Technické materiály Technické materiály vždy rozhodujícím způsobem ovlivňovaly lidskou civilizaci. To je důvodem proč byly historické stupně vývoje společnosti často charakterizovány podle základních materiálů, které lidé používali doba kamenná, bronzová, železná Odhaduje se, že dosud bylo vyvinuto více než 25 000 typů kovových slitin a nejméně 15 000 typů plastů. Kvalifikovaný výběr materiálu rozhodujícím způsobem ovlivňuje výsledné parametry konstrukce a proto se vyvinul zcela nový obor Materiálové inženýrství. Cílem této přednášky je pouze základní přehled nejpoužívanějších materiálů v oblasti strojního inženýrství, jejich značení a nejčastějšího použití. Hlubší studium problematiky materiálového inženýrství bude cílem dalších specializovaných přednášek. Pavel Mazal 2005 1
Základní rozdělení technických materiálů tech. kovy nekovy kompozitní železné neželezné anorganické organické... technické kovy slitiny železa neželezné kovy oceli litiny těžké lehké drahé Kovy jsou prvky, které jsou chemicky charakterizovány jako elektropozitivní (mají snahu předávat valenční elektrony a vytvářet jednoatomové kationty). Jsou dále charakteristické vysokou elektrickou a tepelnou vodivostí, mají kovový lest a dobrou tažnost. V přírodě se vyskytují ve sloučeninách (rudách), případně vryzíformě (např. drahé kovy). Pavel Mazal 2005 2
Vlastnosti materiálů Fyzikální hustota, teplota tání, elektrická a tepelná vodivost, délková roztažnost Mechanické elasticko-plastické deformační chování, houževnatost, křehkost, tvrdost, pevnost v tahu, mez kluzu, tažnost, odolnost opotřebení apod. Technologické vlastnosti slévatelnost, obrobitelnost, svařitelnost, kalitelnost atd. Chemické vlastnosti zejména korozní chování Zdravotní nezávadnost a vliv na životní prostředí Pavel Mazal 2005 3
Ž e l e z n é k o v y chemicky čisté železo (Fe) Chemický prvek - měkké, nízká R m, není vhodné pro praktické využití (hustota 7850 kg/m 3, teplota tání 1536 C). technické železo Vyrábí se ze železné rudy a vždy obsahuje příměsi a nečistoty (Si, S, P apod.), které zhoršují výsledné vlastnosti a proto je snaha jejich obsah snížit. Při dalším zpracování se naopak dodávají legury - Cr, Mn, Ni, Cu, W, Mo, Co, V, Ti apod., které výrazně ovlivňují vlastnosti a jsou do slitiny vnášeny záměrně. Pavel Mazal 2005 4
OCELI Slitiny železa s velkou pevností. Oceli zůstávají i nadále nejvýznamnějším konstrukčním materiálem (uhlík obvykle ve formě karbidů železa a jeho obsah je nižší než cca 2%). Základní rozdělení ocelí k tváření na odlitky - nelegované (uhlíkové) - nelegované (uhlíkové) - legované - legované - nástrojové Pavel Mazal 2005 5
Výroba oceli železárny surové železo ocelárny ocel (zkujňování snížení obsahu doprovodných prvků C, Mn, S, P kyslíkové konvertory, obloukové pece apod.) válcovny polotovary XXXX distribuce polotovarů XXXX výrobní podnik sklad polotovarů dělírna materiálu kovárna, svařovna, obrobna apod. Pavel Mazal 2005 6
Kontinuální lití oceli Moderní, levný a rychlý způsob výroby oceli ve tvaru tyčí kruhového nebo čtyřhranného průřezu. A lití oceli do kokil B plynulé odlévání s přímým chladicím pásmem C lití se zakřiveným chladicím pásmem (novější způsob) 1) kokila 2) zátka 3) chlazení vodní sprchou 4) tavená ocel Pavel Mazal 2005 7
Rozdělení ocelí Tvářené nelegované (uhlíkové) limitní obsahy legur: Mn 1,65% ; Si 0,50% ; Pb 0,40%; Cu 0,40%; Ni 0,30% ; Cr 0,30% ; W, Co, Mo, V, Ti, Al 0,10 % apod. Oceli jsou určeny pro běžné aplikace. legované : nízko legur do 5 % středně legur do 10 % vysoko legur nad 10 % nástrojové - nelegované a legované Oceli určeny pro speciální aplikace. Používají se obvykle v tepelně zpracovaném stavu, který vyvolá jejich požadované vlastnosti. Musí splňovat speciální požadavky - tvrdost, řezivost, odolnost proti otěru, žárupevnost, stálost rozměrů apod. Tvářené oceli jsou z hutí dodávány ve formě: a) tvářené hutní polotovary - válcované za tepla nebo za studena - tyče, trubky, profily, plechy apod. slouží přímo k výrobě součástí b) ingoty, bloky a bramy určené ke kování v kovárnách Oceli na odlitky (C < 2,14%) nelegované ( C ) a legované Špatně zatékají, smršťují se. Využití pro výrobu tlustostěnných odlitků - rotory, kola, rámy, stojany apod. Ocelové odlitky se obvykle dále tepelně nezpracovávají. Pavel Mazal 2005 8
LITINY Litiny jsou dobře odlévatelné materiály, které obsahují ve své struktuře vyšší obsah uhlíku. Litiny se vyrábí ze surového železa, ocelového a litinového odpadu, dále se přidávají vhodné legovací prvky. Výroba probíhá v šachtových pecích (kuplovnách), indukčních kelímkových pecích, obloukových elektrických pecích apod. a) Šedá litina (litina s lupínkovým grafitem) Měkké lupínky grafitu způsobují dobré kluzné vlastnosti, příznivou obrobitelnost a schopnost tlumit vibrace. Lupínky C však způsobují omezenou pevnost a nízkou houževnatost. Materiál má velmi dobré slévárenské vlastnosti. Vzhledem k tomu je nejpoužívanějším materiálem pro výrobu odlitků. Použití např. na výrobu skříní převodovek, stojanů, těles čerpadel, konzol apod. Pavel Mazal 2005 9
b) Tvárná litina (litina s kuličkovým grafitem) Grafit je v základní struktuře uložen ve formě kuliček. Vzhledem k příznivému tvaru grafitu má poměrně vysokou pevnost, houževnatost a dobrou tažnost. Používá se výrobu ozubených kol, klikových hřídelí, skříní čerpadel apod. b) Bílá litina - grafit je ve struktuře přítomen ve formě karbidu železa. Litina vzniká rychlým ochlazením taveniny. Materiál je tvrdý a obtížně obrobitelný. Používá se na výrobu mlecích těles, roštů apod. d) Temperovaná litina (s bílým nebo černým lomem, příp. perlitická) vzniká dlouhodobým tepelným zpracováním (často až několikadenní žíhání). Používá se zejména v automobilovém průmyslu ojnice, sloupky řízení, řadicí vidlice dále fitinky, tělesa ventilů apod. Pavel Mazal 2005 10
Normalizace kovových materiálů V současné době již platí nové označování materiálů podle norem EN a ISO, v podnikové sféře je však stále užíváno původní značení podle ČSN. Z tohoto důvodu budou uvedeny principy obou typů značení. Značen ení materiálu dle ČSN (číseln( selný kód) Všechny normy materiálů jsou v původních ČSN zařazeny do tříd norem 41 a 42. identifikace druhu materiálu (ocel, litina, hliník apod.), obvykle i jakost a některé vlastnosti - R m, chemické složení apod. doplňkové číslice stanoví stav materiálu např.- tepelné zpracování, stupeň přetváření apod. další údaje Např. 12 010.9, 42 2453 Pavel Mazal 2005 11
OCELI K TVÁŘEN ENÍ Kategorizace tvářených ocelí dle ČSN - dělí se do 9 tříd. nelegované (uhlíkové) tř. 10, 11 a 12, limitní obsahy legur: Mn 1,65% ; Si 0,50% ; Pb 0,40%; Cu 0,40%; Ni 0,30% ; Cr 0,30% ; W, Co, Mo, V, Ti, Al 0,10 % apod. legované tř.13, 14,15 16 a 17: nízko legur do 5 % středně legur do 10 % vysoko legur nad 10 % Systém číselného značení tvářených ocelí U třídy norem 41 se ve značce oceli vynechává 4 a používá se pět číslic příklad: ČSN 41 3513 ocel 13 513 ČSN 41 2061 ocel 12 061 1 x x x x. x x 1.a 2. - třída ocelí doplňkové číslice 3.a 4. - závisí na třídě oceli 1. stav oceli po tepelném zpracování 5. - specifické vlastnosti 2. stupeň přetváření Pavel Mazal 2005 12
Značení ocelí tř.10 a 11 11 x x x. x x 1.a 2. číslice - třída ocelí - 10,11 např. 10 420.1 3.a 4. číslice - přibližná R m (v 10 MPa) Tř.10, mez pevnosti 420 MPa, normalizačně žíháno 5. specifické vlastnosti 11 600.0 tř. 10 Tř.11, mez pevnosti 600 MPa, tep. nezpracováno Dány pouze omezené informace o chemickém složení, zaručena R m, tažnost. Použití: stavebnictví, mosty, jeřáby, kolejnice apod. Příklady: 10 500, 10 523, 10 650 tř. 11 Zaručeno: obsah P a S, základní mech. vlastnosti. Použití: běžné strojní součásti zaručeně svařitelné - 11 373, 11 353, 11 523 vyšší pevnosti - 11 500, 11 600, 11 700 automatové - 11 107, 11 110, 11 112 ( pozor - výjimka ve značení, 3. číslice je vždy 1, 4. číslice určuje obsah uhlíku v procentech) Pavel Mazal 2005 13
tř. 12 Ušlechtilá nelegovaná ocel, musí být dodrženo chem. složení, legujících prvků menší než 1% (3. číslice 0). značení 1 2 x x x. x x 3.číslice - obsahu leg. prvků v % oceli cementační 12 010, 12 020 (nízké C!) 4.číslice - střední obsah C v 0,1 % oceli ke kalení 12 050, 12 060 (obsah C 0,5-0,6) 5.číslice - doplňkové číslo (pořadí) oceli pružinové 12 080, 12 090 tř.13-16 Konstrukční oceli legované (slitinové) systém značení je obdobný jako u tř.12 tř. 13 Mn, Si, Mn-Si, Mn-V,... tř. 14 Cr, Cr-Al, Cr-Mn, Cr-Si, Cr-Mn-Si,... tř. 15 Mo, Mn-Mo, Cr-Mo, Cr-V, Cr-W,... tř. 16 Ni, Cr-Ni, Ni-V, Cr-Ni-Mn,... Používají se téměř výhradně v tepelně zpracovaném stavu. Užití pro namáhané strojní dílce - ojnice, klikové hřídele, ozubená kola, prvky valivých ložisek, namáhaná ozubená kola apod. Pavel Mazal 2005 14
tř.17 1 7 x x x. x x 3.číslice - skupina legujících prvků (např. 0 - Cr oceli, 5 - Ni oceli, 6 - Mn oceli 4.číslice - stupeň bohatosti přísad Speciální vysokolegované oceli - korozivzdorné oceli (potravinářský a chemický průmysl, lékařské nástroje apod.), žáruvzdorné materiály (energetický průmysl, zařízení pro tepelné zpracování a výrobu kovů apod.), antimagnetické oceli... tř.19 nástrojové oceli uhlíkové x legované 1 9 x x x. x x 3.číslice - typ legovaní: 0,1,2 nelegované, 3-9 legované 4.číslice Uhlíkové - spol. s 3.číslicí charakterizuje obsah C Legované -pořadové číslo kombinace legujících prvků Nástrojové oceli obecně mají vysokou R m, tvrdost, řezivost, odolnost proti otěru, žárupevnost, stálost rozměrů apod. Pavel Mazal 2005 15
Doplňkov kové číslice 14 140. x x 1. konečný stav oceli po tepelném zpracování - 0 tepelně nezpracováno, 1 normalizačně žíháno, 2 žíháno (s uvedením způsobu žíhání), 3 žíháno na měkko, 4 kaleno, 5 normalizačně žíháno a popuštěno, 6 zušlechtěno na dolní pevnost, 7 zušlechtěno na střední pevnost, 8 zušlechtěno na horní pevnost, 9 ostatní způsoby tepelného zpracování musí být specifikováno v dokumentaci. 2. stupeň přetváření materiálu - při výrobě polotovaru, např. 0 je nepřeválcováno, 1 lehce převálcováno, 2-1/4 tvrdé apod.. Příklady předepisov edepisování hutních polotovarů (tvářené materiály) 50-204 ČSN 42 5551 50-204 ČSN 42 5549 50x20-204 ČSN 42 5548 L20x3-204 ČSN 42 5541 TR 60x3-204 ČSN 42 5715 P10-200x85 ČSN 42 5310 Pavel Mazal 2005 16
Slitiny Fe na výrobu v odlitků 4 2 x x x x. x x 3.a 4. číslice - specifikace materiálu 23 - tvárné litiny 24 - šedé litiny 25 - bílé, tvrzené a temperované litiny 26 - nelegované (C) oceli na odlitky 27 - nízko a středně legované oceli (do pískové formy) 28 - dtto (odlévané jinak) 29 - vysokolegované oceli na odlitky 5. a 6.číslice - liší se podle materiálu (většinou R m v 10 MPa, u 27,28 a 29 skupina přísadových prvků) 1.doplňková číslice stav tep. zprac. 2.doplňková číslice způsob odlévání Zpracovávají se výhradně odléváním do forem. Buď takto získají konečný tvar nebo se po odlití obrábí funkční plochy. Pavel Mazal 2005 17
Příklady značení ocelí k tváření dle EN Systém značení užívá dvě základní schémata: a) Značení dle použití a mechanických nebo fyzikálních vlastností Značka obsahuje písmeno charakterizující hlavní oblast využití (pro oceli na odlitky je před značkou navíc G), číselný údaj vyjadřující mechanické vlastnosti. Přídavné symboly (dvě skupiny) písmena a číslice. S 355 J2G1 W zápis S355J2G1W S ocel na ocelové konstrukce, 355 mez kluzu v MPa, J2 nárazová práce 27 J při teplotě 20 C, G1 neuklidněná ocel, W odolná proti atmosferické korozi. E 360 G C zápis E360GC E konstrukční ocel, R e = 360 MPa, C vhodná k lesklému tažení Pavel Mazal 2005 18
b) Číselné značení (EN) dle chemického složení 1. XX XX(XX). XX a b c d a) 1 ocel (2 až 9 další materiály) b) číslo skupiny ocelí = 00 obvyklé vlastnosti, 11-konstr.oceli na strojní součásti s obsahem C nižším než 0,5%, 13 - konstrukční oceli, oceli na strojní součásti, tlakové nádoby a oceli se zvláštními požadavky, 15,16,17, 18 nástrojové oceli, 20 a více legované ušlechtilé oceli např. 71 legované Cr-Si,Cr-Mn apod. na strojní části a tlakové nádoby atd. c) pořadová čísla d) přídavné symboly zvl.požadavky, povlaky, tepelné zpracování a pod. Příklad porovnání označení ocelí Podle ČSN Podle ČSN (EN) 11 373 12 060 značkou S235JRG1 C55E4 číselně 1.0036 1.1203 Pavel Mazal 2005 19
N e ž e l e z n é k o v y Obvykle se dělí podle měrné hmotnosti na lehké a těžké (hranicí je cca 5 000 kg/m 3 ). Někdy se samostatně uvádí tzv. drahé kovy (Au, Ag, Pt, Ir, Os, Pd). Lehké kovy Hliník - Al (2 700 kg/m 3 ) - vysoká elektrická vodivost, korozivzdorný - díky oxidické povrchové vrstvě, svařitelný Slitiny s Cu, Mg, Si, Mn, Zn, Fe, např. Dural AlCuMg, další AlCuNi, AlZnMg, AlMg, AlMgSi Slitiny: tvářené, slévárenské a pro práškovou metalurgii. Velmi výrazné rozšiřování ušlechtilých slitin hliníku - použití, zejména dopravní technika - karoserie, komponenty motoru, převodovky, chladiče apod. Např. celohliníkový kompaktní motor je cca o 25-30 kg lehčí než motor běžný. Současný moderní automobil obsahuje cca 5% hmotnosti Al součástí. Další užití - Alobal, elektrotechnika, stropní panely apod. Pavel Mazal 2005 20
Příklad značení Al slitin dle EN Podobně jako oceli jsou i slitiny Al značeny číselně ČSN EN 573-1, příp. chemickými značkami ČSN EN 573-2 (b). Číselně EN A x - xxxx např. EN AW-1070 nelegovaný Al (99,7) a b c a) písmeno A určuje hliník EN AW-5052 (AlMg2,5) b) W tvářené výrobky, B ingoty pro přetavení, C-odlitky, M-předslitiny c) odlišení podle legur např. 1xxx řada 1000 bez legur, 2xxx řada Cu, 5xxx řada 5000 (Mg), 7xxx řada 7000 atd. Chemickými značkami Značka se skládá z chemického označení prvku a jeho středního obsahu v hmotnostních procentech Al Mg1SiCu, Al Mn1Mg0,5, Al Cu4SiMg apod. Pavel Mazal 2005 21
Hořčík - Mg (1 700 kg/m 3 )-světle šedý, velmi nízká hustota, výborná obrobitelnost, horší tvařitelnost, nízká korozivzdornost, malá vrubová houževnatost Slitiny - MgAl19Zn1 (MnSi) - elektron, další slitiny s Al, Zn, Mn apod. Užití: letecký průmysl, raketová technika, textilní průmysl, části jaderných reaktorů... Titan - Ti (4 500 kg/m 3 ) - vysoká teplota tání, odolnost proti korozi, vysoká pevnost R m 400 MPa, dobrá tvařitelnost a svařitelnost, špatná obrobitelnost. Slitiny s Al, Mn, Zn, Sn... Využití v dopravní technice, letectví, mořská plavidla (ponorky, torpéda), chemický průmysl, biomateriály (implantáty kostí) apod.. Pavel Mazal 2005 22
Měď -Cu(8 900 kg/m 3 ) Těžké kovy výroba a) hutnicky (čistota 99,5%) b) elektrolyticky (99,9%) Ve strojní oblasti využití zejména ve slitinách: mosazi CuZn, Bronzy CuSn (+Al, Pb,...), pájky - CuZnAg atd. Zinek - Zn (7 100 kg/m 3 ) - slitiny s Cu, Al Olovo - Pb (11 300 kg/m 3 ) - teplota tavení 327 C. Využití - pájky PbSn, PbSnSb Cín - Sn (8 900 kg/m 3 ) - teplota tavení 232 C Další těžké kovy: chrom, nikl, wolfram, kadmium, molybden - omezené využití, spíše přísady do legovaných ocelí. Pavel Mazal 2005 23
Materiály vyráběné práš áškovou metalurgií Vyrábí se z prášků a granulí, které se lisují nebo spékají. Materiály na bázi Cu, Al, Ni, Fe apod. Možnost výroby metalurgicky nemísitelných materiálů. Malý odpad, nízká energetická náročnost výroby. Automobilový průmysl, elektronika, elektrotechnika, aeronautika, jaderná energetika. anorganické: organické: Nekovov vové materiály diamant, korund, azbest, slída, grafit, sklo, kameniny, porcelány a) přírodní - dřevo, textilní vlákna, kůže b) z přírodních mat. vyrobené uměle - papír, pryž atd. c) vyrobené synteticky z uhlí a ropy (plasty - syntetické hmoty - plast.hmoty) Termoplasty - PE, PP, PVC, PS, PA... Reaktoplasty (termosety) - FE, UP, EP... Pavel Mazal 2005 24
Keramické materiály Rychle se rozvíjející významná skupina nekovových materiálů. Klasické materiály přírodního charakteru původně na bázi hlinitokřemičitanů (cihly, cement, sklo, porcelán). S rozvojem elektrotechniky nastal další prudký rozvoj. Al 2 O 3, ZrO 2, MgO, CaO, 3Al 2 O 3.2SiO 2 (mullit), MgAl 2 O 4 (spinel) apod. Velmi široká skupina na bázi karbidů a nitridů boru, křemíku a hliníku. Vlastnosti - nízká hustota, vysoký modul pružnosti, vysoká tvrdost, tepelná a korozní odolnost, odolnost proti opotřebení, vysoká teplota tání, stabilita mech. vlastností apod. Křehké, náročné opracování, obtížné spojování s jinými materiály. Užití: elektrotechnika a elektronika (termistory, topné články, solární články, optické kabely, fotobuňky), strojírenství a hutnictví (elektrody, trysky, hořáky, obráběcí nástroje, vložky válců, pístní kroužky), chemický průmysl (čerpadla - lopatky, nosiče katalyzátorů) apod. Pavel Mazal 2005 25
Plastické hmoty Spotřeba výrazně roste. Vyvíjí se nové materiály s vlastnostmi plně srovnatelnými s kovovými materiály. Rozdíly ve vlastnostech kovů a plastů: -kovy mají vysoký modul pružnosti, pevnost, jsou houževnaté, tvařitelné, dobrá elektrická a tepelná vodivost, špatně odolávají korozi. - polymerní materiály - nízké hodnoty modulu pružnosti, pevnosti a lomové houževnatosti, podléhají stárnutí časově závislé zhoršení vlastností. Nízká teplota použití. Elektrické a tepelné izolanty, odolné korozi, barvitelné ve hmotě, dobré tribologické vlastnosti. Kompozitní materiály Materiály složené ze dvou základních fází: spojité fáze (matrice) a dispergované sekundární fáze. Zvláštním typem jsou tzv. sendvičové kompozity. Vlákna skleněná, uhlíková, aramidová (Kevlar) atd.. Matrice kovové, keramické... Pavel Mazal 2005 26
Použitá a doporučená literatura Svoboda P, Brandejs J., Prokeš F.: Základy konstruování, Akademické nakladatelství CERM, Brno 2005, ISBN 80-7204-405-2. Fischer U. a kol.: Základy strojnictví, Europa Sobotáles cz, Praha 2004, ISBN 80-86706-09-5. Raab M.: Materiály a člověk, Encyklopedický dům s.r.o., Praha 1999, ISBN 80-86044-13-0. Věchet S. a kol.: Únavové vlastnosti tvárné litiny. Žilinská univerzita v Žilině, Žilina 2001, ISBN 80-7100-910-5. Metalog Guide, Struers A/S, Dánsko, 1996, české vydání TSI Systém s.r.o. Brno, 1999, ISBN 80-238-3488-6. Pavel Mazal 2005 27