Vlastnosti a zkoušení materiálů Přednáška č.1 Konstrukční materiály
Základní skupiny konstrukčních materiálů Materiál: Je každá pevná látka, která je určená pro další technologické zpracování ve výrobě. Vlastnosti materiálu spolu s výrobní technologií určují vlastnosti finálního výrobku. >> volba materiálu výrobku. 2 Přednáška č. 1 Konstrukční materiály
Základní skupiny konstrukčních materiálů Materiál podléhá degradačním procesům (plastická deformace, lom, únava, tečení, opotřebení, radiační poškození, koroze) Pro každou skupinu materiálů je charakteristický možný rozsah vlastností, které jsou přímo dány vnitřní stavbou. Vnitřní stavba materiálu závisí kromě chemického složení, také na technologii výroby a zpracování materiálu. 3 Přednáška č. 1 Konstrukční materiály
Vazby v pevných látkách Základní částicí hmoty je atom. Atom se skládá z jádra a obalu, přičemž téměř všechna hmota atomu je soustředěna v jádře. Jádro protony (kladný náboj), neutrony Obal elektrony (záporný náboj) Iontová vazba: Atomy jsou k sobě vázány především díky elektrostatické přitažlivé síle, jež působí mezi částicemi s opačným nábojem. Dochází k tomu, že jeden atom k sobě přitáhne od druhého atomu elektron příp. více elektronů, který potřebuje k dosažení stabilní elektronové konfigurace a stane se záporným iontem; druhý atom se po jeho/jejich ztrátě stane kladným iontem. Typickou vlastností sloučenin s iontovou vazbou je jejich dobrá rozpustnost ve vodě a křehkost (anorganické soli). 4 Přednáška č. 1 Konstrukční materiály
Vazby v pevných látkách Kovalentní vazba: Je vnitromolekulární forma chemické vazby, kterou lze charakterizovat sdílením jednoho nebo více párů elektronů mezi dvěma prvky. Atomy účastnící se vazby si tímto způsobem zaplňují valenční vrstvu elektronového obalu. Tato vazba je velmi silná, takže ani táním nebo rozpouštěním se molekuly nemění. Příkladem této párové vazby elektronů je např. H 2 O, CO 2, Cl 2. Kovová vazba: Podobá se vazbě kovalentní. Jakmile se atomy kovů k sobě přiblíží a vytvoří krystalickou strukturu, valenční elektrony se jako plyn volně pohybují mezi ionty, kterými jsou kationy, čímž vyvolají vazebné síly. Projevuje se především u prvků, které mají nízký počet elektronů ve vnější sféře, což jsou právě především kovy. Van der Waalsova vazba: Van der Waalsovy síly jsou přitažlivé nebo odpudivé interakce (síly) mezi molekulami. Jsou slabší než kovalentní (Polymery). 5 Přednáška č. 1 Konstrukční materiály
Krystalická a amorfní struktura Látky lze rozdělit na: Krystalické Amorfní Semikrystalické Krystalické látky: monokrystal polykrystalický amorfní Krystalický stav látky je takový, kdy jednotlivé molekuly a atomy jsou zákonitě uspořádány v prostoru (nerosty, led, kovy atd.) Amorfní látky: Amorfní stav látky je takový, kde jsou molekuly a atomy náhodně uspořádány v prostoru (některá skla a plasty, vosky atd.) Semikrystalické látky: Střídání krystalických oblastí s amorfními. 6 Přednáška č. 1 Konstrukční materiály
Vlastnosti materiálů Chemické Chemické složení korozní namáhání Fyzikální elektrické magnetické tepelné optické atd. Mechanické všechny vlastnosti, které popisují chování materiálu jako odezvu na silové a deformační zatížení (pružnost, pevnost, tvrdost, tvárnost, houževnatost, křehkost, žáru pevnost, tečení, relaxace, únava) 7 Přednáška č. 1 Konstrukční materiály
Vlastnosti materiálů - pokračování Technologické Další technologie zpracování materiálu od polotovaru po výrobek tření opotřebení odolnost vůči plynům a kapalinám atd. 8 Přednáška č. 1 Konstrukční materiály
Základní skupiny konstrukčních materiálů Základní skupiny konstrukčních materiálů: Kovy a jejich slitiny Polymery Keramika Kompozity Technická skla Nové materiály uhlíková vlákna, nanotechnologie atd. 9 Přednáška č. 1 Konstrukční materiály
Skupiny kovů Charakteristika kovů: - Z technického hlediska pořád nejvýznamnější skupina materiálů. - Vysoká pevnost - Přenos plastické deformace - Dobrá tažnost, tvárnost a tvrdost - Velká tepelná a elektrická vodivost - Kovový lesk - S výjimkou rtuti jsou všechny kovy při teplotě 20ºC v tuhém stavu (krystalický stav) 10 Přednáška č. 1 Konstrukční materiály
Periodická tabulka prvků 11 Přednáška č. 1 Konstrukční materiály
Alkalické kovy Kovová vazba je slabá Nízká teplota tání Špatné mechanické vlastnosti Tuto skupinu tvoří kovy: Lithium, Sodík, Draslík, Rubidium, Cesium, Francium 12 Přednáška č. 1 Konstrukční materiály
Alkalické zemní kovy Kovová vazba je slabá Nízká teplota tání Špatné mechanické vlastnosti Tuto skupinu tvoří kovy: Beryllium, Hořčík, Vápník, Stroncium, Baryum, Radium 13 Přednáška č. 1 Konstrukční materiály
Přechodové kovy Dobré mechanické vlastnosti Malá stlačitelnost Vysoká teplota tání Významné kovy z hlediska technického použití Tuto skupinu tvoří kovy: Skandium, Titan, Vanad, Chrom, Mangan, Železo, Kobalt, Nikl, Měď, Zinek atd. 14 Přednáška č. 1 Konstrukční materiály
Jiné kovy Kovalentní vazba Tuto skupinu tvoří kovy: Hliník, Gallium, Indium, Cín, Thallium, Olovo, Bismut 15 Přednáška č. 1 Konstrukční materiály
Polymery - Polymery jsou tvořeny makromolekulárními řetězci, které vznikají polymerizací základních konstitučních jednotek, monomerů. - Ve srovnání s kovy a keramikou menší hustota, velké elastické deformace. Snadná zpracovatelnost. - Stav: amorfní nebo semikrystalický - Dělení: - reaktoplasty např. epoxidy,, - termoplasty polyetylen, polypropylen,, - kaučuky a pryže (elastomery) přírodní kaučuk, polyuretan, - polymerní pěny 16 Přednáška č. 1 Konstrukční materiály
Keramika - Keramické materiály jsou nekovové polykrystalické látky, které se vyrábějí z práškových surovin a zhutňují se žárovým procesem. Dělení: - skelná porézní keramika (tradiční keramické materiály, porcelán, cementová pojiva, některé přírodní horniny) - konstrukční keramika (na bázi uhlíku, karbidů, kysličníků, nitridů, ) Před finálním lomem žádná plastická deformace.(ve srovnání s kovy křehké.). Pevnost v tahu nízká. Vysoká pevnost v tlaku (až 15x oproti tahu). Velmi málo odolné působení koncentrátorů napětí). 17 Přednáška č. 1 Konstrukční materiály
Kompozity - Nejmladší skupina. Za každý kompozitní materiál lze považovat každý strukturní systém, který je složen nejméně ze dvou fází, se zřetelným fázovým rozhraním. Dělení (dle dělení základní fáze): - s kovovou matricí - s keramickou matricí - s polymerní matricí Sekundární fáze může existovat v kompozitu: - ve formě dispergovaných jemných částí - granulí pravidelného nebo nepravidelného tvaru - krátká (neuspořádaná) nebo dlouhá (uspořádaná) vlákna 18 Přednáška č. 1 Konstrukční materiály
Krystalová stavba kovů Podle stupně krystalografických elementů rozlišujeme 7 krystalových soustav. Celkem existují 4 typy základních prostorových mřížek: primitivní (a), bazálně centrovaná (b), prostorově centrovaná (c) a plošně centrovaná (d). Ne v každé krystalografické soustavě mohou existovat všechny 4 typy prostorových mřížek. Většina kovů krystaluje v soustavě, krychlové plošně středěné, krychlové prostorově středěné a šesterečné. Prostorové mřížky jsou uvedeny na příkladu ortorombické soustavy viz. obrázek. níže. 19 Přednáška č. 1 Konstrukční materiály
Přehled krystalových soustav Triklinická (trojklonná) pouze primitivní mřížka Monoklinická (jednoklonná) primitivní a bazálně centrovaná Ortorombická (kosočtverečná) všechny 4 mřížky Hexagonální (šesterečná) bazálně centrovaná Trigonální (klencová) pouze primitivní mřížka Tetragonální (čtverečná) primitivní a prostorově centrovaná Kubická (krychlová) primitivní, prostorově a plošně centrovaná Pozn: V sedmi krystalových soustavách existuje 14 mřížek. 20 Přednáška č. 1 Konstrukční materiály
Triklinická (trojklonná) mřížka 21 Přednáška č. 1 Konstrukční materiály
Monoklinická (jednoklonná) mřížka 22 Přednáška č. 1 Konstrukční materiály
Ortorombická mřížka 23 Přednáška č. 1 Konstrukční materiály
Hexagonální (šesterečná) mřížka 24 Přednáška č. 1 Konstrukční materiály
Trigonální (klencová) mřížka 25 Přednáška č. 1 Konstrukční materiály
Tetragonální (čtverečná) mřížka 26 Přednáška č. 1 Konstrukční materiály
Kubická (krychlová) mřížka 27 Přednáška č. 1 Konstrukční materiály
Značení rovin a směrů MILLEROVY Indexy Poloha roviny je určena třemi číselnými indexy h,k,l zapsanými v kulaté závorce (hkl). Platí: 1 1 1 h : k : l = : : a b c Př. Rovinu ρ = ( 112) je uvedena na obrázku. Je li rovina v záporné části je označena následující způsobem: h _ kl Př. Rovina λ = 10 je uvedena na obrázku. 1 _ 28 Přednáška č. 1 Konstrukční materiály
Značení směrů Ke značení směru se používají indexy u,v,w zapisované v hranaté závorce. [ uvw] [ 111] Př. Vektor označený je uvedený na obrázku. 29 Přednáška č. 1 Konstrukční materiály
Další zdroje informací 1) Silbernagel, A.: Nauka o materiálu I, skripta FS VŠB TU Ostrava, 2000, 150 s. 2) Strnadel, B.: Řešené příklady a technické úlohy z materiálového inženýrství, VŠB TU Ostrava, 1998, 334 s. 3) Silbernagel, A.: Programy do cvičení z nauky o materiálu I, skripta VŠB TU Ostrava, 1999, 120 s. 4) University of Cambridge. Dissemination of IT for the Promotion of Materials Science (DoITPoMS). Animace pro podporu výuky Nauky o materiálu (Materials Science), 2010. http://www.doitpoms.ac.uk/index.html 5) 30 Přednáška č. 1 Konstrukční materiály