo více látek, které přecházejí z jednoho skupenství či strukturní modifikace do jiného (např. vypařování, tání nebo fázová transformace v pevném stavu). 27

28 Chemická reakce je děj, jehož se účastní více látek, u kterých dochází k zániku původních a vytváření nových chemických vazeb. Ačkoliv fázové přeměny a chemické reakce jsou odlišně vymezeny (liší se počtem zúčastněných látek), z hlediska termodynamického popisu jejich průběhu není třeba tento rozdíl uvažovat. 3.2 Termodynamická soustava Termodynamická soustava (systém) je vymezená část prostoru se svou látkovou náplní, která je předmětem termodynamického studia. Oblast vně pozorované soustavy se nazývá okolí. Soustava je od okolí oddělena skutečnými nebo myšlenými stěnami (hranicemi), jejichž vlastnosti určují charakter soustavy. Vlastnostmi hranic rozumíme schopnost propustit látku a energie ve formě tepla a mechanické práce ze soustavy do okolí a naopak. Z hlediska propustnosti látky hranicemi soustavy rozeznáváme: Otevřenou soustavu, přes jejíž hranici může do okolí nebo z okolí energie i látka. Hranice otevřené soustavy je neměnná. Uzavřená soustava, přes jejíž hranici může do okolí nebo z okolí přecházet energie, nikoliv však látka, jejíž množství v soustavě se proto nemění. Hranice uzavřené soustavy se může zvětšovat nebo zmenšovat. Z hlediska propustnosti energie hranicemi soustavy rozeznáváme: Neizolovanou soustavu, v níž dochází k přestupu tepla a mechanické práce ze soustavy do okolí nebo naopak, čímž se mění termodynamický stav soustavy. Izolovaná soustava, mezi níž a okolím nedochází ke vzájemné výměně tepla ani mechanické práce. Tato soustava tedy nepodléhá vnějším účinkům a nepůsobí na okolí. (Poněvadž však veškerá tělesa vesmíru na sebe stále vzájemně působí, žádná izolovaná soustava v přesném slova smyslu v přírodě neexistuje. Můžeme proto tento pojem považovat za pomocnou myšlenkovou konstrukci.) 28

29 3.2.1 Složky termodynamické soustavy Hovoříme-li o složkách termodynamické soustavy, pojednáváme o její látkové náplni. Složky (komponenty) soustavy jsou vzájemně nezávislá chemická individua prvky nebo sloučeniny zahrnující atomy nebo molekuly jednoho druhu. Pomocí složek je možné jednoznačně popsat chemickou podstatu (druh látkové náplně) dané soustavy a všech jejích fází. V termodynamice materiálů je termodynamická soustava často představována určitým kovem nebo určitou slitinou. Slitiny jsou materiály složené z několika kovů nebo z kovů a prvků nekovových, které jsou v kapalném kovu rozpuštěny a v tuhém stavu tvoří soudržný celek. Slitiny se od chemických sloučenin liší tím, že vznikají ve vzájemných poměrech nezávislých na atomových hmotnostech. Od mechanických směsí se slitiny liší tím, že jejich složky lze oddělit jen chemicky. Slitiny mají obvykle lepší vlastnosti než čisté kovy, z nichž byly vyrobeny. Podle počtu složek rozlišujeme soustavy: Jednosložkové (unární) například čistá měď Dvousložkové (binární) například mosaz (slitina Cu Zn) Trojsložkové (ternární) například dural (slitina Al Cu Mg) Čtyřsložkové (kvaternární) například žáruvzdorná ocel (slitina Fe C Cr Ni) Vícesložkové (polykomponentní) například vysokopevná ocel (slitina Fe C Ni Cr Mo Ti Al) Fáze termodynamické soustavy Fáze soustavy jsou stejnorodé, fyzikálně a chemicky odlišitelné části soustavy tvořené jednou či více složkami a oddělené od ostatních oblastí mezifázovým rozhraním, tj. úzkou oblastí, která se významně liší svými vlastnostmi od jednotlivých fází a na níž se vlastnosti soustavy mění skokem. Fáze může být tvořena jednou, dvěma i více složkami o různém množství. Množství fází vyskytujících se současně v soustavě určuje, zda je soustava homogenní (jedna fáze) nebo heterogenní (směs dvou nebo více fází). 29

30 Podle fyzikální a chemické podstaty mohou být fáze představovány prvky, roztoky a chemickými sloučeninami. Základním kritériem pro roztřídění fází je jejich skupenství plynné (g), kapalné (l), tuhé/pevné (s). Plynné fáze čistý plyn je podle molekulové teorie složen z velkého množství molekul, které se neuspořádaně pohybují v jinak prázdném prostoru. Součet objemů molekul je proti objemu plynu zanedbatelně malý. Hmotnost molekul je tak malá, že vliv zemského gravitačního pole na ně je zanedbatelný. Poněvadž kinetická energie molekul je poměrně značná a vzájemná vzdálenost molekul vzhledem k jejich velikosti je velká, můžeme zanedbat též vliv jejich vzájemných přitažlivých sil. Vlivem vysokého počtu molekul v plynu dochází též k velkému počtu srážek mezi nimi. Srážkami molekul a jejich nárazy na stěny nastává výměna kinetické energie molekul, změna jejich rychlosti co do velikosti a směru, čímž vzniká jejich zcela neuspořádaný pohyb, ve kterém nepřevládá žádný určitý směr, proto se v každém směru pohybuje statisticky týž počet molekul a ty jsou v rovnovážném stavu rovnoměrně rozděleny v prostoru, který plyn zaujímá. Ačkoliv rychlost i směr molekul se stále mění, lze předpokládat, že existuje určitá střední rychlost molekul, která závisí pouze na podstatě plynu a na jeho tepelném stavu. Délky drah molekul mezi srážkami se rovněž neustále mění, mají však též určitou střední hodnotu. Časové trvání srážek je ve srovnání s dobou volného pohybu zanedbatelné. Kapalné fáze Nejznámějším pozorovatelným rozdílem mezi kapalným a tuhým stavem je tekutost, tj. Schopnost zaplnit prostor, v němž se látka nachází. Tekutost vyplývá z neschopnosti látky odolávat smykovému napětí. Tuto charakteristickou vlastnost kapaliny je možné spojovat s převládajícím účinkem odpudivých meziatomových sil, přičemž vliv přitažlivých sil je velmi slabý. Vzhledem k vysoké hustotě a nezanedbatelnému meziatomovému působení přisuzujeme kapalným kovům do jisté míry pravidelné uspořádání atomů a představujeme si, že každý z nich je obklopen určitým počtem sousedních atomů, které se nacházejí ve vzdálenostech charakteristických pro danou teplotu. Atomy vykonávají kmitavý pohyb o velké amplitudě a vysokém kmitočtu. Kromě toho se bod, kolem něhož kmitají, přesunuje pomalým translačním pohybem. 30

31 Vlivem intenzivního tepelného pohybu atomů je sousedství atomů proměnné jednotlivé atomy mění své polohy, avšak vzdálenost mezi nimi se statisticky nemění. Kapalná fáze tedy vykazuje určitou symetrii v uspořádání atomů, ale jen na krátkou vzdálenost. Existují modelové teorie, které se snaží popsat strukturu kapalin. Mezi nimi se zatím jeví nejpříznivěji teorie volných objemů. Jejím hlavním předpokladem je existence statisticky rozděleného volného prostoru uvnitř kapaliny, dostupného pro každou částici. Dále se předpokládá, že pro většinu vlastností kapalin mají význam pouze nejbližší sousedé každého atomu. V souladu s teorií volných objemů je například změna hustoty vakancí při přechodu z krystalického do kapalného stavu, poměr výparného tepla k teplu tání, o několik řádů větší koeficient difuze a podstatně větší rozpustnost atomů cizích složek v kapalině než v tuhé fázi. Teorie volných objemů je však v jistém rozporu se změnou hustoty při přechodu z tuhého do kapalného stavu. Tuhé (pevné) fáze tuhé fáze jsou většinou krystalické, mohou však být také amorfní (nekrystalické). Například v kovových soustavách mohou tyto fáze tvořit: a) čisté látky (prvky) b) tuhé roztoky substituční intersticiální c) Intermediální fáze elektrochemické sloučeniny s převážně iontovou vazbou s převážně kovalentní vazbou sloučeniny určené velikostním faktorem intersticiální sloučeniny substituční sloučeniny elektronové sloučeniny 31

32 Připomeňme dále, že u tuhých krystalických látek jsou v uzlových bodech krystalové mřížky udržovány elementární částice vlivem rovnováhy přitažlivých a odpudivých sil, které mezi nimi působí. Elementární částice vykonávají kolem uzlových poloh prostorový kmitavý pohyb, jehož amplituda roste s rostoucí teplotou Fázové pravidlo Největší počet fází, které spolu mohou za určitých vnějších podmínek existovat v rovnováze (tj. mohou vedle sebe existovat beze změny svého složení a množství), není libovolný. Je určen fázovým pravidlem neboli Gibbsovým zákonem fází, vyjadřujícím vztah mezi stupněm volnosti soustavy v, počtem složek (komponent) soustavy k, počtem fází f a počtem n vnějších proměnných činitelů, které uvažujeme, z nich má na rovnováhu soustavy největší vliv teplota a tlak, proto je obecně n = 2. Zákon fází odvodíme pomocí fázového diagramu jednosložkové soustavy, kde proměnnými jsou teplota a tlak. Obr. 6. Obecný fázový diagram p T jednosložkové soustavy (Chotěborský, 2006) Leží-li bod o souřadnicích (p, T) na ploše diagramu označené plynná fáze, kapalná fáze, tuhá fáze, vyznačuje homogenní soustavu tvořenou jen příslušnou fází. Leží-li takový bod na křivce diagramu, znázorňuje rovnováhu dvou fází v heterogenní soustavě: křivka AD značí rovnovážnou směs tuhé a plynné fáze, BD rovnovážnou směs tuhé a kapalné fáze, CD 32

33 rovnovážnou směs kapalné a plynné fáze. Bod D se nazývá trojný bod a vyznačuje vzájemnou rovnováhu všech tří fází v heterogenní soustavě. Povšimněme si, že trojfázová rovnováha v bodě D nemá žádný stupeň volnosti, tzn., existuje jen při jediné kombinaci teploty a tlaku. Dvoufázové rovnováhy na křivkách AD, BD, CD mají jeden stupeň volnosti: libovolně je možné změnit buď jen tlak nebo jen teplotu, velikost změny druhé proměnné je tím jednoznačně určena (neboť bod musí zůstat na křivce). Existuje-li v soustavě jen jedna ze tří možných fází, má soustava dva stupně volnosti, neboť můžeme měnit v určitých mezích zároveň tlak i teplotu a bod přitom zůstává v příslušné ploše diagramu. (3.1) 2 Rovnice (3.1) je Gibbsův zákon fází. Odvodili jsme jej pro jednosložkovou soustavu, můžeme však podle něj určit vzájemnou závislost v (stupně volnosti), k (počet složek), f (počet fází), v také u binární soustavy i u soustav vícesložkových za předpokladu, že uvažujeme dvě vnější nezávislé proměnné veličiny - teplotu a tlak. Fyzikálně-chemické děje probíhají často za podmínky konstantního tlaku. I atmosférický tlak považujeme v prvním přiblížení za konstantní. Doplníme-li obr. 6 vodorovnou přímkou znázorňující p = konst., vidíme, že tím snižujeme stupeň volnosti v soustavě: má-li bod, vyjadřující stav soustavy, zůstat ležet na ploše (např. plynná fáze nebo kapalná fáze) a zároveň na přímce p = konst., můžeme měnit jen teplotu a soustava má proto jen jeden stupeň volnosti. Má-li předmětný bod ležet na křivce tvořící hranici mezi skupenstvími a zároveň na přímce p = konst., je tím jeho teplotní souřadnice pevně určena a soustava nemá žádný stupeň volnosti. 33

34 Pro podmínku p = konst. platí tedy poněkud změněný Gibbsův zákon fází, a to ve tvaru (3.2) 1 kde symboly v, f, k mají tentýž význam jako v rovnici (3.1). Číslice 1 na pravé straně rovnice (3.2) se vyskytuje proto, že uvažujeme pouze jednu vnější nezávisle proměnnou veličinu - teplotu. Počet termodynamických stupňů volnosti v, stanovený pomocí Gibbsova zákona fází, odpovídá počtu nezávisle proměnných veličin (teplota, tlak, koncentrace), které se mohou měnit, aniž se tím změní počet a druh rovnovážně koexistujících fází. 3.3 Difuze Difuze je jedním ze způsobů přenosu hmoty, při kterém se její částice (atomy, ionty, molekuly), i vakance pohybují vzhledem k sousedním částicím. Protože podstatou difuze je tepelný pohyb částic hmoty, je intenzita difuze výrazně závislá na teplotě. K difuzi dochází v každém skupenství, v tuhé fázi je však jediným způsobem přenosu hmoty Základní pojmy a význam V mnohasložkové heterogenní soustavě se difuzí mění chemické složení jednotlivých fází a přenos hmoty se uskutečňuje i přes fázové rozhraní za předpokladu, že difundující prvek je v dané fázi alespoň částečně rozpustný. Přenos hmoty mezi soustavou a okolím může být podmíněn jinými fyzikálně-chemickými ději např. disociací molekul, adsorpcí atomů aj. 34

35 Difuzí se zpravidla zmenšují koncentrační rozdíly, v opačném případě jde o obrácenou difuzi. Difuze v jednosložkové soustavě nebo fázi se nazývá autodifuze. Autodifuzi můžeme sledovat pouze pomocí radioaktivních izotopů daného prvku. Protože podstatou difuze je tepelný pohyb částic hmoty, je intenzita difuze výrazně závislá na teplotě. Technický význam difuze spočívá jak v prospěšných, tak i ve škodlivých změnách koncentrace a ve fázových či strukturních přeměnách buď jen v povrchových vrstvách výrobků anebo v celém jejich objemu. Příkladem prospěšných koncentračních změn je povrchové zvýšení obsahu vybraných prvků při chemicko-tepelném zpracování konstrukčních ocelí, kdežto třeba oduhličení nástrojových ocelí při jejich zpracování za vysokých teplot je škodlivé. Prospěšné fázové přeměny, ke kterým dochází pomocí difuze v celém objemu výrobku, jsou přeměny při některých druzích žíhání slitin. Naproti tomu k škodlivým strukturním změnám patří difuze vakancí, které se při tečení (creepu) spojují na hranicích zrn polykrystalického materiálu v kavity, čímž začíná mezikrystalový lom. Difuze je rovněž významná při odlévání, tváření za tepla, svařování, pájení, plátování, slinování a v četných dalších technologických procesech. K problematice můžeme přistupovat buď jen fenomenologicky, tj. užívat obecných zákonů přenosových jevů, které popisují jejich kinetiku, aniž by předpokládaly nějaké mechanismy, nebo zvolit přístup fyzikální, který vychází z podrobných představ o pohybu částic hmoty. Tento druhý přístup umožňuje vyjádřit vztahy mezi neuspořádaným, náhodným pohybem částic a jejich makroskopickým tokem a ve shodě s obecnými poznatky o přenosových jevech dojít k popisu koncentračních změn při nestacionárních dějích. Důvodem pro fyzikální přístup je také výrazná závislost kinetiky difuze na poruchách krystalové mřížky, což umožňuje jejich studium Mechanizmy difuze Jednoduché představy o mechanizmech difuze jsou založeny na poznatcích o různé pohyblivosti částic v různých skupenstvích hmoty. Neuspořádaný pohyb molekul v plynech je podle kinetické teorie charakterizován velkými hodnotami jejich střední kvadratické rychlosti 35

36 a volné dráhy. V kondenzovaných fázích je pohyb atomů (iontů) ve srovnání s pohybem molekul v plynech značně omezen a to zejména v tuhé fázi, v níž jsou atomy po delší dobu vázány k určitým polohám. Mechanizmy difuze v krystalických materiálech můžeme rozdělit na individuální, při nichž se pohybuje (migruje) jedna částice či vakance nezávisle na ostatních, a na skupinové, které charakterizuje koordinovaný pohyb více částic: K individuálním mechanizmům patří mechanizmus intersticiální a mechanizmus vakantní (obr. 7), pro které je určující poměr velikosti atomů difundujícího prvku a základního prvku. Pouze malé atomy, splňující podmínku pro vznik intersticiálního tuhého roztoku, mohou difundovat volnými prostory v krystalové mřížce základního prvku, tj. intersticiálním mechanismem (např. ve slitinách železa prvky od vodíku až po kyslík). Intersticiální mechanizmus má nejmenší aktivační energii. Vakantním mechanizmem, při němž atomy využívají ke svému přemístění blízké vakance, difundující atomy při samodifuzi a atom přídavného prvku tvořící se základním prvkem substituční tuhé roztoky. Aktivační energie vakantního mechanizmu difuze je vyšší než u mechanizmu intersticiálního, protože je třeba uvažovat také energii potřebnou na vytvoření a na migraci vakancí. Obr. 7 Individuální mechanizmy difuze v krystalové mřížce a) intersticiální, b) vakantní (Chotěborský, 2006) Mezi skupinové mechanizmy řadíme mechanizmus výměnný, kruhový a nepřímý intersticiální. Nejjednodušším koordinovaným pohybem se zdá být výměna míst mezi dvěma sousedními stejně velkými atomy, ale jsou-li tyto na poloviční cestě, dojde k značné distorzi krystalové mřížky. Teoretické výpočty aktivační energie potřebné pro uskutečnění 36

37 výměnnéhoného mechanizmu dávají hodnoty několikanásobně větší než pro přeskok atomu do vakance. Proto je pravděpodobnost výskytu výměnného mechanizmu malá. Naproti tomu kruhový mechanizmus ve srovnání s vakantním mechanizmem je energeticky náročnější jen asi o třetinu. Obr. 8. Skupinové mechanizmy difuze v krystalové mřížce a) výměnný, b) kruhový, c) nepřímý intersticiální (Chotěborský, 2006) STUDIJNÍ MATERIÁLY povinná literatura SKÁLOVÁ, J., KOUTSKÝ, J. a V. MOTYČKA, Nauka o materiálech.. 2. vyd. Plzeň: Západočeská univerzita, 232 s. ISBN PTÁČEK, L. a kol., Nauka o materiálu I. Brno: CERM. FREMUNT, P. a T. PODRÁBSKÝ, Konstrukční oceli.. Brno: CERM. SKÁLOVÁ, J., BENEDIKT, V. a R. KOVAŘÍK, Základní zkoušky kovových materiálů. Plzeň: Západočeská univerzita, 175 s. ISBN PLUHAŘ, J., Nauka o materiálech Celostátní učebnice pro skupinu studijních oborů Strojírenství a ostatní kovodělná výroba. 1. vyd. Praha: SNTL, 549 s. 37

38 MACEK, K. a kol., Nauka o materiálu.. Praha: ČVUT Praha. doporučená literatura PTÁČEK, L. a kol., Nauka o materiálu II.. Brno: CERM. OTÁZKY A ÚKOLY 1. Definujte pojmy: látka, složka, fáze, fázová přeměna. 2. Definujte pojem termodynamická soustava, popište typy soustav, které rozeznáváme. 3. Popište fáze termodynamické soustavy. 4. Nakreslete a popište obecný fázový diagram jednosložkové soustavy. 5. Definujte pojem difuze a popište její mechanizmy. KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK Viz výklad. 38

39 Kapitola 4 - Kovy a slitiny za působení vnějších sil KLÍČOVÉ POJMY Pružná deformace, e, plastická deformace, zpevnění, odpevňovací procesy CÍLE KAPITOLY Po prostudování této kapitoly bude student umět: Charakterizovat pružnou a plastickou deformaci Popsat houževnatost materiálu Charakterizovat stádia únavy materiálu Charakterizovat rizovat pojmy tečení a relaxace 4-6 hodin ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU U KAPITOLY VÝKLAD Působením vnějších sil mění tělesa svůj tvar - jsou deformována. Při překročení mezních podmínek dochází k lomu. Zatímco oblast velmi malých deformací, přípustných pro pracovní režimy strojních konstrukcí je oblastí zájmu konstruktérů, oblast velkých plastických deformací umožňuje technologům realizovat potřebné tvářecí operace. 39

40 4.1 Elastická deformace Zatěžujeme-li těleso tak, že je jeho deformace vratná, tj. že po odlehčení deformace vymizí (těleso nabývá původní tvar a objem), hovoříme o elastické (pružné) deformaci. Elastická deformace je umožněna relativně malým posunem atomů kolem rovnovážných poloh v krystalové mřížce. Ze zákonitosti pružného chování materiálu (Hooke) vyplývá, že prodloužení tělesa o délce l 0 na délku l je přímo úměrné působící síle F. Když má těleso neproměnný průřez S, je poměrné prodloužení: a působící napětí: Potom. kde E je modul pružnosti v tahu. Analogie Hookeova zákona pro smykové namáhání, např. kroucení, má tvar. kde τ je smykové napětí, G je modul pružnosti ve smyku a γ je poměrná smyková deformace. V případě monokrystalu jsou hodnoty modulů pružnosti výrazně závislé na orientaci napětí vůči krystalografickým směrům hovoříme o anizotropii elastických charakteristik. Anizotropii elastických charakteristik vedle monokrystalů vykazují ty materiály, které mají 40

41 uspořádanou strukturu (preferenční orientace) uspořádaná molekulární struktura u amorfních plastů, ale také kompozitní materiály, jež obsahují vlákna např. i dřevo. Většina kovových materiálů používaných v praxi má strukturu polykrystalickou. Protože jednotlivá zrna jsou náhodně orientována elastické charakteristiky polykrystalických materiálů prakticky na směru působícího napětí nezávisí a jsou tedy izotropní. Pro popis mechanické vlastnosti pružnosti existují charakteristiky E (modul pružnosti v tahu), G (modul pružnosti ve smyku), K (objemový modul pružnosti) a μ (Poissonovo číslo). V případě izotropních materiálů mezi těmito charakteristikami platí jednoduché vztahy: Ze vztahů plyne, že elastické vlastnosti izotropního materiálu jsou dány pouze dvěma nezávislými charakteristikami. V případě kovových materiálů bylo experimentálně dokázáno, že moduly E a K jsou si číselně rovny. To znamená, že pro většinu kovů je hodnota Poissonova čísla μ = 0,33. Proto lze říci, že nejčastěji měřenou materiálovou charakteristikou, jež určuje elastické chování případně tuhost součásti, je modul pružnosti v tahu E. 4.2 Anelastická deformace Pružná (elastická) deformace je charakterizována úplnou reverzibilností a platností Hookeva zákona. Uvedené podmínky jsou splněny jen tehdy, když rychlost zatížení je velmi nízká a působící napětí nevyvolá změny v hustotě a rozložení mřížkových poruch popřípadě v rozložení magnetických momentů v materiálu. Hookeův zákon necharakterizuje časovou závislost mezi napětím σ a deformací ε. Celková elastická deformace tělesa ε c je součtem okamžité elastické deformace ε e a doplňkové kvazineelastické deformace ε d, jejíž rovnovážné hodnoty se dosáhne po určitém času působícího napětí σ. 41

42 Obr. 9. Schéma pro odvození nerelaxovaného a relaxovaného modulu pružnosti (a), schéma zatížení napětím (přerušovaná čára) a průběh deformace (plná čára) v závislosti na času působení zatížení (b) (Chotěborský, 2006) Čas potřebný k dosažení rovnovážné hodnoty ε d je podmíněn procesy spojenými s přerozdělením atomů, magnetických momentů a tepla v tuhé látce. Tangens úhlu sklonu čáry ON odpovídá hodnotě nerelaxovaného modulu pružnosti E n, který charakterizuje stav, kdy v tělese mohla vzniknout pouze okamžitá elastická deformace ε e. Sklon čáry OR charakterizuje hodnoty relaxovaného modulu pružnosti E r, při němž dosáhne ε c. Rozdíl se označuje jako porucha modulu pružnosti a veličina se označuje jako stupeň dynamické relaxace. Po zatížení tělesa se neuskuteční odpovídající deformace ihned. Okamžitě se projeví pouze ε e. Výsledná hodnota ε c se dosáhne až po realizaci doplňkové deformace ε d (obr. 9b). V okamžiku odlehčení tělesa se deformace ε c nesníží okamžitě na nulu. Jestliže nové zatížení začíná působit dříve, než se dosáhne ε c = 0, reakce materiálu na nové zatížení je rozdílná proti prvnímu zatížení. 42

43 4.3 Plastická deformace a deformační zpevnění Působením dostatečně velkého zatížení mění materiál svůj tvar a rozměry, uskutečňuje se plastická deformace. Povrchové jevy, které doprovázejí plastickou deformaci, svědčí rovněž o rozsáhlých změnách v mikroskopické a submikroskopické stavbě materiálu. Během plastické deformace se projevuje výrazná nehomogenita plastického přetvoření v různých oblastech materiálu a jeho deformačního zpevňování. Společnými vnějšími činiteli, které modifikují proces plastické deformace, jsou teplota a rychlost deformace. Vliv teploty a velikosti napětí jsou zahrnuty do map deformačních mechanizmů. Tyto map sestrojil Ashy v souřadnicích σ-t. Mapy zahrnují možné mechanizmy deformace, popřípadě porušení některých typických materiálů. Jednotlivá pole map obsahují kromě jiného i šest rozlišitelných, nezávislých cest, kterými může být polykrystal deformován a přitom si zachovává krystalickou podstatu Plastická deformace monokrystalu Mezi základní mechanizmy, kterými se realizuje plastická deformace kovů a slitin, patří deformace skluzem, tj. pohybem, dislokací ve skluzových rovinách a deformace dvojčatěním. Makroskopické pozorování ukázalo, že i po malých deformacích se na leštěném povrchu objeví skluzové čáry, které jsou v oblasti jednoho krystalu vzájemně rovnoběžné. Skluzové čáry jsou stopy po opakovaném pohybu dislokací na volný povrch. Rovina, v níž proběhne skluzový pohyb dislokací, se nazývá aktivní rovina skluzu. Skluz probíhá v určitých krystalografických rovinách a směrech a je řízen třemi zákony: 1. Směr skluzu je vždy totožný se směrem, který je nejhustěji obsazen atomy. 2. Skluz obyčejně probíhá v nejhustěji obsazených rovinách krystalu. 3. Z možné skupiny rovin a směru v krystalové mřížce je aktivní ten skluzový systém (rovina a směr), v němž má smykové napětí nejvyšší hodnotu. 43