Základy materiálového
inženýrství
Křehké materiály
Katedra materiálu, Strojní fakulta
Technická univerzita v Liberci
© Doc. Ing. Karel Daďourek, 2010
Základní charakteristiky
křehkých materiálů
Křehký lom – bez znatelné trvalé deformace
Mez pevnosti má velký rozptyl :
kovy – 4 – 8 %
křehké materiály – až 100 %
není možné použít normální rozdělení
( P(Ru < 0) = 16 %)
Mez pevnosti závisí na velikosti vzorku
( – s rostoucí velikostí klesá)
Mez pevnosti závisí na typu zatěžování
– pro tah nejmenší, pro tlak největší
Rozdělení
Křehké materiály
Amorfní
Kysličníková
skla
Polykrystalické
(keramika)
Kovová
skla
Jsou amorfní
Nejsou křehká
Přírodní skla
Vulkanická skla :
zásaditá – 45 až 50 % SiO2 –
sideromelan
kyselá – perlit, obsidián
Skla jiného původu :
tektity
impaktní skla
fulgurity
frikcionity
Lybijské pouštní sklo
Zvětšený paprsek
Historie skel
Prvý výskyt asi 3000 let PNL
v Babylonii – natronová skla
Egyptská skla :
70 % SiO2 + 10 % CaO + 20 % Na2O
100 let PNL – vynález sklářské píšťaly
300 let NL – Římské sklo – přechod k
masové produkci s potaší ze dřeva
( K2O místo Na2O)
Struktura kysličníku křemičitého
a …. Krystalický křemen – šestiúhelníky
b …. Křemenné sklo – čtyř až osmiúhelníky
c …. Silikátové (křemičité) sklo
– neuzavřené úhelníky
Křemenné sklo
Amorfní struktura čistého SiO2
Teplota tuhnutí 1710 oC,
měkne nad 600 oC
Špatně zpracovatelné
– rychlá změna viskozity.
Hustota 2,2 g/cm3 (křemen 2,65)
Minimální teplotní roztažnost 5*10-7 K-1
Dokonalý elektrický izolátor,
malá tepelná vodivost.
Propouští viditelné světlo, UV i IČ.
Vynikající chemická odolnost
Tavicí přísady do skla
Křemenné sklo - vadí vysoká teplota tuhnutí
a vysoká viskozita taveniny.
Snížení - tavicí přísada – některý z alkalických kysličníků,
sodný nebo draselný. Tím poklesne teplota tuhnutí až na 900
o
C, poklesne silně i viskozita taveniny, současně se však sníží
silně i chemická odolnost skla a zvýší jeho elektrická vodivost
a tepelná roztažnost. Vznikne tzv. vodní sklo.
Zlepšení především chemické odolnosti
- modifikační přísada – kysličník vápenatý nebo hořečnatý.
Křemičitá skla
Ze tří základních složek pak dostáváme běžná
křemičitá (silikátová) skla. Mívají okolo 75 %
kysličníku křemičitého, zbytek jsou tavicí a
modifikační přísady (K2O, CaO).
Jejich teplota tuhnutí je okolo 1010 oC, teplota
skelného bodu 530 až 560 oC
Chemická odolnost je tím větší, čím menší je
množství alkalických kysličníků ve skle.
Vlastnosti silikátových skel
Velmi pevná (v tlaku) a tvrdá.
Vysoké moduly pružnosti, proto jen velmi málo deformovatelná.
Při pokojové teplotě jsou velmi křehká, nejsou schopna žádné plastické
deformace a nesnášejí rázové zatížení.
Tepelná roztažnost je okolo 5.10-6 K-1.
Při pokojové teplotě elektrické izolátory, s rostoucí teplotou však
vodivost skla roste (od 200 oC velmi silně).
Pevnost silně závislá na způsobu namáhání. Běžně pevnost v tlaku 1
GPa, v ohybu 0,1 GPa a v tahu 0,08 GPa.
Pevnost v tahu velmi silně závisí na rozměrech. Tyčka
∅ 1 mm má 0,1 GPa, vlákno ∅ 0,1 mm má 0,5 GPa a vlákno ∅ 30
mikrometrů má 1 GPa.
Podmínky vzniku kovových skel
– slitina musí obsahovat co nejvíce složek, čím více
složek obsahuje,
tím snadněji vzniká amorfní fáze
- složky nesmějí být snadno vzájemně rozpustné
– vzniku amorfní fáze pomáhá,
nejsou-li ve slitině čistě kovové vazby. Pomáhá
především přítomnost kovalentních vazeb
Typické vlastnosti kovových skel
Mají vysokou pevnost – asi 1/50 G ( 1 až 3 GPa). Současně
mají značnou houževnatost a korozní odolnost.
Neexistuje v nich klasická plastická deformace (nemají
dislokace), odlišné mechanizmy trvalé deformace
Při trvalé deformaci nevzniká zpevnění
Mechanizmus lomu – zpravidla k němu dochází přímo v
rovině maximálního kluzu, „potůčkovitý vzhled“.
Ohřev nad 200 oC vyvolá zpravidla zkřehnutí. Pak typický
křehký lom kolmý na směr hlavního namáhání.
Princip výroby
Kovová slitina je nejprve
indukčně roztavena
Tavenina je vytlačena
křemenným ventilem
Dopadá na rychle rotující
měděný válec, zevnitř
chlazený vodou
Indikátory zboží
Tvrdý magnetický materiál
– sepnutí/rozepnutí čidla
Měkký magnetický materiál (kovové
sklo) – vlastní čidlo
CD – RW disky
Kovová slitina Ag – In – Sb – Te – je
nízkotavitelná a velmi snadno vytváří
kovové sklo, teplota tání okolo 600 oC. Při
200 oC snadné odskelnění – vznik
krystalické fáze.
Krystalická fáze má vysokou odrazivost
pro laserové záření, amorfní malou.
„Mazání“ CD RW : všude se vytvoří silným
ohřátím amorfní fáze.
„Zápis“ na CD RW : slabším ohřátím se v
některých místech změní amorfní fáze na
krystalickou – tato místa pak odráží
paprsek laseru.
Děje při změně teploty
Výroba z taveniny
pomalým ochlazováním
– kovy
Výroba z taveniny
rychlým ochlazením až
pod teplotu zeskelnění – skla
Výroba bez roztavení, jen
ohřátím do oblasti pod
teplotu tání
- keramika
Základní vlastnosti keramiky
Vysoký bod tání, netaje při jedné teplotě
Vysoká chemická odolnost- především oxidy
Vysoká žáruvzdornost
–určí teplota výpalu
Tepelný a často i elektrický izolátor
Vysoká odolnost opotřebení – tvrdost
Vysoká pevnost, především v tlaku
Malá odolnost rázům – mechanickým i tepelným
Značná křehkost, minimální trvalá deformace
Rozdělení keramiky
Podle složení :
Kysličníková - oxidová
Neoxidová
Podle čistoty :
Směsná – z přírodních surovin
Čistá – stálé vlastnosti, drahá
Nejčastější směsná keramika
Směsná stavební keramika
Speciální metody přípravy
CIP – izostatické lisování za studena
HIP – izostatické lisování za tepla
Reakční slinování :
C v parách Si dá SiC,
Si v dusíku dá Si3N4
Zirkon na vzduchu při 1200 oC dá ZrO2
Důvod : potlačení pórovitosti
Oxidová keramika
Korundová
Zirkoniová
Rutilová
Ferity
Korundová keramika
Je to alfa fáze Al2O3, bod tání 2044 oC
Hustota 4 g/cm3
Youngův modul 360 GPa – velký
Pevnost 3000 MPa v tlaku, 400 MPa v ohybu, 150 MPa v tahu
Tvrdost nad 2000 HV, vysoká otěruvzdornost
Elektrický izolátor
Žáruvzdorná, použitelná do 2000 oC
Vysoká tepelná vodivost 1720 W/mK dává vysokou odolnost
tepelným šokům
Malá lomová houževnatost - křehký
Vysoká chemická odolnost
Užití : brusný materiál, biokeramika, řezná keramika
Zirkoniová keramika
Alfa fáze ZrO2, teplota tání 2680 oC
Hustota 6 g/cm3
Youngův modul 180 GPa – malý
Pevnost v ohybu až 500 MPa
Elektricky vodivá nad 1000 oC
Užití do 2400 oC při stabilizaci CaO – pak kubická gama
fáze, jinak do 1000 oC
Nízká tepelná vodivost 2 W/mK – tepelný izolátor,
neodolává tepelným šokům
Střední lomová houževnatost, dá se zvýšit částečnou
stabilizací – PSZ. Houževnatá keramika
Základní typ konstrukční keramiky
Mechanismus zpevnění PSZ
keramiky
Partially Stabilized Zirconia – 3 – 5 % MgO
bez napětí beta fáze – má menší objem
A – iniciace trhliny
B – šíření trhliny
Kroužky bílé – beta
fáze
Kroužky černé – alfa
fáze
Šipky – tlaková
napětí zavírající
trhlinu
Vlastnosti PSZ keramiky
Zvýšení ohybové pevnosti z 500 na 1000
Mpa (jako ocel).
Použití do 2300 oC.
Na keramiku vysoká lomová houževnatost.
Tvrdost 1700 HV (asi jako křemen)
Příklady použití čisté keramiky
Neoxidová keramika
Má nižší chemickou odolnost, především proti
oxidaci
Většinou ji nelze roztavit, při vysoké teplotě
dochází k jejímu rozkladu)
Spékání při její výrobě musí probíhat v atmosféře
bez kyslíku
Zpravidla není elektrický izolátor, buď má
polovodivé chování, nebo je vodivá jako kovy
Ve většině případů jde o karbidy nebo nitridy kovů
Vazba kovalentní až kovová.
Karborundová keramika
Karbid křemíku SiC
Čistý je šedivý, méně čistý zelený
Na vzduchu oxiduje od 1000 stupňů, maximální použitelnost 1600
stupňů, bod rozkladu na Si a C je 2700 oC
Hustota 3,1 g/cm3
Youngův modul 450 GPa – vysoký
Pevnost v ohybu 550 MPa
Tvrdost 2400 HV – více než korund
Elektricky vodivý – s přebytkem Si silitové topné tyče
Tepelná vodivost vysoká – velká odolnost teplotním šokům
Lomová houževnatost nízká
Užití : brusný materiál, topné elementy
Keramika nitridu křemíku
Fáze Si3N4, rozklad 1900 oC, oxidace od 1200 oC
Pro lepší odolnost kyslíku přídavek Al2O3 - SIALON
Hustota 3,3 g/cm3
Youngův modul 300 GPa – střední
Pevnost v ohybu až 1000 MPa
Tvrdost 1500 HV
Tepelná vodivost středně vysoká, odolává menším
tepelným šokům
Lomová houževnatost vysoká – má vláknitou strukturu,
odolává lomu. Houževnatá keramika
Základní typ konstrukční keramiky
Příklady použití keramiky
Si3N4
Turbinová kola z keramiky
Si3N4
Písty z keramiky Si3N4
Žhavé potrubí z keramiky
Si3N4 – nad 1200 stupňů
Keramický spalovací motor
Download

Základy materiálového inženýrství - KMT