SPSKS
-1-
1.0 ÚVOD
Učebnice nauka o materiálech má sloužit nově zavedenému předmětu „Nauka o
materiálech“, který je obsažen v rámcovém vzdělávacím programu „Geotechnika“ a
navazujících školních vzdělávacích programech „Těžba a zpracování ropy a zemního plynu“ a
„Těžba a zpracování kamene“.
Důvodem zavedení předmětu je skutečnost, že obor materiálového inženýrství se
postupně vyděluje z obecných poznatků. Vývoj nových materiálů je neobyčejně dynamický a
ukazuje se, že zevrubná znalost technických materiálů představuje velmi důležitou
kompetenci u stupně vzdělání střední s maturitou.
Technické materiály dnes nejsou vyvíjeny pouze s ohledem na užitné vlastnosti, ale
nově se zde objevuje aspekt udržitelného rozvoje, kdy se předpokládá, že každý výrobek či
stavba v budoucnu doslouží a bude nutné materiál posuzovat nikoli jako odpad, ale
surovinový zdroj. Tzv. R materiály jsou zajímavou skupinou materiálů a vývoj technologií
jejich dalšího využití je předmětem výzkumu na všech úrovních.
Technický a technologický vývoj je naprosto nemyslitelný bez vývoje nových
materiálů. Věk informačních technologií je podmíněn vývojem materiálů, které jsou schopny
plnit požadavky na integrované obvody, počítačové paměti apod. s exponenciálním růstem
jejich parametrů. U klasických materiálů se hledají další možnosti zlepšení jejich užitných
vlastností a vývoj se ubírá k materiálům, které se obnovují v přírodě a po skončení jejich
životnosti nekontaminují životní prostředí.
V době globalizace dochází i k horečné normotvorné činnosti, která umožňuje zlepšit
komunikaci v technické praxi. Proto se kniha, až na výjimky u slitin železa, vyhýbá
označování některých materiálů, protože v krátké budoucnosti dojde ke změnám. Změny jsou
výrazné i v oblasti zkoušení materiálů, zejména kamene. Škola pro tento účel vydává
speciální učebnici „Úvod do zkoušení kameniva“. Je to proto, že řada zkoušek je do nových
podmínek netransformovatelná, protože mají úplně jiný princip. Zkoušení materiálů a hledání
jejich vlastností nebo prohlašování shody je rovněž novým aspektem technického rozvoje.
Učebnice zařazuje do materiálů i zeminy a kámen, což není úplně obvyklé. S ohledem
na orientaci rámcového vzdělávacího programu jsou i tyto materiály používány ke stavbám
hrází, svahování, uložišť odpadu apod. Velkou perspektivu zaměstnanosti má i
environmentální geotechnika, kdy sledujeme cíl sanovat vytěžené přírodní prostředí a dát mu
jinou funkci v designu krajiny.
Přeji všem, kteří budou tuto učebnici užívat, aby získali ucelené široké vědomosti o
materiálech užívaných v oboru i mimo něj. Získané vědomosti by následně měly motivovat
absolventy k vyhledávání bližších a speciálních informací v následné praxi, kterou život
přinese.
Josef Moravec
SPSKS
-2-
2. 0 ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI TECHNICKÝCH MATERIÁLŮ A JEJICH
ZKOUŠENÍ
K pochopení materiálního světa je třeba určité metriky, která srozumitelným a
dohodnutým způsobem dává informaci o vlastnostech technického materiálu. To platí obecně
o každé hmotě ať je ve formě matérie nebo pole. U technických materiálů můžeme členit
vlastnosti na:
- fyzikální vlastnosti
- mechanické vlastnosti
- technologické vlastnosti
2.1 FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI
Jsou vlastnosti materiálu, které udáváme v základních jednotkách mezinárodní měrové
soustavy. Jejich oddělení od vlastností mechanických není zcela prosté. Způsob provádění
měření je standardizován a jde o samostatnou technickou disciplínu. Není cílem tohoto textu
vyjmenovat všechny, protože některé fyzikální vlastnosti nemají pro obor vzdělání uplatnění a
některé jsou dokonce běžně nedostupné. Především se jedná o technické materiály související
s jadernou fyzikou.
Měrná hmotnost (dříve také hustota) je fyzikální veličina, která dává informaci o hmotnosti
jednoho krychlového metru libovolného materiálu. Hodnota měrné hmotnosti dává informaci
o atomové stavbě látky, chemickém složení a případné krystalické stavbě, pokud se jedná o
pevné skupenství.
m
hmotnost materiálu [kg]
-3
ρ = —— [kg . m ]
V
objem materiálu [m³]
SPSKS
Měrný objem je fyzikální veličina, která dává informaci o objemu jednoho kilogramu
materiálu. Jde tedy o obrácenou veličinu měrné hmotnosti. V technické praxi se s touto
veličinou pracuje u plynů, kde je výhodná pro matematické modelování tepelných jevů.
V
objem materiálu [m³]
v = —— [m³ . kg-1]
m
hmotnost materiálu [kg]
Teplota tání a teplota tuhnutí θ [ºC] je teplota, při které materiál (látka) mění své
skupenství. U čistých kovů nastává tavení a tuhnutí při jedné hodnotě teploty, která se při
předpokládaném pomalém ohřevu v průběhu tavení nemění (přestane růst teplota i když je
materiál zahříván). U slitin tomu obecně tak není (pokud se nejedná o tzv. eutektika) a teplota
tavení má určitý teplotní interval.
Teplota varu a kondenzace θ [ºC] je teplota, při které dochází ke změně skupenství látky z
kapalného na plynné a naopak.
Poznámka: Teplota varu a kondenzace závisí také na tlaku, při kterém je látka zkoumána.
Platí, že čím vyšší tlak, tím vyšší teplota varu a naopak. V praxi to znamená u vody, že varu
dosahujeme za rozdílných teplot ve vysokohorském prostředí (nízký tlak) a např. v tlakovém
hrnci. Ve vakuu voda vře při teplotě 0 ºC.
-3-
Existují i látky, které mění za normálního tlaku (101 325 Pa) skupenství pevné přímo
na skupenství plynné. Tento jev se nazývá sublimace. Z čistých prvků sublimuje berylium a
jód, ze sloučenin např. voda (led) při změně tlaku.
T
K[K]
tavení - prodleva
tavení -prodleva
čas t [s]
tavení čistého kovu nebo eutektika
tavení slitiny
Obr. 1. Průběh měření teploty při tavení pevných látek
Délková a objemová roztažnost je prodloužení délky nebo zvětšení objemu vlivem zvýšení
teploty. Pro všechny materiály platí, že se zvyšující teplotou zvětšují své délkové rozměry.
Teplotní součinitel délkové roztažnosti αl [K-1] a teplotní součinitel objemové
roztažnosti αV [K-1] podává informaci o kolik se zvětší délkový rozměr, nebo objem při změně
teploty o 1 K.
SPSKS
Poznámka: U plynu je změna objemu v závislosti na teplotě složitější jev, který bude
předmětem stavby a provozu strojů. Takže uvedené platí pro pevné skupenství a pro
skupenství kapalné, kde pojem délková změna nemá smysl a předpokládá se změna pouze
objemová.
Tepelná vodivost l [W . m -1 . K-1] je teplo Q [J], které při ustáleném stavu projde za jednotku
času mezi dvěma protilehlými stěnami krychle o délce hrany 1 m při rozdílu teplot mezi
těmito stěnami 1K. Tepelná vodivost u kovů je díky tzv. kovové vazbě velmi vysoká. U
materiálů s vazbou převážně kovalentní nebo iontovou je menší.
Elektrická vodivost G [S] (siemens). Podle vodivosti materiály dělíme na vodiče a nevodiče
(izolanty). Mezi těmito mezními hodnotami existují ještě polovodiče, které vedou elektrický
proud za určitých podmínek.
Měrný elektrický odpor ρ [ Ω. m] je veličina charakterizující schopnost vést elektrický
proud. Existují kovy a látky, které za nízkých teplot dosahují vlastnosti nazývané
supravodivost. Tyto mají měrný elektrický odpor nulový.
Magnetické vlastnosti (permeabilita) bez bližšího popisu je rozdělujeme na:
- Diamagnetické, které nezesilují účinek vnějšího magnetického pole (většina
organických sloučenin a z kovů měď, stříbro, zlato, rtuť, cín, olovo),
- Paramagnetické nezesilují ani příliš nezeslabují vnější magnetické pole (kyslík a soli
vzácných zemin),
-4-
-
Feromagnetické velmi silně zesilují vnější magnetické pole (železo, nikl, kobalt a
slitiny chrómu a manganu).
Poznámka: Materiály feromagnetické lze přitáhnout magnetem s „velkou silou“ u
diamagnetického materiálu je to s malou silou (lamda sonda ve spalovacích motorech).
Vedle taxativně vyjmenovaných fyzikálních vlastností lze na materiálech měřit řadu
dalších elektrických vlastností, optických vlastností, radioaktivitu apod. Tyto však nejsou
s ohledem na studovaný obor důležité a lze se o nich dočíst v odborné literatuře.
2.2 MECHANICKÉ VLASTNOSTI
2.2.1 MECHANICKÉ VLASTNOSTI – STATICKÉ ZKOUŠKY
Jsou vlastnosti vyplývající z požadavků techniků na namáhání strojních součástí.
Hodnoty se získávají, podobně jako u vlastností fyzikálních, jejich měřením. Každá zkouška
musí podléhat standardizovanému postupu, kde jsou definovány všechny podmínky. Obvykle
to bývá normou. Základní mechanické vlastnosti vycházejí z jednotlivých druhů namáhání.
Mechanické namáhání je tah, tlak, střih, krut a ohyb. Tato namáhání často působí
v kombinacích. Konstrukční materiál musí odolávat těmto druhům namáhání a jejich
kombinaci. Mechanické vlastnosti proto dělíme na:
Pevnost je schopnost materiálu přenášet vnější zatížení bez ztráty konzistence, tj. bez
rozdělení vzorku nebo součásti na více kusů. Pevnost materiálu se určuje především v tahu a
tlaku. Získané hodnoty lze použít pro posouzení chování daného materiálu k ostatním druhům
materiálu. Pevnost je udávána v jednotkách [MPa]. Při zkouškách se hodnoty vypočítají podle
vztahu:
F
síla v tahu [N]
Napětí v tahu σt = —— [MPa]
S
průřez kolmý k vektoru síly [m2]
SPSKS
F
Napětí v tlaku σd —— [MPa]
S
síla v tlaku [N]
průřez kolmý k vektoru síly [m2]
Poznámka: na obrázku 2 jsou znázorněny průběhy zkoušky tahem a tlakem pro různé
materiály. Kromě skutečnosti, že některé materiály jsou pevnější (snesou větší zatížení) je zde
patrný i rozdílný průběh deformace v závislosti na zatěžující síle. U oceli je zřejmý v tahové i
tlakové větvi lineární charakter (přímka) části. Dále je zřejmé, že pevnost v tahu i tlaku je u
oceli stejná. U některých materiálů jako je šedá litina, kámen, beton, keramika apod. je
hodnota pevnosti v tlaku několikanásobně vyšší (3 – 20), než je tomu v tahu. To má velký
význam, pro konstrukci strojů a zařízení, ale i staveb.
-5-
schéma namáhání a deformace
namáhání
zatížení
výpočet napětí
tah
síla
F
σt = —— [MPa]
S
tlak
síla
F
σd = —— [MPa]
S
krut
kroutící moment
Mk
τk = —— [MPa]
Wk
SPSKS
střih
ohyb
Tabulka 1. Druhy mechanického namáhání
-6-
síla
F
τs = —— [MPa]
S
ohybový moment
Mo
σo = —— [MPa]
Wo
σ
[MPa]
ε[-]
ocel
hliníková slitina
šedá litina, beton, keramika
Obr. 2 Závislost vnějšího zatížení na deformaci
Tvrdost je odolnost materiálu proti vnikání cizího tělesa do jeho povrchu. Tvrdost lze zkoušet
několika způsoby.
V mineralogii se používá desetistupňová stupnice tvrdosti (Mohse), kde se u
zkoušeného minerálu určuje poloha ve vztahu ke známé tvrdosti řady minerálů, které mají
známé chemické a krystalografické složení:
1. mastek
2. sůl kamenná
3. kalcit
4. fluorid
5. apatit
6. živec (ortoklas)
7. křemen
8. topaz
9. korund
10. diamant
SPSKS
Pro technické materiály je třeba exaktnějšího měření tvrdosti. Proto se do povrchu
zkušebních vzorků, ale i reálných konstrukčních součástí vtlačují za přesně definovaných
podmínek tělíska. Měří se tak průměr, úhlopříčka, nebo hloubka otisku. Pokud se při měření
nepřipouští otisk, nebo materiál je velmi pružný, používají se k měření zkoušky odrazem,
nebo se měří hloubka zatlačení tělíska na jakési jehle.
schéma zkoušky
zkušební tělísko
název zkoušky
podmínky měření
kulička
ø 1 mm
ø 2,5 mm
ø 5 mm
ø 10 mm
Brinell
HB
měří se ø otisku ve
zkoušeném materiálu
měkké materiály
-7-
kulička ø 1/16“ tj.
1,5875mm
Rockwell
HRB (kulička)
měří se hloubka
otisku zkoušeného
materiálu
HRC (kužel)
měkké materiály
(kulička)
diamantový kužel
s vrcholovým úhlem
120º
tvrdé a velmi tvrdé
materiály (kužel)
čtyřboký diamantový
jehlan s vrcholovým
úhlem 136º
Vickers
HV
měří se úhlopříčka
otisku
tvrdé a velmi tvrdé
materiály
Tab. 2 Statické měření tvrdosti kovových materiálů
odrazové tělísko
100 g
zátěž t = 5 s
výška pádu
SPSKS
průměr 1 mm
výška odrazu
měří se hloubka zaboření v 0,1 mm
zkoušený materiál
Obr. 3 Měření tvrdosti asfaltu a pryže
Pružnost je schopnost materiálu navrátit se do původního tvaru a rozměru po odeznění
účinků vnějších sil.
Poznámka: Pružnost může být v čase velmi rychlá, např. u ocelové pružiny, ale navrácení do
původního tvaru a rozměru může trvat i relativně dlouho. Pokud se deformace odehrávají
v delším čase beze změny vnějšího zatížení, tak se jedná o tzv. reologii což je chování
materiálu při deformaci.
Houževnatost je schopnost materiálu zachovat si konzistenci (celistvost) (nerozdělit se na
více částí) v důsledku účinku vnějších sil.
Křehkost je opakem houževnatosti, tedy schopnost materiálu reagovat na účinky vnějších
zatěžujících sil ztrátou konzistence (rozpadem).
-8-
Poznámka: Většina materiálů má mechanické vlastnosti určitým způsobem zastoupené v různé
míře. Neexistuje materiál s nulovou nebo nekonečnou hodnotou libovolné mechanické
vlastnosti. Jako příklady s vysokou mírou jedné mechanické vlastnosti lze uvést sklo. Je
křehké, ale má určitou míru pružnosti. Na mechanické vlastnosti nelze pohlížet jako na
žádoucí a nežádoucí, ale na jejich míru. Křehkost u ocelové konstrukce mostu je vlastnost
absolutně nežádoucí, ale u pojistky proti přetížení např. u spojky motoru, vzpěrné desky drtiče
apod. je to vlastnost žádoucí.
2.2.2
MECHANICKÉ VLASTNOSTI –DYNAMICKÉ ZKOUŠKY
Mechanické vlastnosti ověřované dynamickými zkouškami se od zkoušek statických
odlišují rychlostí s jakou rostou účinky vnějšího zatížení. Je obtížné najít ostrou hranici mezi
zkouškami statickými a dynamickými. Pro snadnější pochopení statická zkouška např. měření
tvrdosti znamená, že zatěžující síla působí v trvání desítek sekund. Dynamická zkouška by
trvala v řádu setin sekundy. Na rychlosti nárůstu vnějších silových účinků závisí deformace a
chování materiálu velmi dramaticky. Při extrémních rychlostech, např. při srážce kovových
předmětů rychlostí v řádu 103 m.s-1, se jinak křehký materiál, např. šedá litina, chová jako
materiál tvárný a ocel jako nestlačitelná kapalina. Mechanické vlastnosti ověřované
dynamickými zkouškami dělíme na:
Zkouška rázem v ohybu kdy jde o nejpoužívanější zkoušku. Lze samozřejmě provádět
rázovou zkoušku v tahu, tlaku, krutu apod. Tato však poskytuje výsledky, které lze použít i
pro jiné druhy materiálu. Nejčastějším měřením je měření tzv. vrubové houževnatosti
materiálu. U této zkoušky se neměří vnější zatížení silou nebo napětím, ale spotřebovaná
energie k přeražení nebo ohnutí vzorku. Vrubová se nazývá proto, že vzorek má vrub ve tvaru
písmene V nebo U. Kinetická energie se získává nejčastěji pádem kladiva známé hmotnosti,
nebo pádem kladiva v podobě kyvadla (Charpyho kyvadlové kladivo). Kinetická energie
SPSKS
m .v2
Ek = —— [J]
2
Zkoušky opětovným namáháním jsou zkoušky kdy ověřujeme počet cyklů, které materiál
vydrží do jeho lomu. Tyto jsou nutné pro součásti cyklicky namáhané. Cyklické namáhání
může být jednosměrné např. namáhání tahem u šroubů hlav spalovacích motorů. Při každé
expanzi jsou namáhané tahem. Další možností je střídavé namáhání, např. tah - tlak, které
nastává na povrchu rotujících hřídelí namáhaných ohybem. Cyklické namáhání může být také
asymetrické, kdy hodnoty napětí v jednom směru jsou jiné, než ve směru opačném. Existuje
však tzv. mez únavy materiálu, kdy zkušební vzorek a po přepočtení reálná součást vydrží
nekonečný počet zatěžujících cyklů. Zabývá se jimi tzv. Wőhlerova křivka.
-9-
σ
[MPa]
počet cyklů log n
Obr. 4 Wőhlerova křivka
2.2.4 MECHANICKÉ VLASTNOSTI – ZKOUŠENÍ ZA VYŠŠÍCH A NIŽŠÍCH
TEPLOT
SPSKS
Pro konstrukci součástí, které mají pracovat za vyšších nebo naopak nižších teplot,
nemají výše uvedené zkoušky význam, protože jejich výsledky nelze použít pro např.
dimenzování. Nejčastějšími zkouškami statickými za jiných teplot je zkouška tahem, protože
z teorie pružnosti pevnosti lze řadu vlastností prostě z výsledku bezpečně přepočítat.
Z dynamických zkoušek je to nejčastěji zkouška vrubové houževnatosti. Obecně platí, že u
kovů se vzrůstající teplotou klesá jejich pevnost, ale roste tažnost a naopak. Při klesajících
teplotách řada materiálů považovaných za houževnaté křehne.
20°C
100°C
200°C
300°C
Obr. 5 Pracovní diagramy zkoušky tahem měkké oceli v závislosti na teplotách
-10-
450°C
2. 3 TECHNOLOGICKÉ VLASTNOSTI
Technologické vlastnosti souvisejí s vlastnostmi technologickými, tedy jak materiál
zpracovat. Zda je možné jej odlévat, tvářet za tepla (kovat), nebo za studena (tvářet), tepelně
zpracovat (kalit, popouštět, patentovat, cementovat, nitridovat apod.). Bez bližšího vysvětlení
nejdůležitější z nich:
- tvárnost je schopnost materiálu zachovat si tvar daný působením vnějších sil,
- lámavost posuzuje tvárnost s ohledem na lámavost, kdy vznikne trhlina,
- kovatelnost je schopnost materiálu zachovat si tvar daný působením vnějších sil za
tepla,
- svařitelnost je schopnost materiálu ke sváření za určitých podmínek,
- obrobitelnost je schopnost materiálu být obráběn ve vztahu k určitému etalonu,
- slévatelnost je schopnost materiálu vyplnit dokonale formu.
2. 4 MAKROSKOPICKÉ VLASTNOSTI MATERIÁLŮ
Materiály lze posuzovat z mnoha dalších hledisek pro jejich speciální vlastnosti, které
jsou dány povahou jejich složení. Pro účely této učebnice jsou uvedeny jenom některé:
Polymorfie znamená mnohotvárnost. U pevných látek, které mají krystalickou mřížku
(nejsou amorfní), se polymorfie projevuje tím, že chemicky stejná látka krystalizuje ve více
než jedné krystalické soustavě. Záleží na podmínkách krystalizace. Nejznámějším příkladem
je krystalizace uhlíku. Ten může krystalizovat v podobě grafitu, který je měkký. Může však za
jistých podmínek vysokých teplot a tlaků krystalizovat v kubické soustavě v podobě
diamantu, který je nejtvrdším nerostem. Polymorfie velmi závisí na teplotě a také na tlaku. Při
výrobě technických materiálů se tlak uplatňuje velmi obtížně, ale teplota a rychlost chlazení
mohou měnit krystalickou stavbu materiálu. Polymorfním materiálem je železo a jeho slitina
s uhlíkem – ocel. Strukturou krystalů oceli lze měnit zásadně vlastnosti. Toho lze docílit např.
tepelným zpracováním. V mineralogii známe celou řadu minerálů, které krystalizují v různých
soustavách. Zde se při jejich vzniku uplatňoval vedle vysokých teplot i vysoký tlak. Při změně
teplot dochází k překrystalizaci u polymorfních materiálů. To se projevuje spotřebou nebo
uvolňováním latentního tepla (skryté teplo). Průběh překrystalizace se projeví v diagramu
T - t (teplota – čas) změnou směrnice oteplovacích a ochlazovacích přímek. Výjimkou jsou
tzv. eutektika. Těleso z polymorfního materiálu mění také svůj objem a tím i měrnou
hmotnost.
SPSKS
-11-
T
[K]
tavení
kapalná
fáze
tuhnutí
tuhá fáze
modifikace δ
modifikace β
modifikace α
čas t [s]
Obr. 6 Průběhy teplot při ohřevu a ochlazování polymorfních materiálů čistých kovů nebo eutektika a
eutektoidu
Izotropie a anizotropie. Izotropní materiál má ve všech směrech stejné vlastnosti.
Vlastnostmi jsou zde myšleny fyzikální, mechanické, technologické apod. Anizotropní
materiál nemá ve všech směrech stejné vlastnosti. Anizotropie může být vlastností přirozenou
dané látce díky např. chemickým vazbám. Jako příklad nechť poslouží např. slída nebo dřevo.
Dají se štípat pouze v jednom směru, v ostatních směrech k jejich dělení musíme použít jinou
technologii. Horniny s ohledem na svůj vznik mají také anizotropní vlastnosti (hont, dobrá a
špatná strana). Anizotropie je i „vyrobitelná“ s ohledem na technologii zpracování, plechy –
válcování, drát – tažení, vlasec – tažení a tuhnutí, fólie – válcování a tuhnutí. Znalost
anizotropních vlastností do značné míry určuje technologii např. těžby a zpracování materiálů.
SPSKS
Homogenita a heterogenita (stejnorodost a nestejnorodost). Homogenní materiál je
takový materiál (bez ohledu na jeho skupenství), který se skládá z jedné nebo více látek
určitého chemického složení. Částice s různým chemickým složením jsou však menší než
0,000 001 mm. Pokud jsou částice větší jde o heterogenní látku. Jde o tzv. disperzní soustavu.
Ta může obecně existovat podle tabulky.
disperzní
prostředí
dispergovaná fáze
tuhé
tuhá
kapalná
plynná
název disperzní
soustavy
tuhá směs
tuhá pěna
tuhá pára
kapalné
tuhá
kapalná
plynná
suspenze
emulze
pěna
hašené vápno, barviva, maziva
mléko, asfaltová emulze
mýdlová pěna
plynné
tuhá
kapalná
plynná
dým, kouř
mlha, déšť
neexistuje
popel a prach ve vzduchu
mlha
neexistuje
Tabuka 3. Disperzní soustavy
-12-
příklady
šedá litina, sklo, žula
formela, tmely
pemza
3.0 KOVOVÉ MATERIÁLY - CHEMICKÉ PRVKY
Kovové materiály, přes nepochybný nárůst moderních materiálů jako jsou kompozity a
speciální slitiny, představují největší podíl na konstrukci strojů a zařízení ve většině oborů
spojených s hornickou činností a činnostmi vykonávanými hornickým způsobem.
Jaké prvky Mendělejevovy periodické soustavy lze považovat za kovy? Pojem kov v sobě
zahrnuje alkalické kovy, kovy alkalických zemin, přechodné kovy, aktinoidy, lanthanoidy a
kovy. Bližší poznatky nabízí právě Mendělejevova tabulka. Ta existuje tzv. zkrácená a je
častěji používaná při výuce, a prodloužená. Prodlouženou lze považovat za exaktně přesnější.
Tisk lanthanoidů a aktinoidů mimo tabulku je přípustný, protože jejich použití je v praxi
vzácné. Výjimkou bude prvek cer u tvárných litin. Obě tabulky jsou v textu spolu s tabulkou
základních vlastností a použití některých prvků tabulky.
Kov je prvek, který má většinu těchto vlastností:
- charakteristický lesk, tj. vysokou odrazivost pro viditelnou část spektra. Jinak kovy
jsou neprůhledné i pro velmi tenké vrstvy což je důsledek velmi husté struktury, kdy
na jednotku plochy resp. objemu se vyskytuje velký počet atomů.
- vysokou tažnost a kujnost. Neboli lze je natahovat nebo jim měnit tvar - obecně jsou
houževnaté. Je to důsledek kovové vazby, která dovoluje mřížkovým rovinám se
navzájem přeskupovat.
- vysokou tepelnou a elektrickou vodivost. To je důsledkem dostatečného počtu
nabitých částic, které se snadno pohybují krystalickou mřížkou.
- vysoký elektropozitivní charakter, který dovoluje relativní snadnost odtržení
valenčních elektronů, kdy vzniká např. iontová vazba.
SPSKS
Mezi kovy a nekovy neexistuje nějaká ostrá hranice. Existují prvky, které svými
vlastnostmi hraničí mezi kovy a nekovy.
-13-
MENDĚLEJEVOVA TABULKA PRVKŮ ("ZKRÁCENÁ")
Li
Be
Na Mg
K
Ca
Sc
Ti
Rb
Sr
Y
Cs
Ba
Fr
Ra
V
Cr
Mn
Fe
Co
Zr
Nb Mo
Te
Ru
Rh
*
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
**
Rf
Db
Sg
Bh
Hs
Mt
*Lanthanoidy
La Ce
Pr
Nd
Pm
Sm
** Aktinoidy
Ac Th
Pa
U
Np
Pu
SPSKS
H
He
B
C
N
O
F
Ne
Al
Si
P
S
Cl
Ar
Ni
Cu
Zn
Ga
Ge
As
Se
Br
Kr
Pd
Ag
Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
Pt
Au
Hg
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
Ds
Rg
Uub
Uut
Uuq
Uup
Uuh
Uus
Uuo
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tn
Yb
Lu
Am
Cm
Bk
Cf
Es
Fm
Md
No
Lr
kapaliny
plyn
-14-
MENDĚLEJEVOVA TABULKA PRVKŮ ("PRODLOUŽENÁ")
Li
Be
Na Mg
K
Rb
Ti
Ca Sc
Sr
SPSKS
H
Y
C
N
O
F
Ne
Al
Si
P
S
Cl
Ar
Cr Mn Fe Co Ni Cu
Zn
Ga
Ge
As
Se
Br
Kr
Zr Nb Mo Te Ru Rh Pd Ag
Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
Hg
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
Uup
Uuh
Uus
Uuo
Eu
Fr
Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Uub Uut Uuq
U
Np
Pu
Er
B
Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm
Ra Ac Th Pa
Gd Tb Dy Ho
V
He
Tn Yb Lu Hf Ta
-15-
W
Re Os
Ir
Pt Au
VYBRANÉ CHEMICKÉ PRVKY
značka
název
at.hmotn.
vlastnosti
použití
ALKALICKÉ KOVY IA
Lithium
6,941
Kov s velmi malou měrnou
hmotností (lehčí než voda),
velmi měkký,
ρ = 534 kg.m-3 , teplota tání
180°C.
Sodík
22,989
Kov s velmi malou měrnou
hmotností (lehčí než voda i
než lithium), velmi měkký.
Draslík
39,098
Rubidium
85,468
Kov s velmi malou měrnou
hmotností (lehčí než voda i
než lithium a sodík), velmi
měkký podle Moohse 0,5.
Velmi měkký stříbrný kov,
s nízkou
teplotou
tání
39,31°C.
Li
Na
K
Rb
Cesium
Organogenní prvek, vyskytuje se
hojně v minerálech, součást ledku,
hnojiv,
kovových
mýdel
(mazlavé), při výrobě skla.
Vyskytuje se v minerálech vedle
dalších
alkalických
kovů,
v zábavné pyrotechnice, fotočláncích, používá se jako getr.
Vyskytuje se v minerálech spolu
s ostatními alkalickými kovy, pro
výrobu
katodových
trubic,
fotočlánků apod.
Vyskytuje se v uranových a
thoriových rudách, jeho izotopy
jsou velmi nestabilní.
SPSKS
132,90
Velmi měkký nažloutlý kov,
s nízkou
teplotou
tání
28,44°C.
Francium
223,019
Má největší měrnou hmotnost
ze skupiny ρ = 1870 kg.m-3 ,
teplota tání 27°C.
Berylium
9,012
Křehký kov velmi tvrdý,
měrná hmotnost ρ = 1850
kg.m-3 , teplota tání 1287°C.
Hořčík
24,305
Tažný středně lehký stříbřitý
kov ρ = 1738 kg.m-3 , teplota
tání 650°C.
Vápník
40,06
Poměrně lehký reaktivní kov
ρ = 1550 kg.m-3 , teplota tání
842°C.
Stroncium
87,62
Velmi reaktivní kov ρ = 2640
kg.m-3 , teplota tání 777°C.
Cs
Pro výrobu akumulátorů, chladící
médium
jaderných
reaktorů,
zvyšuje u skla index lomu –
optická skla, speciální slitiny s Mg,
Al a pod. Součást plastických
maziv – kovové mýdlo L-V-2-3,
váže na sebe oxid uhličitý.
Chladící
médium
jaderných
reaktorů, sloučeniny pro výrobu
skla, silné redukční činidlo,
kovová mýdla, váže na sebe oxid
uhličitý.
Fr
KOVY ALKALICKÝCH ZEMIN IIA
Be
Mg
Ca
Sr
-16-
Vyskytuje se hojně v minerálech,
ve slitinách se železem zabraňuje
jiskření ( beryliové bronzy),
v rentgenové optice jako čočka,
moderátor v jaderných reaktorech.
Vyskytuje se hojně v minerálech,
používá se v metalurgii, ve
slitinách s Cu, Al, Mn. Jeho
některé chemické reakce se
vyznačují intenzivními světelnými
efekty.
Je pátým prvkem s největším
výskytem
v přírodě,
hojně
v minerálech, redukční činidlo při
výrobě
kovů
U,
Zr,
Th
v materiálech typu sádra, cement.
Vyskytuje se v minerálech, barví
plamen – pyrotechnika, zvyšuje
index lomu skla až k indexu
diamantu.
Baryum
137,34
Poměrně lehký reaktivní kov
ρ = 3510 kg.m-3 , teplota tání
727°C.
Radium
226,02
Velmi reaktivní kov ρ = 5500
kg.m-3 , teplota tání 700°C.
Ba
Ra
Vyskytuje se v minerálech, jako
suspenze ve vodě má velkou
měrnou hmotnost a využívá se u
ropných vrtů jako výplach,
v optice, a pyrotechnice – barví
plamen.
Vyskytuje se ve smolinci a je
produktem rozpadu uranové i
thoriové řady, má luminiscenční
vlastnosti, v čistém stavu několik
gramů ročně pro
veškerou
spotřebu.
PRVKY OSTATNÍCH SKUPIN
Skandium
44,95
Titan
47,88
Zirkonium
91,22
Sc
Ti
Zr
Vanad
V
Vyskytuje se při zpracování
uranových rud, používá se u
výkonných zdrojů světla, při
rafinaci ropy a ve speciálních
slitinách pro kosmonautiku.
Vyskytuje se hojně v minerálech,
chemický a kosmický průmysl
tam, kde nevyhovují levnější
slitiny, velmi těžce se získává
z rud,
hojný
v barvivech
a
keramice.
Vyskytuje se v minerálech, použití
v jaderné energetice, pro speciální
účely, keramika.
SPSKS
50,94
Niob
92,90
Tantal
180,94
Chrom
51,99
Molybden
95,94
Stříbřitý tvrdý a křehký kov,
ρ = 10280 kg.m-3 , teplota tání
2623°C.
Wolfram
183,85
Šedý až stříbřitě bílý kov
s nejvyšší teplotou tavení
elementárního
kovu,
ρ = 19250 kg.m-3, teplota tání
3422°C.
Nb
Ta
Cr
Mo
W
Stříbřitě bílý měkký kov na
vzduchu
oxiduje
a
vlastnostmi se podobá Al a Ti
ρ = 2985 kg.m-3 , teplota tání
1541°C.
Šedý až stříbřitě bílý kov
s mimořádnou
chemickou
stálostí, vysokou pevností a
malou měrnou hmotností
ρ = 4506 kg.m-3 , teplota tání
1668°C.
Šedý až stříbřitě bílý tvrdý
kov s mimořádnou chemickou stálostí, ρ = 6520 kg.m-3
teplota tání 1855°C.
Šedobílý tvrdý kujný kov
s vysokou
teplotou
tání
ρ = 6110 kg.m-3 , teplota tání
1915°C.
Šedý kujný za nízké teploty
chemicky stálý kov ρ = 8570
kg.m-3, teplota tání 2477°C.
Tvrdý modrošedý vysoce
inertní kov, ρ = 16690 kg.m-3,
teplota tání 3017°C.
Nejtvrdším
elementárním
kovem, mimořádná chemická
stálost ρ = 7150kg.m-3,
teplota tání 2670°C.
-17-
Je 19 tým nejrozšířenějším
prvkem, ale je velmi rovnoměrně
zastoupen, používá se ve slitinách
s hliníkem a ocelí s vysokou
pevností a žárupevností, pro
supravodivé materiály.
Je velmi rovnoměrně zastoupen a
těžce se hledají těžitelné rudy, pro
supravodivé materiály, slitiny.
V minerálu tantalitu, použití ve
speciálních slitinách pro chemický,
letecký a kosmický průmysl.
V minerálech – drahokamech,
doprovodné sloučeniny železných
rud, použití ve slitinách – oceli, na
geologické vrtné nástroje a
speciální materiály.
Minerál molybdenit a měďnaté
rudy, legující prvek v oceli, jako
katalyzátor při odsiřování ropy,
v chemickém průmyslu.
V minerálech, použití v elektrotechnice, technologiích svařování,
jako legující prvek v ocelích,
v chemickém průmyslu, prášková
metalurgie – WC.
Mangan
54,98
Světle šedý tvrdý a křehký
kov ρ = 7210kg.m-3, teplota
tání 1246°C, tři modifikace.
Vyskytuje se v minerálech a je
doprovodným prvkem v železných
rudách, většinou se používá jako
legující prvek
u ocelí
–
Hadfieldova ocel, pro speciální
slitiny a usměrňovače hoření u
raket na pevná paliva.
Železo
55,847
Poměrně měkký, světle šedý
až bílý feromagnetický kov,
dvě modifikace ρ = 7860
kg.m-3, teplota tání 1538°C
Osmium
190,2
Kobalt
58,93
Ušlechtilý značně tvrdý a
křehký kov s druhou nejvyšší
měrnou hmotností ρ = 22610
kg.m-3, teplota tání 3033°C,
patří do skupiny platinových
kovů .
Stříbrolesklý velmi tvrdý a
pevný prvek s feromagnetickými
vlastnostmi
ρ = 8900kg.m-3, teplota tání
1495°C, dvě modifikace.
Vyskytuje se hojně v minerálech a
železných rudách, používá se ve
slitinách v obrovském množství,
v elektrotechnice pro magnetické
vlastnosti.
Vyskytuje se jako doprovodný
prvek v platinových a iridiových
rudách, v čistém stavu se
nepoužívá, pouze ve slitinách pro
chirurgické použití, hroty per apod.
Iridium
192,22
Mn
Fe
Os
Co
Ir
SPSKS
Nikl
58,69
Palladium
106,4
Platina
195,09
Měď
63,546
Typický kov červenohnědé
barvy ρ = 8960kg.m-3,
teplota tání 1084°C.
Stříbro
107,86
Ušlechtilý kov bílé barvy
ρ = 10490kg.m-3, teplota tání
961°C.
Ni
Pd
Pt
Cu
Ag
Ušlechtilý, tvrdý a křehký
kov, velmi odolný vůči
chemickým vlivům nejvyšší
hodnota měrné hmotnosti
ρ = 22650kg.m-3, teplota tání
2446°C.
Stříbrolesklý tvárný feromagnetický kov ρ = 8908kg.m-3,
teplota tání 1455°C.
Vyskytuje se v olověných a
měděných rudách, používá se do
slitin, slinutin,
keramik, skla,
glazur a barev – pigmentů,
jaderných technologiích hojně
jeho izotopy.
Vyskytuje se v rudách platinových
kovů, ve speciálních slitinách, na
stroje sklářských technologií při
tažení optických vláken, elektrody
zapalovacích svíček, etalony měr a
vah.
Vyskytuje se v mořské vodě,
železných rudách a minerálech,
používá se jako legující prvek do
slitin,
při
galvanickém
pokovování, Monelův kov apod.
Vyskytuje se v platinových rudách,
použití
jako
katalyzátor
v organických
syntézách,
v automobilovém průmyslu apod.
Vyskytuje se v ryzím stavu, použití
katalyzátory, konstrukční materiál
pro sklářské pece na tažení
optických vláken, v medicíně –
cytostatika.
Drahý kov šedivé barvy,
s vysokým stupněm reakcivity ρ = 12023kg.m-3, teplota
tání 1555°C.
Ušlechtilý kujný a tažný kov
ρ = 21450kg.m-3, teplota tání
1768°C.
-18-
Vyskytuje se v ryzím stavu, častěji
v minerálech a rudách, použití
v elektrotechnice, slitiny (mosaz,
bronzy, dělovina), legura u ocelí.
Vyskytuje se v ryzím stavu,
v mořské vodě a jako příměs zlata,
nejlepší tepelná a elektrická
vodivost, optika optoelektronika,
speciální slitiny.
Zlato
196,96
Ušlechtilý chemicky velmi
odolný kov typické barvy
ρ = 19300kg.m-3, teplota tání
1064°C.
Vyskytuje se v ryzím stavu
(minerál 1. skupiny), použití
v mikroelektronice,
sklářský
průmysl (barví sklo do rubínové
barvy), šperkařství.
Zinek
65,39
Kadmium
112,41
Kovový prvek se silným
leskem za vyšších teplot
kujný a tažný, ρ = 6570
kg.m-3, teplota tání 419°C.
Měkký lehce tavitelný bílý
toxický kov, ρ = 8650kg.m-3,
teplota tání 321°C
Rtuť
200,59
Stříbřitě bílý kapalný kov
nápadně
velké
měrné
hmotnosti, ρ = 13534kg.m-3,
teplota tání -38,83°C.
Vyskytuje se v minerálech, použití
jako
ochrana
před
korozí
galvanicky nebo žárově nanášený
na kovy, ve slitinách.
Vyskytuje se v rudách olova a
zinku
jako
příměs
nikoli
v minerálech, použití jako ochrana
proti
korozi
(galvanické
pokovování),
v akumulátorech
apod.
Vyskytuje se jako ryzí kov nebo
v minerálu cinabaritu (rumělka),
používá se ve rtuťové metalurgii,
elektrotechnice, amalgám je kov
rozpuštěný ve rtuti.
Hliník
26,98
Stříbřitě šedý nestálý kujný
kov, ρ = 2700kg.m-3, teplota
tání 660°C.
Au
Zn
Cd
Hg
Al
Gallium
Ga
SPSKS
69,72
Velmi řídce se vyskytující
kov s nízkou teplotou tavení,
ρ = 5910kg.m-3, teplota tání
29,74°C
Je typicky nekovový prvek,
vyskytuje se ve dvou
modifikacích jako grafit
ρ = 2267kg.m-3 teplota tání
3527°C a jako diamant,
ρ = 3513kg.m-3 .
Uhlík
12,011
Křemík
28,08
Polokovový
prvek,
ρ = 2330kg.m-3, teplota tání
1410°C.
Cín
118,69
Olovo
207,2
Stříbrolesklý kov vyskytující
se ve třech alotropiích
modifikacích
,
základní
ρ = 7260kg.m-3, teplota tání
231°C.
Šedý, měkký, těžký a toxický
kov, ρ = 11340kg.m-3, teplota
tání 327°C.
C
Si
Sn
Pb
Je nejčastěji se vyskytujícím
prvkem v zemské kůře, díky své
reaktivitě zásadně ve sloučeninách
a
minerálech
(rubín,
safír,
smaragd),
použití
v lehkých
slitinách, elektrotechnice.
Vyskytuje se jako příměs v rudách
zinku a železných rudách, použití
v polovodičové elektronice, ve
speciálních teploměrech
Vyskytuje se v anorganických i
organických sloučeninách, ve
kterých tvoří základ, v čisté formě
grafitu v technických disciplínách,
ve formě diamantu u špičkových
technologií,
v jaderné
fyzice,
optice, samostatnou kapitolou jsou
organické látky (ropa, zemní plyn,
uhlí).
-19-
Vyskytuje se v zemské kůře velmi
hojně a ve velkém množství
minerálů,
použití
je
elektrotechnika
(polovodiče),
silikátová chemie, legující prvek
řady slitin, keramika apod.
Vyskytuje se v několika rudách,
použití v potravinářství, sklářský
průmysl, ve slitinách (bronz).
Vyskytuje se v rudách stříbra a
několika minerálech, používá se
v akumulátorech,
slitinách
a
jaderných zařízeních.
Dusík
14,01
Je plyn bez barvy, chuti a
zápachu, málo reaktivní,
teplota varu -195,8°C.
Vyskytuje se v atmosféře země,
používá se v kapalném stavu jako
chladivo, chemicky vázaný ve
výbušninách,
v
pevných
a
kapalných palivech raket, jako
ochranná atmosféra v hutnictví
apod.
Fosfor
30,97
Nekovový prvek v pevné
fázi, vyskytuje se ve třech
alotropních
modifikacích,
teplota tání 44,2°C.
Arsen
74,92
Polokov vyskytující se ve
čtyřech alotropních modifikacích.
Bizmut
208,98
Kov bílé barvy, křehký a
hrubě
krystalický,
ρ = 9780kg.m-3, teplota tání
271°C.
V přírodě se vyskytuje výhradně
ve sloučeninách a minerálech,
používá se do slitin (bronzy) a
v pyrotechnických aplikacích, je
jedovatý.
Vyskytuje se jako doprovodný
prvek v několika rudách a v uhlí,
používá se v polovodičové
elektronice (vodivost typu N).
Vyskytuje
se
v minerálech,
používá se do slitin a díky teplotě
tání a varu pro bezpečnostní
zařízení, při výrobě glazur,
v metalurgii tvárná litina.
Kyslík
15,99
Je plynný biogenický prvek,
teplota varu -218°C.
N
P
As
Bi
O
Síra
S
SPSKS
32,066
Nekovový prvek vyskytující
se v několika alotropních
modifikacích.
Nekovový prvek vyskytující
se ve čtyřech modifikacích,
ρ = 4810kg.m-3, teplota tání
221°C.
Patří spíše mezi kovy,
stříbřité barvy vyskytuje se
vzácně, ρ = 6240kg.m-3,
teplota tání 449°C.
Selen
78,96
Tellur
127,6
Fluor
18,99
Zelenožlutý dráždivý plyn,
extrémně reaktivní, teplota
varu -188°C.
Chlor
35,453
Toxický světlezelený plyn
s velmi vysokou reaktivitou,
teplota varu -101°C.
Vyskytuje
se
v minerálech,
používá
se
pro
extrémní
reaktivnost v chemické výrobě,
jako součást raketových paliv
s velkým specifickým impulsem,
v organické chemii, chladírenské
technologie - (freony).
Vyskytuje se v mořské vodě (soli)
a minerálech, používá se v chemii
při výrobě kyselin.
Brom
79,904
Toxická
červenohnědá
kapalina, ρ = 3102kg.m-3,
teplota tání -7,3°C.
Vyskytuje se v mořské vodě a
minerálech, použití v jaderných
technologiích a klasické fotografii.
Se
Te
F
Cl
Br
Vyskytuje se v atmosféře, ve vodě
jako sloučenině, minerálech apod.,
používá se v metalurgii a je
základním okysličovadlem v řadě
technologicky využívaných reakcí
(hoření).
Vyskytuje se v mořské vodě a
minerálech, použití v chemii a
biochemii.
Vyskytuje se poměrně vzácně,
obvykle doprovází rudy síry a
telluru, používá se při výrobě
fotočlánků.
Vyskytuje se v rudách, kde
doprovází síru a selen, používá se
k barvení skla, jako mikrolegura
v metalurgii, k výrobě fotočlánků.
-20-
Jód
126,90
Helium
4,002
Neon
20,17
Argon
39,948
Kr
Krypton
83,8
Xe
Xenon
131,3
Rn
Radon
I
He
Ne
Velmi vzácný prvek skupiny
halogenů, pevná látka tmavě
fialové
barvy
v podobě
krystalových
destiček,
ρ = 4933kg.m-3, teplota tání
114°C.
Vzácný plyn téměř inertní,
teplota varu – 268,9°C,
supravodivost, supratekutost,
helium II.
Vzácný plyn úplně inertní,
teplota varu – 248,4°C.
Vzácný plyn úplně inertní,
teplota varu – 189,4°C.
Ar
Vzácný plyn úplně inertní,
teplota varu – 210,5°C.
Vzácný plyn téměř inertní,
chemické sloučeniny tvoří
velmi vzácně, teplota varu
– 111,4°C.
Vzácný
plyn
nestabilní
inertní,
teplota
varu
–65°C.
Vyskytuje se ve sloučeninách
rozpuštěných v mořské vodě a
minerálech,
používá
se
v
chemickém průmyslu, je výrazně
biogenním prvkem.
Vyskytuje se ve vyšší atmosféře a
vyskytuje se jako součást rozpadu
těžkých jader, poprvé byl izolován
ve smolinci, fyzikálně může být
vázán v trhlinách v zemi a
v zemním plynu, použití ve
speciálních chladících zařízeních,
k plnění vzducholodí.
Vyskytuje se v atmosféře, použití
v osvětlovací technice.
Výskyt
v atmosféře,
použití
v metalurgii titanu a speciálních
slitin, ve svařovací technice, při
růstu
krystalů
superčistých
polovodičů.
Výskyt v atmosféře.
Výskyt v atmosféře, je součástí
rozpadové řady uranu a plutonia,
použití ve výbojkách světlo je
baktericidní.
Vyskytuje se jako produkt rozpadu
uranu, radia a thoria, dále se
rozpadá, využití v geologii.
SPSKS
22,01
-21-
4. 0 METALOGRAFIE
Metalografie se zabývá zkoumáním vnitřní stavby, tedy struktury kovů a slitin. Stavba
souvisí s chemickým složením a různými vlastnostmi materiálu. Zásadní vliv mají tyto
znalosti např. na tepelné zpracování kovů. Jako věda je metalografie velice rozsáhlá a tato
učebnice nemá ambici postihnout alespoň encyklopedicky její průřez. Na druhou stranu je
nutné pro technicky vzdělaného člověka vědět některé zákonitosti.
4.1 VNITŘNÍ STAVBA KOVŮ A SLITIN
Všechny látky typu materie jsou složeny z prvků Mendělejevovy periodické soustavy,
viz kapitola 3. Na planetě Zemi se vyskytuje 92 prvků, z nichž 77 má charakter kovů. Pevná
látka může z pohledu metalografie být látkou amorfní (beztvarou), která nemá krystalickou
strukturu a podobá se kapalině s extrémně vysokou viskozitou. Druhou možností je
krystalická stavba látky.
Poznámka: Pojem viskozita vyjadřuje odpor tekutiny proti smykovému tření, nebo přilnavost.
V běžném hovoru se identifikuje s hustotou ve smyslu odporu proti např. míchání. Pro
pochopení významu viskozity udělejme myšlenkový pokus. Mějme pět skleněných nádob
naplněných různými látkami. Z pokusu je zřejmé, že z hlediska skupenství hmoty se jedná o
plyn (vzduch), kapaliny (voda, olej) až po zdánlivě pevné látky (asfalt, sklo).
SPSKS
vzduch
voda
olej
asfalt
sklo
Obr. 7 Schéma měření viskozity
Do těchto nádob vhodíme kuličku a budeme měřit čas potřebný k tomu, aby kulička dopadla
na dno nádoby. Tekutiny (plynné + kapalné skupenství) jsou na obrázku v takovém pořadí, že
první dopadne kulička na dno nádoby naplněné vzduchem. Dopad kuličky v asfaltu nebo
dokonce ve skle bude trvat desítky a možná i tisíce let. Příčinou je viskozita.
-22-
Krystalická látka má atomy uspořádány s určitou pravidelností a z pohledu chemie
jsou jednotlivé atomy drženy kovovou nebo iontovou vazbou. Nejmenší část krystalické
mřížky, na které je možné prokázat zákonitost celé mřížky, se někdy nazývá elementární
buňka.
Elementární buňka může mít různý tvar. Rozeznáváme několik krystalografických
soustav. Jsou to krychlová, čtverečná, kosočtverečná, šesterečná, jednoklonná a trojklonná.
Technicky důležité kovy krystalizují nejčastěji v soustavě krychlové (kubické) a šesterečné
(hexagonální). Mnohem větší pestrost v krystalografické skladbě je u minerálů.
Základním tvarem krychlové soustavy je krychle, v jejichž rozích jsou uloženy těžiště
atomů. Vzdálenost těchto pomyslných bodů označujeme jako mřížkovou konstantu.
Obr. 8 Schéma prostorové mřížky s vyznačenou elementární buňkou a elementární buňka
V takovéto nejjednodušší mřížce však nekrystalizuje žádný kov. Nalezneme ji
v mineralogii u diamantu, nitridu bóru a u několika dalších minerálů.
Variantou krychlové soustavy je soustava krychlová prostorově středěná. Tato
vznikne tak, že se jedna mřížka posune po tělesové úhlopříčce do těžiště druhé buňky svým
rohovým bodem. V této soustavě krystalizuje 13 kovů. Jsou to železo α a železo δ, chrom,
lithium, draslík, molybden, sodík, tantal, wolfram, vanad, rubidium, cesium, baryum a niob.
Jde v převážné většině o kovy za studena málo plastické.
Další variantou krychlové soustavy je soustava krychlová plošně středěná. Tato
vznikne tak, že sousední buňky se posouvají po stěnové úhlopříčce. Je zřejmé, že toto
uspořádání je za podmínky stejného parametru buňky mnohem těsnější, než u mřížky
prostorově středěné. V této soustavě krystalizují kovy jako je železo γ, vápník α, stroncium,
hliník, rhodium, iridium, niob, platina, měď, stříbro, zlato, olovo. Všechny tyto kovy jsou
velmi tvárné.
SPSKS
Obr. 9 Plošně středěná mřížka a prostorově středěná mřížka
-23-
Šesterečná mřížka má tvar šestibokého hranolu. Atomy jsou umístěny v rozích, ve
středech obou základen, a tři atomy leží uvnitř elementární buňky. V této soustavě
krystalizuje např. zinek, kadmium, hořčík, berylium, titan, kobalt a další.
Obr. 10 Šesterečná mřížka
Poznámka:V kapitole 2.4 byl zmíněn pojem alotropie. To je schopnost kovů a slitin krystalizovat ve
více krystalických soustavách. Značíme je postupně podle teplot v jakých se vyskytují v pořadí řecké
abecedy.U některých slitin mají tyto soustavy speciální názvy.U vyjmenovaných příkladů je zřejmé o
jaké kovy se jedná.
4.2
NEDOKONALOSTI SKUTEČNÉ MŘÍŽKY
Kovové materiály se skládají z většího počtu krystalů, které tvoří shluk nazývaný též
konglomerát. Taková látka se nazývá polykrystalickou. Opakem jsou materiály, které jsou
tvořeny jediným krystalem zvaným monokrystal.
Růst monokrystalu je velmi složitý a umělý růst podobných materiálů patří do
mikroelektroniky, optoelektroniky a do nanotechnologií.
Při krystalizaci polykrystalických látek vzniká velký počet zárodků krystalů a tyto se
setkávají s dalšími zárodky a navzájem si omezují prostor růstu z taveniny. Takto vznikají
zrna. Vzniká tak velké množství nepravidelností, nedokonalostí a mřížkových poruch. Na
jednom zrnu se vyskytuje běžně kolem jednoho milionu poruch.
SPSKS
Obr. 11 Mřížka bez poruch a mřížka s vakancí (chybí atom)
Poruch mřížek je více druhů, vedle chybějícího atomu v mřížce, který mřížku deformuje
existují poruchy typu cizí atom v mřížce, atom v mezimřížkovém prostoru apod.
-24-
Obr. 12 Zrna kovů a jejich slitin
Doposud jsme popsali materiály krystalické a amorfní, ale vedle těchto struktur
existují určité přechodové fáze. Pevné látky mohou mít sice povahu struktury takovou, že
nenalezneme důkaz jejich krystalické stavby, přesto lze ve struktuře molekul zaznamenat
určitý řád. Z pohledu chemie se jedná obvykle o kovalentní vazby. Ty se vyskytují u
uhlovodíků a polymerů. Zde lze technologií polymerace a dalšího zpracování docílit určitého
síťování řetězců - C - H -. Pak mohou existovat tzv. lineární polymery, kde převládá dlouhý
řetězec v nějakém směru. Druhou možností je síťový polymer, kde řetězce tvoří texturu
podobnou síti. Takové materiály logicky vynikají také anizotropií, protože např. při statistické
dominaci řetězce - C – H – v nějakém směru je např. pevnost v tahu větší, než v příčném
směru. Některé amorfní látky se proto dopují látkami, které vyvolávají síťování struktury.
Typickým příkladem jsou asfalty.
Dále jsme u kovů uvedli krystalickou stavbu za podmínek teploty. Doposud jsme
nehovořili o rychlosti tuhnutí nebo rychlosti změny krystalické stavby (pravá část obrázku
č. 6). Rychlost s jakou odebíráme tepelnou energii a latentní teplo určité krystalické stavby
má vliv na stavbu krystalů. Rychlost ochlazování při tuhnutí nebo při překrystalizaci je
podstatou tepelného zpracování např. oceli (kalení – rychlé ochlazování, žíhání a popouštěnípomalé ochlazování). Rychlost ochlazování může být dokonce tak velká, že tavenina ztrácí
teplo takovou rychlostí, že atomy „nemají čas“ zaujmout polohu v potenciální krystalické
mřížce. Technologií extrémně rychlého ochlazování se vytvářejí tzv. kovová skla. Je to
materiál, který je chemicky kov, např. železo, ale není krystalickou látkou. Takové materiály
mají zvláštní vlastnosti a to především fyzikální. V praxi slouží jako materiály snímající
magnetizmus apod.
U kapaliny hovořit o krystalické stavbě nemá smysl, protože částice hmoty jsou
vázány jinými silami. Přesto existují tzv. tekuté krystaly, které v kapalném stavu vykazují
řadu vlastností typických pro látky krystalické. V praxi slouží jako displeje s extrémně malým
příkonem, v biologii jsou na koncích neuronů apod.
Nabízí se logická otázka – jaké vlastnosti by měly materiály, kdyby nedokonalosti
nebo poruchy krystalických mřížek neexistovaly. Materiál by vynikal o dva řády vyšší
pevností v tahu a měl by řadu jiných pozoruhodných vlastností. V dnešní době se daří vyrábět
vlákna s jednou jedinou vadou a to šroubovou dislokací. Odborně se nazývají whiskery.
Na obrázku 12 jsou nakreslena zrna kovů, která vznikají jako shluky krystalů.
Statisticky na nich lze vyčíst určitý směr chladnutí. To proto, že ve směru, kde je odebíráno
při tuhnutí teplo, rostou krystaly převážně ve směru gradientu (spádu )teploty. Obrázek
vpravo svědčí o tuhnutí rovnoměrném k souřadné soustavě. Levý obrázek poukazuje na
skutečnost, že převládá chladnutí ve směru vodorovné osy.
SPSKS
-25-
4.3 SLITINY KOVŮ
Slitinou kovů nazýváme materiál, který je svým složením ze dvou a více prvků,
nejčastěji kovů. Podle významu slova je zřejmé, že k jejich mísení došlo v tekutém stavu.
Nabízí se otázka, zda existují nějaké limity pro mísení dvou kovů v tekutém stavu? Existují a
to např. teplotní. Mísit lze takové kovy nebo obecně látky, které jsou při dané teplotě
v kapalném stavu. V kapitole 3 jsou u většiny prvků uvedeny teploty tavení, případně varu.
Pokud se látka A taví při teplotě, kdy látka B se již odpařuje (vře), není možné tyto slít.
V metalurgii se pro účely popisu slitin používají tzv. binární diagramy (dvousložkové
diagramy – sléváme dvě látky). Slitiny však obsahují obvykle více složek. Takové diagramy
jsou pak pro matematiku n-rozměrného prostoru. Je nutné podotknout, že některé slitiny při
změně koncentrace výrazně mění své vlastnosti, u některých tomu tak není.
Tyto diagramy se konstruují z křivek chladnutí viz obrázek 6 vpravo. Na křivkách
ochlazování, a to ochlazování velmi pomalém, se měří body, kdy směrnice ochlazovací křivky
mění svůj směr. To nastává v případě změny skupenství, kdy se kapalina mění v pevnou látku
a při změnách krystalické stavby.
1
2
3
4
1
2
3
4
T
°C
SPSKS
čas t [s]
A
koncentrace v %
B
Obr. 13 Sestrojení rovnovážného diagramu z křivek chladnutí
Jak se „čte“ rovnovážný diagram a jak se konstruuje? Roztavíme čistý kov A, výraz
čistý znamená, že kovu A je 100%. Následně taveninu ochlazujeme a měříme teplotu. Při
ochlazování se náhle pokles teploty zastaví, což je signál, že nastává krystalizace a látka
tuhne. Po úplném ztuhnutí opět počne klesat teplota. Příkladem takovéhoto tuhnutí jsou čáry
tuhnutí č. 1 a 4. Dále smísíme dvě látky nebo kovy v nějakém hmotnostním poměru např.
30% kovu Aa 70% kovu B. Taveninu opět pomalu ochlazujeme a zjistíme, že teplota počala
klesat s jinou směrnicí v určitém bodě. Tavenina tuhne a po přeměně látky na pevnou opět
počne klesat teplota původní rychlostí podle směrnice. Tentokráte jsme získali dva body a ty
-26-
označíme do pravého grafu. Příkladem takového tuhnutí je ochlazovací křivka č. 2. Takto
můžeme pokračovat při různých poměrech kovu látky A a látky B. Za určitých podmínek
můžeme narazit na poměr složek takový, že tavenina tuhne za konstantní teploty jako čistý
kov. Taková slitina se nazývá eutektikum.
Pro pochopení rovnovážných diagramů je nutné se seznámit se základními případy
vzájemné rozpustnosti kovů. Mohou nastat tyto případy:
- oba kovy se rozpouštějí v každém poměru
- oba kovy se nerozpouštějí vůbec
- oba kovy se rozpouštějí jen částečně
Pro technickou praxi jsou nejdůležitější slitiny na bázi dokonalé rozpustnosti. Kovy
v kapalném stavu rozpustné dokonale se mohou v tuhém stavu vzájemně rozpouštět takto:
- oba kovy se vzájemně rozpouštějí dokonale
- oba kovy se vzájemně nerozpouštějí vůbec
- oba kovy se vzájemně rozpouštějí částečně
Poznámka: Projít v této učebnici všemi kombinacemi možností není účelné. Na částečnou
rozpustnost v tuhém stavu (tuhý roztok) je možné nahlédnout jako na paralelu rozpustnosti
kuchyňské soli (NaCl) ve vodě. Pokud ve vroucí vodě rozpustíme tolik soli, že vznikne
nasycený roztok (více soli už nelze rozpustit) a následně roztok ochlazujeme, počnou vznikat
krystalky soli. Okolní kapalina je slaná a je nasycená, ale za jiné teploty. Postupným
ochlazováním se vylučuje stále více krystalické soli. Kdybychom vodu zmrazili na led, měla by
jen velmi slabou koncentraci soli. Stejně je tomu u tuhých roztoků, kdy se v tuhé fázi počnou
vylučovat krystaly, které jsou odlišné od krystalů látky, ze které se vylučují. Hlubším studiem
rovnovážných diagramů lze dospět ke kvantitativnímu i kvalitativnímu rozboru. Čára, podle
které dochází k vylučování v tuhém roztoku, se nazývá segregační čára.
SPSKS
Pro pochopení pojmu rozpustnosti v tekutém stavu nebo tuhém stavu, anebo naopak
nerozpustnosti, je nutné nahlédnout do atomové struktury krystalů. S určitým zjednodušením
jsou dokonale rozpustné kovy navzájem jak v tekutém, tak v tuhém stavu charakteristické tím,
že mají přibližně stejnou velikost atomů. To předpokládá, že v Mendělejevově periodické
soustavě prvků jsou „blízko sebe na řádku“. Slitiny typu Cu – Zn – mosaz, Au – Ag, Au - Pt
jsou slitiny tohoto typu. Diagram vypadá jako smyčka a body udávají teplotu tavení každé
složky např. Cu (1084°C) a Zn (419°C). Pro nerozpustnost v tuhém stavu, nebo částečnou
rozpustnost, je částečné vysvětlení ve velikosti atomů a jejioch chemických vlastnostech.
Příkladem je ocel, což je slitina kovu – železa s nekovem – uhlíkem.
-27-
kovy jsou v tekutém i tuhém stavu
dokonale rozpustné
kovy jsou v tekutém stavu dokonale
rozpustné, v tuhém stavu nerozpustné
kovy jsou v tekutém stavu dokonale
rozpustné, v tuhém stavu částečně
rozpustné
Obr. 14 Rovnovážné diagramy
5.0 SLITINY NA BÁZI ŽELEZA
Slitiny na bázi železa představují i přes obrovskou dynamiku vývoje nových materiálů
velkou část hmot, které slouží k výrobě strojů, staveb apod. Pokud hovoříme o slitinách tak
základní slitinou je železo a uhlík. Uhlík, ač je typickým nekovem, má mimořádný vliv na
vlastnosti slitiny. V kapitole metalografie jsme si vysvětlili základní chování slitin. Pro
rozdělení slitin na bázi železo – uhlík je nejlepší grafickou interpretací rovnovážný diagram
železo – uhlík.
Na tomto diagramu budeme vysvětlovat rozdělení slitin, tepelné zpracování a
vlastnosti slitin podle obsahu uhlíku. Diagram vypadá s ohledem na dosavadní znalosti
složitě, ale postupně pochopíme řadu vlastností.
Teplota tání slitiny železo – uhlík při pohledu na plné čáry po linii A – B - C – D,
která se odborně nazývá likvidus a odděluje kapalnou fázi slitiny od počínající fáze tuhnutí, je
zřejmé toliko:
- čisté železo se taví při teplotě 1536°C a je to nejvyšší teplota ve slitině s uhlíkem.
Nejnižší teplotu tavení má slitina, která obsahuje 4,3% C a je to eutektikum. Slitina se
stává tekutou při teplotě 1147 °C. Slitina s maximálním množstvím C, tedy 6,67%, má
teplotu tuhnutí v rozmezí 1320 - 1147 °C.
- na ploše ohraničené lomenou čarou likvidu a body E – C – F dochází ke krystalizaci
při snižující se teplotě, kdy odvádíme teplo. Na zmíněné čáře už není žádná tavenina,
ale toliko pevná látka. Z tvarů křivek lze odvodit okamžité složení krystalů, které se
s poklesem teploty mění. Čára, která ukončuje tuhnutí kapalné fáze, se nazývá
odborně solidus.
- pod lomenou čarou A – E – C – F se vyskytuje pouze tuhá fáze. Slitina Fe – C má
omezenou rozpustnost v tuhém stavu, čemuž odpovídají šikmé čáry podobně jako u
třetího obrázku č. 16. To se projevuje vylučováním krystalů.
- pod lomenou čárou G – S – K nastává rekrystalizace krystalů železa γ na železo α, což
má za následek mj. změnu měrné hmotnosti a vlastností materiálu. Opět tu dochází
k vylučování tzv. cementitu, které souvisí s klesající teplotou.
- teplota 769°C je tzv. Curieho bod, kdy materiál ztrácí feromagnetické vlastnosti.
SPSKS
-28-
-29-
SPSKS
Obsah uhlíku ve slitině vyžaduje prvotní vysvětlení. Dosavadní diagramy pracovaly s tím, že
na levé ose diagramu bylo 100% kovu A a 0% kovu B. Na pravé ose bylo naopak 100% kovu
B a 0% kovu A. Ocel jako slitina železa a uhlíku je případem částečné rozpustnosti v tekutém
stavu. Uhlíku se v tekutém stavu nerozpustí v železe více než 6,67%.
Obsah uhlíku po vodorovné ose určuje odbornou terminologii slitin železa a uhlíku takto:
- 0, 000 – 0,02% C železa, jejich použití je v elektrotechnice s ohledem na magnetické
vlastnosti,
- 0, 02 – 0,8% C podeutektoidní oceli,
- 0,8 – 2,1% C nadeutektoidní oceli,
- 2,1 – 4,3% C podeutektické litiny,
- 4,3 – 6,67%C nadeutektické litiny.
Poznámka: Pojem eutektikum a eutektoid. Eutektikum je bodem C diagramu. Je to taková
koncentrace uhlíku v železe, že se při tavení chová jako čistý kov – taví se za konstantní
teploty. Eutektoid je bod S v diagramu. Zde dochází k překrystalizaci za konstantní teploty,
stejně jako je tomu u čistého kovu. Tento bod je opět definován přesnou koncentrací uhlíku
hodnotou 0,8 hmotnostních %.
Poznámka: Vodorovná osa končí na hodnotě 6,63% C. Ta osa udává hmotnostní procenta.
Pokud bychom však diagram železo - uhlík koncipovali jako problém počtu atomů, tedy
v molární metrice, je hodnota hmotnostních 6,63% rovna 100% chemické látky zvané
cementit F3C (chemicky je to karbid železa). Částečná rozpustnost v tuhém stavu znamená, že
s klesající teplotou je z tuhého roztoku postupně vylučován buď cementit, nebo grafit.
Cementit je velmi tvrdý a křehký materiál, jeho tvrdost v Morseho stupnici je 6.
SPSKS
Cementit F3C je velmi tvrdá chemická sloučenina, pokud je vyráběna jako finální
výrobek, nazývá se bílá litina. Odlitky vynikají vysokou tvrdostí a otěruvzdorností. Druhou
možností je vylučování uhlíku v podobě grafitu, kdy nedošlo na chemickou vazbu. Typickým
materiálem, kde došlo k segregaci grafitu, je potom šedá litina.
„Ocel versus litina“
Z obrázku 15 je patrné, že rozdíl mezi ocelí a litinou je v obsahu uhlíku, kdy dělící
hranicí je 2,1% C. V makroskopickém měřítku je rozdíl mezi ocelí a litinou v mechanických a
fyzikálních vlastnostech.
Ocel je tvárný materiál, podle obr. 2 se chová při deformaci tak, že do určitého napětí
je pružný a po překonání meze elasticity je tvárný. To znamená, že oceli lze vnějším
zatížením za normální teploty vnutit libovolný tvar. Pokud se tváření provádí za tepla (kování,
válcování apod.), postačí zahřátí na teplotu nad 900°C (A3).
Litina není materiál tvárný (vyjma tvárné litiny viz dále). Podle obr. 2 vpravo se do
určité míry chová pružně, ale po dosažení meze pevnosti praská. Tedy nelze ji za studena ani
za tepla vnutit žádný tvar. Litiny lze tvarovat tedy výhradně litím.
Poznámka: V praxi se používá pojmu „ocelolitina“; nejedná se o žádný přechod mezi
litinou a ocelí, ale jde o litou ocel. Ocel se dá také odlévat, ale je to problematický materiál.
Ocel při odlévání má velkou smrštivost, která je asi 5%. To znamená, že při odlití odlitku do
formy se při změně skupenství z kapalného na pevné zmenší rozměry a tedy i objem asi o 5%.
-30-
Je to způsobeno tím, že ocel rekrystalizuje a díky změně mřížkového parametru mění
svoje rozměry. Litiny, a zvláště litina složení s obsahem 4, 3% C(eutektická) velmi dobře teče
a tuhnutí a rekrystalizace má vodorovnou prodlevu. Důsledkem je mnohem menší smrštivost a
zatékavost.
SPSKS
železa
podeutektoidní oceli
nadeutektoidní oceli
oceli
podeutektické litiny
nadeutektické litiny
litiny
Obr. 15 Rozdělení slitin železo – uhlík podle obsahu uhlíku
5.1 ROZDĚLENÍ OCELÍ
-31-
Vedle základní definice oceli, že je to slitina železa a do 2,14 hmotnostních % uhlíku,
patří do slitiny i další legující prvky, které významně ovlivňují její vlastnosti. Patří sem Mn,
Si, P, S, Cu, Cr, Co, W, Mo, V, Ni a další.
Ocel se vyrábí ze surového železa procesem zvaným zkujňování. Terminus technicus
zkujňování nemá nic společného s kováním. Znamená pouze to, že tekuté surové železo se
podrobuje technologii, která z něj vyrobí kujný materiál – ocel. Zkujňování se dnes provádí
v konvertorech. Je to nádoba, do které se nalije tekuté surové železo. Ve dně této nádoby jsou
trysky, kterými se pod tlakem pustí čistý kyslík. Ten spálí v surovém železe nežádoucí
příměsi a sníží obsah uhlíku. Za nežádoucí se považuje především fosfor a síra. Ty jsou
součástí železné rudy s obsahem kyselinotvorných prvků. Tato ruda se těží na Ukrajině. Po
dosažení požadovaných parametrů obsahu uhlíku a nechtěných přísad se ocel může dopovat
chtěnými přísadami – legovat. Po legování se odlije technologií kontinuálního lití, kdy
vzniknou silné tyče kruhového, čtvercového nebo obdélníkového průřezu. Ty se za tepla
válcují na hutní materiál. Hutním materiálem rozumíme plechy, tyče různých průřezů
(kruhový, čtvercový, obdélníkový. I, U, Z, L, kolejnice, trubky a mnoho dalších). Takovouto
ocel je možné také odlévat na složité odlitky.
ocel (surová)
SPSKS
k tváření
na odlitky
konstrukční
nástrojové
obvyklé jakosti
uhlíkové
ušlechtilé
slitinové
uhlíkové
slitinové
Označování a použití ocelí
-32-
nástrojové
konstrukční
slitinové
uhlíkové
Pro konstruktéry je nutné oceli označovat pro výběr jejich jakosti z pohledu
mechanických vlastností. Označování je pomocí číselného kódu, který lze částečně
„dešifrovat“. U některých materiálů se navíc používá obchodní název jako obrazit
Hadfieldova ocel, hardox, radeco apod. Pro podrobnější informace jsou k dispozici normy a
materiálové listy. Pro účely této učebnice postačí nejjednodušší zatřídění:
Systém značení ocelí je poměrně složitý.
1X XXX. XX
doplňkové číslice (tepelné zpracování, stupeň přetváření)
základní číselná značka
třída oceli – ocel tvářená
třída
oceli
vlastnosti a použití
SPSKS
Oceli konstrukční. Jsou to nejlevnější oceli z pohledu technologie jejich výroby. Mají
obvykle nízký obsah uhlíku. Představují z pohledu výroby největší hmotnostní podíl.
Vyznačují se tím, že kromě uhlíku nemají zaručený obsah žádných legujících prvků. Pro
použití
v praxi jsou to oceli konstrukční. To znamená, že jsou většinou dobře
10
(nepodmíněně) svařitelné. Jejich minimální zaručená pevnost v tahu je 350 – 550 MPa.
Vyrábějí se z nich válcované profily pro ocelové konstrukce, betonové výztuže, ale také
drážní kolejnice (10 750).
Oceli konstrukční. Oproti ocelím třídy 10 mají tyto oceli vedle předepsané (garantované)
pevnosti v tahu také garanci meze kluzu a tažnost. Pro účely technologie jejich zpracování.
Jsou odstupňovány podle obsahu uhlíku a pevnosti v tahu od 280 - 900 MPa. Jsou to
11 nejčastěji používané konstrukční oceli. Vyrábí se z nich většina válcovaných profilů pro
ocelové konstrukce. Dále plechy určené k tváření za studena. Jsou dobře, nebo u vyšších
pevností podmíněně svařitelné. Dají se do určité míry tepelně zpracovat normalizačním
žíháním a pak se získávají tzv. hlubokotažné plechy.
Oceli konstrukční ušlechtilé. V porovnání se třídami 10 a 11 mají tyto oceli lepší a
spolehlivější vlastnosti. Především mají vyšší zaručenou chemickou čistotu a chemické
složení. Obsah uhlíku je nízký od 0,2 – 0,9%. Tyto oceli jsou vhodné pro obrábění a
chemicko - tepelné zpracování. Tím získávají vysokou povrchovou tvrdost a velkou
12 houževnatost. Vyrábějí se z nich ozubená kola, hřídele, vodítka, součásti spalovacích
motorů apod. Pokud tato skupina ocelí má obsah uhlíku více než 0,4% jsou kalitelné a to
do hloubky až 40 mm. Z nich se vyrábějí součásti větších spalovacích motorů jako jsou
kliky, ojnice, vačkové hřídele, čepy. Zušlechtěním mohou dosahovat pevnosti v tahu až
1200 MPa.
-33-
Oceli konstrukční ušlechtilé. Tato třída je legována chrómem a někdy ještě manganem.
Jsou vhodné ještě k cementování. Mají nízký obsah uhlíku. Používají se na nejnamáhanější
14 součásti jako jsou vačkové hřídele spalovacích motorů a klikové hřídele. Jsou prokalitelné
až do hloubky 60 mm a některé se dají i nitridovat. Z této skupiny ocelí se vyrábějí valivá
ložiska.
Oceli konstrukční ušlechtilé. Tato skupina se vyznačuje velkým počtem kombinací
legujících prvků. Patří sem asi 40 značek. Vyznačují se vysokou mezí pevnosti a mezí
kluzu při normální teplotě. Jsou obzvláště vhodné k zušlechťování a jsou prokalitelné až
15 do průměru 150 mm. Používají se na výrobu mimořádně namáhaných součástí leteckých
motorů, torzních tyčí apod. Do této skupiny patří i žáropevné oceli, které se používají
v chemickém průmyslu na výrobu vysokotlakých zařízení, součástí parních turbín apod.
Lze je nitridovat i cementovat pro získání povrchové tvrdosti.
Oceli konstrukční ušlechtilé. Jsou to oceli legované niklem až do hodnoty 5%. Nikl je zde
16 obsažen zásadně s chrómem. Jsou vhodné na nejnamáhavější součásti. Jsou prokalitelné až
do průměru 140 mm, lze je cementovat a zušlechťovat. Používají se u součástí pracujících
za nízkých teplot.
Oceli konstrukční ušlechtilé se zvláštními vlastnostmi. Tato skupina zahrnuje oceli
korozivzdorné (nerez), žárovzdorné, žáropevné a speciální. Materiálů této třídy je asi 50.
Základním legujícím prvkem pro žárupevnost a koroziodolnost je chróm. Dalšími
legurami je mangan, nikl apod. Samostatnou pozornost zaslouží tzv. Hadfieldova ocel, což
17 je manganová ocel (13% Mn), která je austenitická, je vysoce houževnatá a otěruvzdorná.
Při deformaci mění strukturu na vysokou tvrdost. Používá se na články housenic, zuby
rypadel, čelisti drtičů a extrémně namáhané součásti, lze ji zpevňovat detonací.
Oceli nástrojové. Všechny nástrojové oceli jsou oceli ušlechtilé. Samotná třída 19
obsahuje asi 70 druhů. První členění je na uhlíkové a slitinové. Jejich další členění je na
19 manganové, křemíkové, vanadové, chrómové, molybdenchrómové, nikové, wolframové a
rychlořezné. Používají se na výrobu nástrojů a proto je u nich požadována vysoká tvrdost a
houževnatost
SPSKS
-34-
Označování a použití ocelí na odlitky
Oceli na odlitky je slitina železa s uhlíkem, křemíkem, manganem a dalšími prvky.
Opět zde platí hranice obsahu uhlíku do 2,14 %. Podle stupně legování se oceli na odlitky dělí
na:
- uhlíkové oceli na odlitky
- legované oceli na odlitky
Systém značení je méně složitý a první dvojčíslí 42 je vždy stejné a značí oceli na odlitky.
označení
název a použití
42 26XX Uhlíkové oceli na odlitky. Jsou to materiály bez speciálních požadavků na
garantované vlastnosti. Používají se pro technologicky a konstrukčně méně
náročné odlitky tam, kde je technologie lití výhodnější než svařovaná konstrukce
(části elektromotorů, součásti parních kotlů a turbín do 450°C).
42 27XX Nízkolegované a středně legované oceli na odlitky odlévané do pískových forem.
Použití na namáhané díly strojů a zařízení (články housenicových podvozků, zuby
rypadel, srdcovky výhybek – Hadfieldova ocel litá).
42 28XX Nízkolegované a středně legované oceli na odlitky odlévané jinými technologiemi
než do pískových forem. Používají se pro lití namáhaných strojních dílů (klikové
hřídele, permanentní magnety s usměrněnou krystalizací apod.).
SPSKS
42 29XX Vysokolegované oceli na odlitky. Jde o analogii tvářené oceli třídy 17, tedy
korozivzdorné, žárovzdorné a žáropevné materiály. Použití jako součásti parních
turbín, v chemickém a petrochemickém průmyslu. Patří sem lité nástroje, což je
ekvivalent tvářených ocelí třídy 19.
.
5.2 ROZDĚLENÍ LITIN
Obecně je litina slitinou železa s uhlíkem na odlitky. Z definice dle ČSN je tedy
jasné, že litina je materiál, který se primárně zpracovává jako odlitek. Od oceli se odlišuje
množstvím uhlíku, kde jej musí být minimálně 2,14 hmotnostních procent. Maximální
rozpustnost uhlíku je pak 6,67 hmotnostních procent, což je z pohledu molárního množství
čistý karbid železa Fe3C, který se v metalurgii nazývá cementit.
Litiny se vyrábějí v kuplovnách přetavováním tzv. šedého surového železa a vratného
materiálu ze sléváren a přidává se i ocelový šrot. Stejně jako v případě ocelí mohou i litiny
být legovány přísadami, které zlepšují jejich užitné vlastnosti.
Základní členění litin se dále odvíjí od způsobu vylučování (segregaci grafitu), který je
částečně rozpustný v tuhém roztoku. Zjednodušeně to znamená, že při tuhnutí taveniny se
počne grafit vylučovat. Segregační čárou je čára C D. Protože je to první segregace v procesu,
-35-
nazývá se takový cementit primárním. Po ukončení fáze tuhnutí nastává prosté chladnutí
slitiny a pokračuje nadále segregace grafitu podle čáry S E, zde se vylučuje sekundární
cementit. Proces pokračuje i za relativně nízkých teplot vylučováním terciárního cementitu
podle čáry Q P.
Grafit je vylučován (segregován) do prostoru na okraje zrn. Na vlastnosti litin má
tento tvar a velikost vyloučeného grafitu základní vliv. Podle tvaru grafitu lze vyrobit litiny:
- šedá litina – litina, kde grafit se vyloučil ve tvaru lupínků na okraji zrn. Takový
materiál má malou pevnost v tahu (asi 3x menší než v tlaku), má však vynikající
vlastnosti v tlumení vibrací a rázů.
- bílá litina – je litina, kde nedošlo k vyloučení grafitu, ale uhlík zůstal chemicky vázán
na železo jako karbid železa - cementit. Takový materiál je mimořádně tvrdý, jako
všechny cementity, a je velmi křehký.
- tvárná litina – je litina, kde uhlík se sice vyloučí na okraje zrn, ale metalurgové
pomocí legur (cer a hořčík) jej donutí ke koagulaci. Namísto tvaru lupínku má tvar
kuličky. Takový materiál ztrácí křehkost.
- temperovaná litina – je litina, kde tepelným zpracováním změníme tvar grafitu na
vločky.
Poznámka: Použití adjektiv bílá a šedá litina vyjadřuje velmi dobře jejich barvu na lomu.
Grafit je černý a jeho drobné částice mezi zrny skutečně zbarvují lom šedé litiny do šeda.
Grafit vázaný chemickou vazbou s železem na karbid je bílý a lom skutečně je bílý. Grafit
krystalizuje v hexagonální soustavě a proto je mj. výborným mazivem. Proto se šedé litiny
velmi dobře obrábějí. To, jak bude segregován grafit při tuhnutí, je základní součást know
how metalurgů. Záleží na rychlosti ochlazování (rychlé ochlazení má tendenci ke vzniku
karbidu železa a naopak). Dále záleží na obsahu dalších prvků ve slitině ať již chtěných, nebo
tolerovaných. Záleží i na tvaru formy, protože tenké výběžky rychle chladnou. Pro snadné
pochopení mechanických vlastností litin slouží obrázek 16.
SPSKS
¨
homogenní
materiál
litina
lupínek ve směru
napětí v tahu
kuličkový grafit
(tvárná litina)
lupínek kolmý
na směr tahu
Obr. 16 Napětí v tahu ve vztahu k poloze a tvaru vysegregovaného grafitu v litině
-36-
-
Šedé litiny lze podle složení dělit na:
šedé litiny nelegované
šedé litiny legované
42 24 XX
Jejich vlastnosti a označení je zjevné z tabulky
druh slitiny
železa na odlitky
dvojčíslí
vlastnosti
00 - 49 Nenáročné odlitky bez speciálních požadavků na mechanické
šedé litiny
vlastnosti, mez pevnosti v tahu je asi 10 MPa. Pro velmi dobrou
nelegované
zabíravost se používají na tenkostěnné odlitky s tloušťkou stěny
42 24
4 – 15 mm – válce kompresorů, rámy strojů, části turbín apod.
Čím vyšší dvojčíslí, tím větší minimální tloušťka stěny odlitku.
50 - 59 Šedé litiny se speciálními vlastnostmi. Těmito vlastnostmi je
schopnost snášet smykové tření s nízkým součinitelem tření –
kluzná ložiska a ložisková pouzdra.
60 – 79 Nízko a středně legované šedé litiny na výrobu odlitků
šedé litiny
náročnějších na pevnost
a zvláštní slitiny 80 – 89 Vysokolegované šedé litiny s hlavními legujícími prvky Mn, Si,
železa na
Al.
odlitky
90 – 99 Vysokolegované šedé litiny, kde hlavními legujícími prvky jsou
42 24
Cr, Ni, Mo. Použití je na součásti vystavené namáhání za
vysokých teplot a zároveň zatížených agresivním prostředím
např. výfukových plynů.
SPSKS
Tvárná litina
Je velmi moderním konstrukčním materiálem. Vyrábí se očkováním šedé litiny do
pánve, tzn. očkuje se těsně před odléváním. Její pevnost v tahu je až 900 MPa. Z hlediska
pevnosti, slévatelnosti a poměrem meze pevnosti v tahu a meze kluzu úspěšně nahrazuje lité
oceli. Slovo „tvárnost“ nevyjadřuje, že součástí technologie je její tváření. Díky kuličkovému
grafitu není tento materiál křehký. V dnešní době se tento materiál objevuje v automobilovém
průmyslu, pro speciální výrobu např. kontejnerů pro jaderný odpad s extrémními požadavky
na spolehlivost a životnost. Z hlediska slévatelnosti ve srovnání např. s ocelí na odlitky je
extrémní. Byly odlévány např. jehly na šití včetně otvoru pro navlékání nitě.
-37-
Označení je 42 23 XX
druh slitiny
železa na odlitky
dvojčíslí
03 - 04
05
tvárné litiny
42 23
06
07
vlastnosti
Tvárná litina feritická. Základní hmota je ferit. Jejich pevnost
je menš, asi 380 MPa. Má však vysokou mez únavy a
houževnatost. Používají se na odlitky tloušťky 5 – 100 mm i
více. Jsou využívané u součástí silničních strojů (skříně
převodovek, tělesa armatur a na dynamicky namáhané
součásti).
Tvárná litina perliticko-feritická. Má strukturu tvořenou
feritem a perlitem. Je vhodná na odlitky tloušťky stěny 5 – 100
mm. Nejmenší pevnost v tahu je 500 MPa. Vhodná i pro
dynamicky namáhané součásti.
Tvárná litina perliticko-feritická. Má strukturu tvořenou
perlitem a feritem. Je vhodná na dynamicky namáhané součásti
jako jsou klikové hřídele, vačkové hřídele, ozubená kola.
Nejmenší pevnost v tahu je 600 MPa.
Tvárná litina perlitická. Má nejmenší pevnost v tahu 700 MP.
Vedle dynamického namáhání je vhodná i pro konstrukci
součástí namáhaných otěrem. Vyrábějí se z ní ozubená kola,
brzdové bubny, rozváděcí kola čerpadel.
Tvárné litiny mají strukturu tvořenou perlitem a sorbitem.
Jejich pevnost je nejvyšší u tvárných litin 800 – 900 MPa. Jsou
vhodné pro nejnamáhanější součásti namáhané navíc otěrem.
Tvárná litina má strukturu tvořenou feritem. Je tepelně stálá
s pevností 300MPa. Používá se jako konstrukční materiál pro
roštnice, vrata pecí a podobné aplikace.
SPSKS
08 – 09
40
Temperovaná litina
Je materiál, který se vyrábí tzv. temperováním, což je dlouhodobé žíhání. Výsledkem
je rozklad ledeburického cementitu (bílá litina) na železo a grafit. Takto vyloučený grafit má
tvar nepravidelných zrn. Ta sice nejsou tak oblá jako je tomu u tvárné litiny, ale jejich účinek
je podobný. Dnes jsou tyto litiny nahrazovány modernějšími materiály, především tvárnou
litinou. Důvodem je energetická náročnost technologie temperování. Jinou cestou náhrady je i
tzv. vermikulární litina. Zde je grafit vyloučen bez rozpouštění ve formě červíkovité.
Dosahuje se toho opět legováním v kombinaci Mg – Ti – Ce a očkováním ferosiliciem.
Červíkovitý grafit si lze představit jako „srolovaný lupínek“ a ten je prostorově rozložen.
-38-
Poznámka: Mechanické vlastnosti litin jsou, jak je zřejmé z textu, závislé na tom, zda se při
tuhnutí a následně chladnutí vyloučí díky nerozpustnosti uhlík v podobě grafitu, nebo ve
formě chemické sloučeniny karbidu uhlíku – cementitu. Ve většině výroby převládá
technologie, která vede k vylučování uhlíku v podobě grafitu. Mechanické vlastnosti jsou
závislé na tvaru vyloučeného grafitu.
grafit ve tvaru
grafit ve tvaru
prostorových lupínků
lupínků
Obr. 17 Možné tvary vyloučeného grafitu u litin
grafit ve tvaru
globulí (kuliček)
grafit ve tvaru
zrn
5.3 TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ SLITIN ŽELEZA A UHLÍKU
Tepelné zpracování je technologický postup, při kterém cíleně ohříváme materiál
součásti a to v tuhém stavu, který následně řízeně ochlazujeme. Algoritmus všech druhů
tepelného zpracování je zřejmý z obrázku 18.
T
[°C]
SPSKS
ohřev
prodleva
ochlazení
čas [s] [min] [h]
Obr. 18 Obecné schéma průběhu tepelného zpracování
-39-
V některých případech mohou tyto operace probíhat vícekrát za sebou v jakémsi sledu.
Z obrázku je patrné, že ze směrnice (sklonu) čar ohřevu a ochlazení lze vyčíst rychlost změn
teploty v čase. U rychlých změn to bude v jednotkách [°C.s-1], u pomalejších změn [°C.min-1]
a [°C.h-1]. Rychlosti nemusí být rovnoměrné, tedy v grafu vyjádřené přímkou, ale obecnější
křivkou a pak se uvažuje o průměrných rychlostech.
Tepelným zpracováním ovlivňujeme především mechanické vlastnosti jako je pevnost,
tvrdost, vrubovou houževnatost, tažnost, odolnost proti opotřebení apod. V řadě případů je
tepelné zpracování spojeno se změnou struktury. Základní členění tepelného zpracování je na:
- žíhání
- kalení
- popouštění
- zušlechťování
5.3.1 ŽÍHÁNÍ
Žíhání je technologický postup tepelného zpracování, kterým chceme dosáhnout u
materiálu součástí zpravidla stavu blízkého rovnovážnému stavu. Základním postupem je
rovnoměrný ohřev (tedy blízký přímce) na teplotu žíhání. Tato teplota je pro různé druhy
žíhání různá a může být i proměnlivá v čase. Po proběhnutí prodlevy následuje zpravidla
velmi pomalé ochlazování. Žíhání se neuplatňuje pouze u kovů na bázi železa, tedy ocelí a
litin. Uplatní se i v případě neželezných kovů a jejich slitin zvláště pokud jsou alotropní.
5.3.1.1 ŽÍHÁNÍ OCELÍ
SPSKS
Oceli lze v zásadě žíhat bez překrystalizace a s překrystalizací. Tím je v zásadě dána
teplota prodlevy patrná z obrázku, kde je v diagramu železo – uhlík pro oblast ocelí vymezena
teplota. Terminologicky jsou tyto technologie zřejmé z tabulky.
název žíhání
žíhací teploty [°C]
naměkko
680 - 790
bez
rekrystalizační
550 - 700
překrystalizace protivločkové
650 - 700
ke snížení pnutí
500 - 650
pro odstranění křehkosti po moření
300 - 500
homogenizační
1000 - 1300
s
normalizační
750 - 950
překrystalizací izotermické
700 - 850
rozpouštěcí
nad 950
-40-
normalizační žíhání
910°
C
723°
žíhání na měkko
rekrystalizační žíhání
Žíhání ke snížení pnutí
2,16
0,8
%C
Obr. 20 Oblasti teplot žíhání v rovnovážném diagramu Fe - C
SPSKS
Žíhání na měkko se používá zejména v případě nástrojových a některých
konstrukčních ocelí. Cílem tepelného zpracování je dosažení nejnižší možné tvrdosti.
Takovýto postup volí technologie při potřebě opracování před závěrečnou operací, kterou je
kalení. Tímto postupem lze díky rekrystalizaci dosáhnout jemnějšího zrna. Jemnější zrno
vyniká obecně větší vrubovou houževnatostí při nízkých teplotách. Délka prodlevy je 2 – 8
hodin. Rychlost chladnutí je do 50 °C.h-1. Po dosažení teploty při ochlazování kolem 450 550°C lze nechat součást vychladnout na vzduchu, nebo tzv. řízeně vychladnout, pokud
nejsou přísnější požadavky na vnitřní pnutí.
723°C
T
[°C]
čas t [h]
podeutektoidní ocel
nadeutektoidní ocel
Obr. 21 Schéma postupů žíhání na měkko
-41-
nástrojová ocel
Rekrystalizační žíhání je technologická operace, která obnovuje tvárnost materiálu
po předchozím zpevnění oceli tvářením za studena. Je důležité si uvědomit, že teplota
rekrystalizačního žíhání je nižší než teplota rekrystalizace. K zotavení nedochází
překrystalizací, ale probíhá na původní krystalické mřížce. Protože se jedná zpravidla o
operaci, která není poslední, provádí se v ochranné atmosféře, aby se zabránilo vzniku okují.
Poznámka: Terminus technicus tváření za studena znamená, že materiál byl podroben za
běžné teploty např. ohybu. Tváření za tepla je naopak změna tvaru při teplotě nad teplotou
rekrystalizace, taková technologie se nazývá kování. Řada ocelí po tváření za studena ztrácí
tvárnost a křehne. To je známé např. při opakovaném ohnutí drátu se drát zlomí, dále u tažení
drátu za studena apod. Pokud požadujeme, aby zóna součásti, kde proběhla plastická
deformace měla stejné mechanické vlastnosti, používáme rekrystalizační žíhání. Tato
technologie se při velkých plastických deformacích může i opakovat. To se děje při
objemovém tváření součástí s vysokou mírou přetvoření (matice, šrouby, nábojnice apod.).
Žíhání ke snížení pnutí se používá jako technologická operace, která snižuje
napjatost uvnitř výrobku, která vznikla díky technologii jejich výroby. Takovéto pnutí nastává
při svařování, tváření za tepla, obrábění, po nerovnoměrném a rychlém ochlazování apod.
Součást prodlévá na teplotě 500 – 650 °C po dobu 1 – 10 hodin, následuje pomalé
ochlazování do teploty 250 – 300 °C, následuje prosté ochlazení na vzduchu.
SPSKS
Poznámka: Vnitřní pnutí vzniká několika způsoby. Nejsnáze vysvětlitelný je vznik pnutí při
svařování. To se děje za velmi vysokých teplot, kdy se součást vlivem lokálního ohřevu
roztahuje (dilatuje). Vedle tuhnutí samotného sváru, které je doprovázeno rekrystalizací, se
však součást následně nemůže vrátit do původního tvaru a rozměru. Zůstává proto vystavena
napětí, aniž by existovalo nějaké vnější zatížení. Tato napětí nabývají dokonce hodnoty meze
pevnosti a materiál může prasknout. Je zřejmé, že některé ocelové konstrukce bez této
technologické operace nelze zatížit, protože se napětí od vnějšího zatížení sčítá podle principu
superpozice. Výsledkem je přinejmenším snížení koeficientu bezpečnosti.
Homogenizační žíhání je technologický postup tepelného zpracování v případě, že
ocel je vyráběna odléváním ingotů. Tato technologie je na okraji hutnické výroby, neboť je
vytlačena tzv. kontilitím. Pro speciální účely se však ještě používá. Základní charakteristikou
speciálního užití je skutečnost, že materiál se dále příliš za tepla netváří. Homogenizační
žíhání má za cíl homogenizovat chemické složení, které při chladnutí nemůže být díky
segregaci stejné v celém objemu. Teplota ohřevu je v rozmezí 1100 – 1250°C. Prodleva na
teplotě je značná až několik desítek hodin.
Žíhání normalizační je způsob žíhání, kdy dochází při ohřevu k překrystalizaci, což
je zřejmé z obrázku 20. Teplota ohřevu závisí na obsahu uhlíku v oceli a je o několik desítek
stupňů celsia nad čarou. Prodleva při teplotě je dostatečně dlouhá, protože rekrystalizace
probíhá v čase. Ochlazování je relativně rychlé oproti ostatním druhům žíhání. Výsledkem je
poměrně jemnozrnná struktura. Rekrystalizaci lze chápat jako rozbití jedné krystalické
struktury při ohřevu a nahrazení jinou (austenit), která je prostorově středěná a následně při
ochlazování opět rozbití austenitu a překrystalizace zpět na mřížku plošně středěnou. Tato
-42-
dvojitá transformace krystalové mřížky umožňuje odstranění nerovnoměrností struktury, které
běžně vzniká při válcování a kování za tepla i za studena. Téměř vždy je nutné po základním
zpracování odlitků (vytlučení z formy a zbavení vtokové soustavy a švů). Někdy se
nedovoluje ochlazení na vzduchu, protože mohou u složitějších tvarů nastat problémy
s generováním vnitřních pnutí. Taková technologie se nazývá žíhání základní, kdy se
povoluje rychlost ochlazování v rozmezí 50 - 200°C.h-1. Ohřev se pak volí s rychlostí
80°C.h-1.
Izotermické žíhání je v zásadě podobné žíhání základnímu, nebo na měkko.
Důvodem existence tohoto žíhání je větší hospodárnost v nákladech na energii, kdy jsou
žíhací doby kratší.
5.3.1.2 ŽÍHÁNÍ LITIN
U litin používáme prakticky identických postupů žíhání jako u ocelí. V prvé řadě se
jedná o žíhání na odstranění vnitřního pnutí, které se logicky při tuhnutí odlitků objevuje.
Rychlost ohřevu je menší než u ocelí, protože zvláště šedá litina má nízkou hodnotu meze
pevnosti v tahu a tahová napětí vnitřního pnutí mohou vyvolat prasknutí křehkým lomem.
Rychlost ohřevu podle členitosti odlitku je kolem 100°C.h-1. Prodleva na teplotě 550°C trvá
5 – 8 h. Rychlost ochlazování je 25 – 75°C.h-1 . Vedle toho ještě používáme žíhání na
zmenšení tvrdosti (feritizační žíhání). Teploty jsou kolem 600°C a prodleva 2 – 8 h. Tato
operace je nutná při segregaci cementitu vlivem rychlejšího chladnutí a tuhnutí materiálu
např. ve výběžcích a tenkých žebrech odlitku, které je nutné následně obrábět. Pokud je
materiál litiny na odlitku málo tvrdý, použije se normalizační žíhání, kdy výsledkem je
vznik perlitu, který je tvrdší než ferit. Temperování litiny je dlouhodobé žíhání za teplot 930 1000°C. Vedle teplot slouží k dosažení efektu i atmosféra v peci, která může snižovat obsah
uhlíku (oxidační), nebo jej ponechat. Jde o technologii velmi náročnou na energii.
SPSKS
Poznámka: Existují i technologie žíhání neželezných kovů. Protože v čisté podobě, nebo jejich
slitiny jsou obvykle dokonale rozpustné v tekutém i tuhém stavu, připadá do úvahy pouze
žíhání pro obnovení tvárných vlastností po jejich ztrátě tvářením za studena. Teploty žíhání
mají obvyklou souvislost s rekrystalizační teplotou. U slitin neželezných kovů pak je častěji
užíváno homogenizační žíhání. Jeho cílem je homogenizovat chemické nestejnorodosti a
fluktuace. Protože v kapitole 3. nejsou informace o teplotách rekrystalizace u alotropních
čistých kovů, jsou uvedeny v tabulce.
-43-
kov
olovo
cín
zinek
kadmium
hliník
hořčík
teplota rekrystalizace
[°C]
0
0
15
50
150
150
kov
teplota rekrystalizace
[°C]
200
200
200
450
620
1210
měď
stříbro
zlato
platina
nikl
wolfram
5.3.2 KALENÍ
Kalení je technologií tepelného zpracování, která je charakteristická rychlostí
ochlazování větší než je rychlost kritická. Průběh kalení je stejný jako u žíhání obr. 18. Jde
tedy o ohřev, krátkou prodlevu a rychlé ochlazení. Teploty ohřevu jsou patrny z části
diagramu železo – uhlík (obr. 18).
T
[°C]
910°
C
SPSKS
teploty kalení
723°
2,16
0,8
%C
Obr. 18 Oblast teplot kalení v diagramu Fe – C
Teorie procesů při kalení je dosti složitá. Dochází zde k tzv. martenzitické nebo
bainitické přeměně. Výraz o rychlosti kalení větší než je kritická neznamená, že ochlazení je
rychlé, i když tomu tak většinou je. Obrázek 18 ukazuje na rekrystalizaci ocelí, která je
zřejmá z diagramu Fe – C. Opačný proces, tedy ochlazování v sobě nezahrnuje dynamiku,
tedy rychlost. Pokusme se zvolit myšlenkový postup. Vybereme si několik vzorků oceli
s určitým obsahem uhlíku. Vzorek několikrát ohřejeme na teplotu, která je doporučena grafem
-44-
obrázku 18. Následně jej ochladíme s různou rychlosti ochlazování. To lze např. prostým
ponecháním na vzduchu, ponořením do tekuté soli (NaCl kuchyňská sůl), ponořením do vody,
ochlazením ve vodní sprše, ponořením do kapalného dusíku. Při měření krystalické stavby
třech vzorků zaznamenáme jakési body , které proložíme čarou. Digram pak ukazuje vztah
mezi teplotou a časem a dané křivky ukazují nějakou změnu ve struktuře materiálu. Takto
vzniklé diagramy lze interpretovat pro technologické účely. Každý materiál, což znamená, že
každá ocel s určitým podílem uhlíku a každá ocel s určitým podílem uhlíku a navíc dalších
legur, bude mít svůj vlastní diagram.
Ac1
T
[°C]
Ms
Mf
žíhání
SPSKS
kalení
patentování
čas t [s]
Obr. 19 Schéma martenzitického a bainitického kalení v diagramu
Uvedený diagram ukazuje křivky chladnutí. Martenzitické kalení vyžaduje, aby
čárkovaná červená čára rychlosti ochlazování [°C.h-1] byla tak vysoká, že mine čelo první „S“
křivky a projde čarami Ms (martenzit start) a Mf (martenzit finiš). Strmost ochlazovací křivky
je nejvyšší. Bainitické kalení spočívá v tom, že obě „S“ křivky protne ochlazovací čára nad
maximem přiblížení ke svislé ose. Následuje prodleva a ochlazení, které musí protnout čáru
Mf. Pro ilustraci je uvedeno žíhání, které zcela míjí oblast vodorovných čar Ms a Mf.
Jak se dociluje chladnutí s určitým spádem? U kalení záleží na teplotě chladící lázně.
Pokud jsou „S“ křivky dál od svislé osy diagramu, postačí ochlazení na vzduchu. Pokud jsou
blízko, musí se použít chladnější prostředek. U ocelí legovaných a kalitelných leží dokonce
vodorovná čára Mf pod bodem mrazu. Takové oceli je nutné chladit v kapalném vzduchu
nebo kapalném dusíku. Dále záleží na hmotnosti kalené části, protože chladící lázeň musí ve
velmi krátkém čase odvést značné hodnoty tepelné energie. Kalení nemá smysl pro masivní
výrobky. Pokud masívní jsou, kalí se povrchově. U patentování se prodleva realizuje
ponořením součásti do tekuté soli nebo olova. Tvrdost martenzitu je asi 800 HB a bainitu
500 HB.
-45-
Poznámka: Grafy konstruované podle obrázku 19 mají i složitější tvary, kdy jsou „S“ křivky
dvojité. Jde o to zda se jedná o tzv. diagramy IRA (izotermického rozpadu austenitu), nebo
ARA (anizotermického rozpadu austenitu). U ARA diagramů se uplatňuje sdílení tepla z jádra
součásti. Teplo jako energie se uvolňuje z jádra s určitou časovou prodlevou.
T
[°C]
0°C
čas t [s]
Mf
SPSKS
Obr. 20 Příklad ARA diagramu legované oceli „mražená ocel“
Poznámka: Existuje pojem prokalitelnost a kalitelnost. Prokalitelnost je schopnost
martenzitické nebo bainitické přeměny do určité hloubky materiálu. Je zřejmé, že tloušťka
materiálu způsobuje při odvádění tepla jako energie problém s rychlostí chladnutí, kterou
narůstající tloušťka prodlužuje. Obvykle se součásti nekalí na plný rozměr a preferuje se spíše
tvrdý povrch a houževnatější jádro.
Kalitelnost je schopnost oceli dosáhnout zvýšení tvrdosti kalením. Ta není stejná pro
různé druhy ocelí. Závisí mj. na obsahu uhlíku. Oceli s nízkým obsahem uhlíku se kalí hůře,
nebo obsah martenzitu ve struktuře je tak malý, že zvýšení obecné tvrdosti se nenaměří. To se
projevuje u ocelí tř. 12, např. 12 010, 12 020 apod. Tyto materiály ale vynikají vysokou
houževnatostí. Pokud chceme dosáhnout také tvrdého povrchu, tak volíme chemickotepelné
zpracování (cementování, nitridování apod.).
5.3.3 POPOUŠTĚNÍ
Ocel zakalená zvláště pak na martenzitickou strukturu vykazuje vysoké hodnoty
vnitřního pnutí. To namáhá tahem součást, aniž by byla zatížena vnějšími silami. Pokud se
tyto sečtou s vnějším zatížením, dochází k praskání součástí křehkým lomem. Toto vnitřní
-46-
pnutí je proto nutné snížit. Popouštění je tedy tepelné zpracování následující po kalení.
Technologicky se jedná o opakovaný ohřev na teplotu pod tzv. Ac1 , jmenovitě jsou to teploty
od 180°C do 700°C. Existuje proto tzv. popouštění za nízkých teplot do 400°C a za vyšších
teplot. Popouštění se obvykle několikrát opakuje. Kalení a popouštění za vyšších teplot se pak
odborně nazývá zušlechťování. Popouštěcí teplota je pro každý materiál a jeho užitné
vlastnosti dána diagramy IRA nebo ARA. Teplo potřebné k popouštění se za určitých
podmínek získá z materiálu součásti, kdy chladíme jen části, které potřebujeme „vytvrdit“.
Poznámka. Teplo pro popouštění u jednoduchých součástí lze získat ze zbytku tepla při
kalení, který zůstal naakumulován ve hmotě celé součásti. Jako příklad nechť slouží zakalení
ostří dláta. Větší část dláta se ohřeje na teplotu kalení. Následně se do chladící lázně, např.
vody, ponoří jen vlastní ostří na několik sekund. Následuje vytažení. Teplota v celé součásti
má tendenci se vyrovnat a proto se teplo jako energie samovolně šíří po teplotním gradientu
(spádu) do chladnějších míst. Tím dojde k tomu, že se opětovně ohřeje zakalená část a tu
následně při dosažení požadované teploty opět „zbavíme“ teploty ochlazením a celé
popouštění můžeme několikrát opakovat. V diagramu např. ARA pak průběh vypadá podle
obrázku 21.
Ac1
T
[°C]
SPSKS
popouštění
Ms
Mf
kalení
čas t [s]
Obr. 21 Schéma kalení a následného popouštění
Tepelné zpracování ocelí přes značnou exaktnost vyžaduje zcela mimořádnou
zkušenost v technologii provádění. Dosavadní úvahy o oceli se redukovaly na poměr železo –
uhlík. Postačí mnohdy nepatrná přísada jiného chemického prvku a mění se výrazně vlastnosti
materiálu při ochlazování. Tato problematika narůstá s množstvím vyráběných druhů ocelí a
zvláště pak se skutečností, že do „oběhu“ se dostává šrot, který se přidává do finálního
výrobku oceláren, kde se vyskytují materiály vysoce legované.
-47-
šedá
1250-1350
bílá
320
šedomodrá
1150-1250
světle žlutá
310
světle modrá
1050-1150
tmavě žlutá
300
chrpově modrá
880-1050
žlutočervená
290
tmavě modrá
830-880
světlečervená
280
fialová
800-830
světle třešňovitě červená
270
purpurově červená
780-800
třešňovitě červená
260
hnědočervená
750-780
tmavě třešňovitě červená
250
hnědožlutá
650-750
tmavě červená
240
tmavě žlutá
580-650
hnědočervená
230
žlutá
520-580
černohnědá
220
slámově žlutá
210
bíložlutá
200
žádná
Pro běžné kovářské práce se teploty ocelí při tepelném zpracování ocelí měří podle
barvy. Pro zběžnou informaci jsou teploty uvedeny v obrázku 22 s tím, že za přesnou barvu
lze ručit výhradně v elektronické podobě této učebnice.
330
TEPLOTY OHŘEVU PRO KALENÍ
barva
TEPLOTY PRO POPOUŠTĚNÍ A ŽÍHÁNÍ
teplota [şC]
SPSKS
Obr. 22 Barvy povrchu ocelí pro kalení a popouštění (žíhání)
-48-
teplota [şC] barva
5.3.4 ZUŠLECHŤOVÁNÍ
Cílem tepelného zpracování ocelí, které se nazývá zušlechťování, je dosažení vysoké
meze kluzu, vysoké meze pevnosti a odolnosti proti únavě při vysoké houževnatosti. To jsou
požadavky na řadu strojních součástí. Snad je dobré připomenout, že lze takto na povrchu
dosáhnout i vysoké tvrdosti. Pro vědomosti na úrovni absolventů oborů postačí vědět, že se
zušlechťování týká ocelí třídy 12 a u ocelí slitinových. Z technologického hlediska se jedná o
tepelné zpracování – žíhání, kalení a popouštění, které zajistí dosažení maximálních hodnot
meze kluzu a pevnosti. Takovéto vlastnosti potřebujeme např. pro ozubená kola, lana, řetězy,
ložiska (kroužky i kuličky), vačkové hřídele apod. Zvláště se zde sleduje vrubová
houževnatost, tedy energie potřebná pro přeražení průřezu vzorku rázem za určitých teplot.
Bez bližšího vysvětlení technologie zušlechťování má průběh podle diagramu.
prodleva
T
[°C]
kalení
ohřev
A1
SPSKS
1. popouštění
2. popouštění
3. popouštění
čas t [h]
Obr. 23 Schéma zušlechťování
5.3.5 CHEMICKO - TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ OCELÍ
Technologie chemicko – tepelného zpracování zahrnují vedle krystalických přeměn
ještě určité chemické reakce. Obecně platí, že drtivá většina chemických reakcí u pevných
látek (vyjma detonace) probíhá na jejich povrchu. Tyto technologie předpokládají chemickou
změnu povrchu téměř dokončené součásti v tenké vrstvičce. Povrch součásti je sycen
některými prvky, které se železem vytvářejí tvrdé a odolné chemické sloučeniny. Děje se tak
za vysokých teplot srovnatelných s teplotou kalení. Mechanizmus sycení povrchu součásti je
difúze. Podle sytícího prvku chemicko – tepelné zpracování dělíme na:
- cementování
- nitridování
- nitrocementování
- sulfonitridace
-49-
CEMENTOVÁNÍ
Je to jedna z nejpoužívanějších technologií chemicko – tepelného zpracování. Povrch
součásti je zde sycen uhlíkem. Podstata této technologie spočívá ve skutečnosti, že oceli
s nízkým obsahem uhlíku (podeutektoidní) jsou velmi houževnaté. Takový materiál je vhodný
pro mnohé aplikace a do této skupiny patří např. oceli třídy 12. Jejich kalením však nelze
získat dostatečně tvrdý povrch. Ten docílíme u ocelí s vysokým obsahem uhlíku, což jsou
uhlíkové oceli třídy 19. Tato technologie tak nasycením povrchu uhlíkem vytváří na povrchu
součásti jiné složení, neboli součást je po průřezu nehomogenní, v diagramu Fe - Fe3C. Tak
máme k dispozici určité „dvojí složení“.
T
[°C]
jádro součásti ocel
0,1%C (12 010)
povrch součásti
1,9%C
910°C
723°C
SPSKS
2,16
0,8
%C
Obr. 24 Složení ocelí v jádru a na povrchu cementované součásti
Cementování je vhodné pro oceli s obsahem uhlíku do 0,2%. Tato tenká vrstvička se
následně zakalí na vysokou tvrdost a jádro zůstává houževnaté. Cementování se používá u
strojních součástí vystavených otěru na povrchu. Cementovat lze jenom ty části povrchu,
které jsou zatíženy otěrem. Typickými součástmi s cementovanými částmi jsou osazení
hřídelí pro kluzná ložiska, vačky vačkových hřídelí apod. Tloušťka nauhličené vrstvy bývá
0,5 – 1,5 mm. Poslední technologií je broušení povrchu. Uhlík se do povrchové vrstvy
součástí dostává difuzí z cementačního prášku, kterým je obvykle směs dřevěného uhlí a
uhličitanu barnatého BaCO3. Modernější technologie využívají směsi uhlovodíků a vzduchu.
Tloušťka vrstvy se řídí dobou vystavení součástí procesu a teplotou.
-50-
NITRIDOVÁNÍ
Nitridy jsou podobně jako cementity velmi tvrdé chemické sloučeniny. V tomto
případě se povrch součástí sytí atomárním dusíkem N. Oceli vhodné pro tento způsob
chemicko – tepelného zpracování musí obsahovat legující prvky, především hliník a chróm.
Zdrojem atomárního dusíku je čpavek a teplota nitridace je v rozmezí 500 – 600 °C.
Nitridační teploty jsou nižší než teploty při cementování a proto není nutné součásti brousit,
obvykle se pouze leští. Tloušťky nitridovaných vrstev jsou menší a jejich vznik trvá 10 i více
hodin, což ovlivňuje cenu. Příkladem nitridovaných částí jsou pístnice lineárních
hydromotorů.
Poznámka: Atomární dusík má chemickou značku N. Dusík, který je většinově
zastoupen ve vzduchu je dusík molekulární N2. Proto k nitridaci je nutné rozkládat čpavek,
abychom tento atomární dusík získali. Molekulární dusík je totiž za běžných teplot málo
reaktivní.
NITROCEMENTOVÁNÍ
Kombinace iniciování chemických reakcí, za vzniku cementitů (karbidů) a nitridů se
nazývá nitrocementace. Technologie zůstává stejná. Součást je vystavena teplotám od 750 880°C po dobu několika hodin. Zdrojem difundujících látek je kyanidová sůl. Součásti je
následně nutné kalit s ochlazením v olejové lázni.
SPSKS
SULFONITRIDACE
Tato technologie tvrzení povrchu součástí předpokládá sycení povrchu uhlíkem,
dusíkem a také sírou (někdy ještě bórem). Takto vytvořená povrchová vrstva má vynikající
kluzné vlastnosti při poruchách mazání. Vedle karbidů a nitridů tak vznikají ještě boridy a
sulfidy.
-51-
5.4 VÝROBKY Z OCELÍ
Obecně pro ocel, tedy slitinu železa a uhlíku do obsahu 2,16 hmotnostních %, platí, že
materiál lze odlévat na odlitky, nebo zpracovávat na tzv. hutní materiál.
Hutní materiál představuje velmi širokou škálu výrobků, které jsou polotovarem pro
konstrukce. Technologie jejich výroby lze rozdělit do dvou skupin na:
- válcovaný materiál
- tažený materiál
Válcovaný materiál
Válcování je technologie, která mění průřez výchozího hutního materiálu (bramy nebo
sochoru) na průřez jiný.
válec
SPSKS
válcovaný materiál
Obr. 25 Schéma válcování ocelového polotovaru
Mezi dva protisměrně rotující válce je vtahován opakovaně materiál, který je vystaven
tlaku a mění v jeho důsledku průřez. Tento postup se několikrát opakuje. Válce mohou být
hladké a výsledným produktem je plech, pás, plochá ocel. Nebo mohou být válce opatřeny
profilováním a takto vznikají tyče různých průřezů. Nejznámější průřezy jsou L profil, U
profil, kruhový profil, šestihran, čtverec, I profil apod. Poněkud složitější je technologie
výroby trubek. Konečného profilu dosáhneme postupnou změnou průřezu.
Válcování může probíhat za tepla nebo za studena. Za studena se válcuje v poslední
operaci a vznikají tak tzv. hlubokotažné plechy.
Tažený materiál
Tažení je redukce průřezu, která probíhá v tzv. průvlaku namísto mezi válci. Průvlak
je tvarovaný kuželový otvor. Tažený materiál se pomocí tažného zařízení protahuje. Touto
technologií se vyrábí dráty, tyče kruhového a šestihranného průřezu apod. Polotovar musí být
dokonale mazán a získává tak zajímavé vlastnosti vlivem plastické deformace. Takto
vyrobený materiál je také anizotropní.
-52-
tažený materiál
průvlak
Obr. 26 Schéma tažení materiálu
6.0 NEŽELEZNÉ KOVY A JEJICH SLITINY
Železo je s ohledem na studované obory stále nejpoužívanějším materiálem, přesto je
zjevný trend pro některé aplikace používat materiály s vyššími užitnými vlastnostmi. Důvody
preference železa jako konstrukčního materiálu spočívají v jeho ekonomické dostupnosti,
která souvisí s jeho výskytem v zemské kůře a energetické náročnosti jeho výroby.
V Mendělejevově tabulce tvoří kovy asi 75% prvků, což opticky slibuje obrovskou
škálu možností vytvářet slitiny a využívat jejich zvláštních vlastností. Ty jsou u čistých kovů
popsány v kapitole 3.0. Za čistý kov je považována čistota 99,9 až 99,99%. Takováto čistota
kovů není pro konstrukční materiál vhodná ani cenou, ani užitnými vlastnostmi. Praktické
využití většího sortimentu kovů naráží na ekonomické problémy jejich získávání. Proto jejich
použití je omezené pro speciální aplikace, kde cena nehraje zásadní roli – vojenská a
kosmická technika.
SPSKS
Slitiny neželezných kovů
Slitina je tuhá látka složená ze dvou a více kovů nebo i prvků nekovových. Od
chemických sloučenin se odlišují chemickou vazbou, která je zde kovová a nezávisí na
vzájemných poměrech atomových hmotností. Toto je zřejmé i u oceli, která je slitinou železa
a uhlíku, kde chemická sloučenina karbid železa (cementit) Fe3C je maximální hranicí obsahu
uhlíku, která představuje 6,63 hmotnostních % nebo 25% atomů v pohledu molárního
množství. Slitina se odlišuje od směsí tím, že složky slitin lze zpětně oddělit jedině chemickou
cestou nikoli cestou fyzikální. Slitiny mají obvykle lepší užitné vlastnosti než kovy čisté a
tyto vlastnosti lze účelově měnit podle potřeb. Analogií může být opět ocel. Pokud
potřebujeme tvrdou a kalitelnou ocel zvyšujeme obsah uhlíku, pokud potřebujeme ocel
houževnatou obsah uhlíku snižujeme.
Slitiny se vyrábějí míšením v tekutém stavu. Nejčastěji tak, že se roztaví hlavní kov
(ten kterého je největší hmotnostní podíl) a do něj se přidává další kov.
Míšení v tekutém stavu vyvolává dojem, že lze mísit libovolné kombinace kovů.
Míšení kovů v tekutém stavu předpokládá, že kovy jsou tekuté za rozdílných teplot
-53-
nepřesahujících určitou mez. Kov s vysokou teplotou tání v tisících °C nelze smísit s kovem
s teplotou tání ve stovkách °C, protože se už nevyskytuje v tekutém stavu, ale jako pára.
Základní rozdělení slitin neželezných kovů je na:
- těžké neželezné kovy a jejich slitiny (měrná hmotnost nad 5000 kg.m-3)
- lehké neželezné kovy a jejich slitiny (měrná hmotnost do 5000 kg.m-3)
6.1 TĚŽKÉ NEŽELEZNÉ KOVY A JEJICH SLITINY
Hlavním představitelem těžkých neželezných kovů je měď a její slitiny. Další technické
kovy jsou pak antimon, cín, zinek, kadmium, nikl a olovo.
6.1.1 MĚĎ A SLITINY MĚDI
Měď je v čistém stavu kov, který svými fyzikálními vlastnostmi je velmi odlišný od oceli.
Její tepelná a elektrická vodivost je asi 6x vyšší, pevnost v tahu asi 215 MPa a tažnost 40%.
Tvářením za studena se zdvojnásobí pevnost, ale poklesne tažnost. Odolnost proti korozi je
dobrá ve vztahu k atmosférickým vlivům a organickým kyselinám. Její použití je převážně
v elektrotechnickém průmyslu. Pro konstrukční účely se používá ve slitinách a pro galvanické
povlaky.
Hlavní slitiny mědi jsou:
- bronzy
- mosazi
SPSKS
BRONZY
Za bronzy se považují slitiny mědi s různými kovy vyjma zinku. Bronz se pak
pojmenovává přívlastkem podle hlavního legujícího prvku. Bronz je historicky starou slitinou
a většina bronzů je slitinou mědi a cínu.
Bronzy cínové obsahují nanejvýše 20% cínu. Při obsahu cínu do 8% jsou bronzy tvárné a
dají se takto zpracovávat. Při obsahu vyšším jsou slitiny zpracovatelné pouze litím. Jsou
odolné proti opotřebení a korozi. Vyrábějí se z nich pružiny pro speciální užití, membrány,
pouzdra kluzných ložisek, šroubová kola, kola šnekových převodovek, oběžná kola čerpadel,
tělesa armatur apod.
Bronzy olověné jsou slitiny mědi a olova, případně mědi, cínu a olova. Jsou to typické
materiály kluzných ložisek. Obsah olova může dosahovat až 30%.
Bronzy červené jsou slévárenské bronzy, které obsahují vedle cínu a olova i zinek
v malém množství. Používají se na armatury pracující s teplou tlakovou vodou a párou, dále
na přesná kluzná ložiska např. obráběcích strojů.
Bronzy hliníkové jsou materiály jak slévatelné, tak tvářitelné. Namísto cínu obsahují
hliník v množství 3 – 11%. Vyrábějí se z nich armatury pro potrubí přepravující agresivní
látky, např. důlní vody. Dále pak součásti vystavené vysokým teplotám agresivních plynů,
např. výfukové potrubí a ventily.
Bronzy beryliové obsahují 1 – 2% berylia, ale jsou obvykle legovány i dalšími prvky.
Vyrábějí se z nich nástroje v nejiskřivém provedení pro hlubinné doly, speciální síta do
třídičů, kuličky korozivzdorných valivých ložisek, pružiny vystavené koroznímu prostředí
apod.
-54-
Bronzy niklové jsou používány především v elektronice. Vedle niklu se přidává ještě
mangan a železo. Takto lze získat materiál jako konstantan a nikelín. Přidáváním manganu lze
získat i feromagnetickou látku bez obsahu železa – Heuslerovy slitiny.
MOSAZI
Mosaz je slitina mědi a zinku. Jejich vzájemný poměr určuje vlastnosti mosazi. Je-li
ve slitině více než 80% mědi, nazývají se vzniklé slitiny tombaky. Technické vlastnosti
mosazí vynikají korozivzdorností. Mají vynikající tažnost, proto se z mosazi vyrábějí
nábojnice, těla rozbušek, chladiče, lopatky parních turbín apod. Mosazí je podobně jako
bronzů více druhů, kde přidaná legura je přívlastkem názvu (niklové, cínové, hliníkové).
6.2 LEHKÉ NEŽELEZNÉ KOVY
Mezi nejvýznamnější lehké neželezné kovy patří hliník, hořčík a titan. Tyto kovy jsou
obecně důležitými legujícími prvky železných i neželezných slitin.
6.2.1 HLINÍK A SLITINY HLINÍKU
Hliník a jeho slitiny jsou nejpoužívanějším lehkým kovem. Hliníku je v zemské kůře
obrovský podíl, ale získávání čistého kovu je energeticky mimořádně nákladné. Je to
způsobeno technologií, která je spojena s elektrolýzou roztaveného bauxitu. Hliník má malou
měrnou hmotnost ρ = 2700 kg.m-3, dobrou elektrickou a tepelnou vodivost, dobrou
chemickou vodivost, velmi dobré mechanické a technologické vlastnosti (tvárnost,
slévatelnost, svařitelnost apod.).
Slitiny hliníku zvyšují vybrané užitné vlastnosti. Hlavními přísadami jsou měď, hořčík,
křemík a zinek. V menším množství to může být ještě nikl a mangan. Pro účely této učebnice
budou uvedeny slitiny podle obchodního názvu. Jsou to:
- dural
- superdural
- hydronalium
- pantal
- silumin
SPSKS
Dural je nejrozšířenější skupina slitin hliníku (Al-Cu4-Mg). Je to vytvrditelná slitina,
která dosahuje ve vytvrzeném stavu pevnosti až 400 MPa. Její odolnost proti korozi je malá.
Někdy se plátuje čistým hliníkem. Vyrábějí se z něho tyče a plechy. Hlavní použití je při
stavbě letadel a dopravních prostředků, kde je nutné omezit hmotnost.
Superdural (Al-Cu4-Mg1) vykazuje vyšší hodnoty mechanických vlastností daných
zvýšeným obsahem manganu. Dosahuje po vytvrzení pevnosti až 500 MPa. Dobré
mechanické vlastnosti si zachovává i při vyšších teplotách. Vyrábějí se z něho lité a kované
písty spalovacích motorů.
Hydronalium je slitina hliníku obsahující 2 – 8% hořčíku. Dosahuje pevnosti až 400
MPa. Vyrábějí se z něj profily podobně jako v případě ocelí. Je vhodné na výrobu letadel,
v potravinářském a chemickém průmyslu apod.
Pantal je slitina obsahující mangan a křemík. V měkkém stavu má pevnost 110 MPa, ve
vytvrzeném pak 300 MPa. Využívá se při stavbě letadel, potravinářských zařízení apod.
-55-
Silumin je slitina hliníku, křemíku a manganu. Je většinou vytvrditelný, houževnaté.
Z technologických vlastností má velmi dobrou slévatelnost, velmi špatnou obrobitelnost.
Typickým výrobkem jsou písty spalovacích motorů lité do kokil.
Poznámka: Technologie vytvrzení hliníku se podobá zušlechťování, ale je poněkud
složitější.
Kokila je kovová forma na lití kovů s nižší teplotou tavení.
6.2.2 TITAN A SLITINY TITANU
Titan jako čistý kov má podobné mechanické vlastnosti jako oceli. Jeho měrná hmotnost
je však mnohem menší ρ = 4500 kg.m-3. Odolnost proti korozi je velmi vysoká. Jeho zásadní
nevýhodou je vysoká cena, protože se v zemské kůře a mořské vodě vyskytuje v malých
koncentracích. Jeho svařitelnost je dobrá za předpokladu užití speciálních technologií. Má
velmi špatnou obrobitelnost podobně jako hliník (má sklony ke „kousavosti“). Lze jej odlévat
i zpracovávat tvářením. Je to kov nemagnetický. Jeho pevnost relativně rychle klesá se
zvyšující se teplotou. Slitiny obsahují kovy jako chrom, molybden, wolfram a hliník. Používá
se v potravinářském průmyslu v leteckém a kosmickém průmyslu tam, kde již nevyhovují
slitiny hliníku.
6.3 SPECIÁLNÍ SLITINY NEŽELEZNÝCH KOVŮ
SPSKS
Pro účely této učebnice postačí speciální slitiny, které se používají jako pájky a materiály
kluzných ložisek.
Pájky jsou slitiny neželezných kovů, které se používají v tekutém stavu pro vytvoření
spoje „materiálovým stykem“, který je nerozebíratelný. Rozlišujeme pájky měkké a tvrdé,
kdy dělící čára obou skupin je dána teplotou tavení do 500°C měkké a nad 500°C tvrdé. Tomu
odpovídají pájky na bázi slitin kovů jako je cín, olovo, stříbro (měkké) a hliník, měď, mosaz
a nikl (tvrdé).
U materiálu kluzných ložisek již byly uvedeny bronzy. Další skupinou slitin pro tyto účely
jsou tzv. kompozice. Tyto dělíme na kompozice cínové a kompozice olověné. Na kompozici
pohlížíme jako na slitinu. Její charakteristickou vlastností je nehomogenita její krystalické
stavby. S určitou mírou zjednodušení si tuto slitinu lze představit jako disperzi krystalů
určitého složení a určitých vlastností v nějaké matrix. Na výbrusu vypadá taková kompozice
jako plovoucí krystaly. Takováto struktura je velmi vhodná pro kluzná ložiska.
Slitina elektron je obchodní označení slitiny hořčíku s 3 – 10% hliníku, dále pak zinku,
manganu a v některých případech ještě zirkonia a thoria. Používá se tak, kde požadujeme
nízkou měrnou hmotnost, např. u rotujících součástí, kde dosahujeme nízké hodnoty momentu
setrvačnosti. Zejména se používá pro lití disků kol automobilů vyšších tříd.
-56-
6.4. KOROZE KOVŮ
Obecně pojem koroze znamená degradaci materiálů snížením jejich užitných vlastností. Je
třeba upozornit na skutečnost, že koroze se netýká pouze materiálů kovových, tedy materiálů
s kovovou vazbou. Korodují i materiály jako je beton, silikátové stavební materiály, plasty
(nejčastěji izolanty), textilie apod.
Z pohledu vzniku koroze se jedná o chemické nebo chemicko-fyzikální mechanizmy.
Statisticky nejčastějším případem je koroze v prostředí zemské atmosféry. Za významná
korozivní prostředí můžeme považovat i zeminy, mořskou a říční vodu , dokonce i kosmický
prostor. Kromě přírodního korozivního prostředí existuje i korozivní prostředí vzniklé díky
technologiím zejména v průmyslu. Do této skupiny patří roztavené kovy, kyseliny, páry a
agresivní plyny apod. Podle mechanizmu korozních dějů členíme korozi na:
- chemickou
- elektrochemickou
Chemická koroze je čistě chemická reakce povrchu materiálu s prostředím nebo jeho
jednou složkou. Typickým příkladem je vznik souvislé matné vrstvy na hliníkovém povrchu
z jeho oxidů.
Elektrochemická koroze je případ, kdy proces koroze probíhá ve vodném prostředí, ve
kterém se vyskytují ionty schopné vést elektrický proud. Takováto koroze je mnohem častější
než koroze chemická, protože vodný roztok může být i ve formě vlhkosti ať již atmosferické,
nebo zemní. Povrch kovových materiálů lze pak chápat jako elektrochemický článek. V něm
mohou být elektrodami nejenom součásti z různých kovů, ale také krystaly nebo zrna
s různým složením ve slitině. Taková koroze má za následek vznik povrchové vrstvy, která
může být souvislá nebo např. bodová, nitková, selektivní, mezikrystalová, transkrystalová,
apod.
SPSKS
Poznámka: K pochopení elektrochemické koroze je dobré znát tzv. elektrochemickou řadu
napětí kovů. Ta měří potenciál kovu vztažený k vodíkové elektrodě, jejíž potenciál má hodnotu
0. Obecně víme, že pokud vodivě spojíme elektrody např. z mědi a zinku a ponoříme je do
vodného roztoku s ionty, získáváme tak určité napětí. Toto napětí vzniká přeměnou chemické
energie na energii elektrickou. Na podobném principu pracují např. nejčastěji používané
olověné akumulátory.
-57-
Podle převažujícího faktoru vzniku koroze rozeznáváme druhy koroze:
- bludným proudem - relativně častý výskyt zejména v zeminách a velkostrojích,
- chvěním – vibrace součástí (fretting corosion), valivá tělíska ložisek, vnitřní plochy
pružin, nýtované spoje leteckých konstrukcí, šroubové spoje apod.,
- koroze pnutím – při kombinaci mechanického napětí a korozivního prostředí
(korozivní praskání),
- po vrstvách,
- při částečném ponoru (sloupy mostů),
- při střídavém ponoru (vrtné plošiny na moři).
Mechanizmus elektrochemické koroze umožňuje i protikorozní ochranu tzv. anodickou a
katodickou ochranu. Katodická ochrana se využívá při protikorozní ochraně plynovodů a
ropovodů a ocelových konstrukcí vystavených působení např. mořské vody, olověných plášťů
kabelů apod. Např. k ocelovému potrubí ropovodu jsou po určitých vzdálenostech vodivě
připojeny zemnící anody. Obvykle je do tohoto vodivého spojení přiváděno určité elektrické
stejnosměrné napětí. Zemnící anoda je obvykle vyrobena ze slitiny hořčíku, nejčastěji je to
hořčík. Tato zemnící anoda velmi rychle koroduje na úkor chráněného potrubí. Protože
korozní děje dokážeme soustředit na několik málo míst chráněného potrubí o délce i tisíce
kilometrů, není problém zemnící anody časem prostě vyměnit.
potrubí ropovodu
SPSKS
-
+
desítky kilometrů
zemnící anoda
Obr. 27 Schéma katodické ochrany s vnějším zdrojem proudu
-58-
7.0 PLASTY
Materiály, které nazýváme plasty jsou syntetické, polosyntetické nebo dokonce přírodní
makromolekulární látky, které jsou schopné tváření za určité teploty. Jsou teplem tvářitelné (a
to opakovaně) nebo teplem tvrditelné. Tváření je nutné chápat jako přijetí a ponechání si
nového tvaru.
V technické praxi mají velmi hojné použití pro své užitné vlastnosti a
možnosti širokého řízení vlastností při technologiích jejich výroby a zpracování. U kovových
materiálů jsou možnosti řízení, např. hmotnosti, pevnosti, tvrdosti, tažnosti apod. omezeny na
relativně úzké fyzikální mantinely. U slitin se uplatňuje především kovová vazba, u
makromolekulárních látek dominuje vazba kovalentní. Tato skutečnost má řadu důsledků ve
fyzikálních a mechanických vlastnostech. U kovalentní vazby je nemožná elektrická a tepelná
vodivost. Pevnost je nižší a při namáhání zaznamenáme viskoelastické chování, což
zjednodušeně formulováno znamená, že při zatížení materiál teče. U kovových materiálů je
ostře zřejmý rozdíl mezi pevnou fází a fází kapalnou při tavení. U látek s kovalentní vazbou
nedosáhneme tekutého stavu, ale materiál je měkký nebo měkne (kaučukový stav).
Poznámka: Rozdíly v chemických vazbách vazby kovové, kovalentní a iontové jsou
v elektronovém obalu jednotlivých atomů látky. Řada sloučenin nemá ostře jeden typ vazby,
např. iontovou, ale uplatňuje se v převážné míře.
Kovová vazba je charakteristická velkým počtem volných elektronů v krystalické
stavbě látek.
SPSKS
jádra atomů kovů ve slitině
elektrony v krystalické mřížce
Atomy kovů jsou vázány v krystalické mřížce určitými silami v polohách, které jsou
dány tzv. parametrem mřížky (vzdálenost těžiště dvou sousedících jader) a krystalickou
soustavou daného kovu nebo slitiny. Elektronové obaly vyplňují volné prostory v mřížce,
podobně jako by v makrosvětě vyplňoval prostory koulí vzduch. Někdy se tyto elektrony
nazývají elektronovým plynem. Tato vazba vysvětluje kujnost kovů, tepelnou a elektrickou
vodivost, protože při vedení elektrického proudu dochází pouze k tomu, že se elektrony
pohybují jedním směrem. Tavení kovu je dodání takového množství tepla, že atomy opustí
krystalickou mřížku vzdálením se nad hodnotu parametru mřížky.
-59-
Kovalentní vazba je taková vazba, kdy atomy sdílejí valenční elektrony. Jako příklad
nechť slouží molekula vodíku H2. V první elektronové slupce K , která je také poslední, tedy
valenční, se vyskytují u všech atomů nejvýše dva elektrony. Atomární vodík H má však pouze
elektron jeden. Dva atomární vodíky, pokud jim dovolíme se přiblížit na určitou vzdálenost,
počnou elektrony sdílet. S určitým zjednodušením to znamená, že v čase má jádro vodíku
jednou dva elektrony, tedy plnou slupku K, a následně je (v čase) bez elektronů. Toto střídání
probíhá nesmírnou rychlostí a postačí k udržení jader v přesné vzdálenosti, čímž je vytvořena
molekula vodíku.
SPSKS
Z modelu je zřejmé, že elektron nemůže opustit sdílené orbity, které tvoří tvar jakési
prostorové osmičky. Proto takové látky nevedou elektrický proud a jsou špatnými vodiči tepla.
Iontová vazba je chemická vazba, kde jeden atom má neúplný poslední orbita, nejlépe
v něm má pouze jeden elektron. Druhému atomu v posledním orbitu chybí do plného počtu
málo elektronů, ideálně jenom jeden. Plný počet elektronů v jednotlivých orbitalech je dán
tzv. hlavním kvantovým číslem n =1, 2, 3, 4 podle vzorce N = 2n2. Tedy činí 2 elektrony pro
orbit K, 8 elektronů pro orbit L, 18 elektronů pro orbit M, 32 elektronů pro orbit N. Typickým
příkladem iontové sloučeniny je chlorid sodný NaCl, kdy sodík má jeden valenční elektron a
chlóru do plného obsazení jedenáct chybí. Vedle hlavního kvantového čísla se zde však
uplatní ještě vedlejší kvantové číslo. To se značí malými písmeny s, p, d, f. Hlavní slupka nebo
orbit tak má jakési podslupky. Ta první podslupka s má 2 elektrony, druhá podslupka p 6
elektronů. Do plného počtu podslupky chybí jeden elektron. Tady nejsou splněny podmínky
pro sdílení elektronu a nastane stav, že chlór při určitém přiblížení k atomu sodíku volný
elektron přesune a doplní částečně svůj orbit na počet elektronů stejný jako má argon. V tom
okamžiku jsou se oba atomy stávají ionty s opačným nabitím. Sodík vykazuje o jeden náboj
protonu + navíc a chlór o jeden náboj elektronu navíc -. Rozdílná polarizace se přitahuje a
chemická sloučenina vytvoří pevnou krystalickou látku. Tato vazba vydrží i roztavení do
tekutého stavu. Z podstaty vazby je zřejmé, že takováto pevná látka nemá volné elektrony a
nevede elektrický proud. Dále je křehká, protože při posunutí mřížky deformací se postaví
-60-
proti sobě stejně nabité částice a ty se odpuzují. Rozpuštěna ve vodě naopak vede elektrický
proud dobře.
SPSKS
Nejreaktivnější prvek je potom fluor, kterému chybí v posledním orbitu N jeden
elektron. Ten chybí v podslupce p. Takové sloučeniny se i obtížně rozkládají chemickou
cestou.
-61-
7.1 MOLEKULÁRNÍ STRUKTURA PLASTŮ
Plasty jsou makromolekulární látky. Tento pojem je nutné ozřejmit. V anorganické
chemii, nebo např. v mineralogii má chemická látka vzorec. Z tohoto vzorce je mj. možné
vypočítat molekulární hmotnost anorganické sloučeniny. Tyto anorganické látky mohou být
v libovolném skupenství a mohou být v pevném nebo kapalném stavu udržovány
molekulárními silami. Makromolekulární látky se vyskytují v organické chemii. U
makromolekul se vytvářejí chemické vazby, které spojují jednu nebo více jednoduchých
organických látek v řetězce, nebo složitější rovinné nebo prostorové útvary. Molekuly tak
nabývají obrovských rozměrů a molekulární hmotnost je zde statistická veličina průměrné
velikosti makromolekul v polymeru. Velikost těchto řetězců a jejich tvar má vliv na
makroskopické vlastnosti polymeru.
Monomer je nízkomolekulární látka. Vyskytují se v něm atomy uhlíku, vodíku, ale také
chloru a fluoru. Monomer má chemický vzorec, podobně jako je tomu v anorganické chemii.
Příkladem monomeru může být např. etylen. Monomery se spojují chemickými vazbami do
polymerů. Jeho strukturální vzorec je:
H H
| |
C=C
| |
H H
etylen
(monomer)
H H H H H
……. H H
|
|
|
| |
|
|
H ─ C ─ C ─ C ─ C ─ C ─ …. ─ C ─ C ─ H
|
|
| |
|
|
|
H H H H H ……. H
H
SPSKS
polyetylen
(lineární polymer)
Sumární vzorec vypadá takto:
n CH2 = CH2 → [- CH2 - CH2 -]n, kde n má hodnotu 100 - 106
Polymerace je chemická reakce, při které polymer vzniká spojováním základních
monomerních jednotek jednoho typu monomeru (polystyren, polyetylen, polyamid) při
současném rozrušení násobné vazby v monomeru.
kovalentní vazba
Obr. 28 Schéma polymerace z monomeru
Polyadice je chemická reakce, při které polymer vzniká spojováním různého typu
monomerů. Výsledný polymer má chemickou stavbu od nich odlišnou (vyjádřeno barvami).
-62-
Obr. 29 Schéma polyadice z monomerů
Polykondenzace je chemická reakce, při které polymer vzniká z různých typů monomerů, ale
při slučování se odštěpují (kondenzují)vedlejší produkty, kterými je např. voda, čpavek a alkohol.
Výsledný polymer má podobně jako u polyadice jinou stavbu.
reakční zplodiny
Obr. 30 Schéma polykondenzace z monomerů
SPSKS
Smíšené polyreakce jsou chemické reakce, při kterých vzniká polymer polyreakcí tří
nebo více typů monomerů. Probíhá tak více druhů polyreakcí paralelně a vytvářejí se tak
příčné chemické vazby mezi základními řetězci. Výsledné makromolekuly mají tvar sítí a tím
i odlišné makroskopické vlastnosti.
Obr. 31 Schéma smíšené polyreakce
7.2 STRUKTURA POLYMERŮ
Již ze základních polyreakcí je zřejmé, že makromolekula může polymerovat ve tvaru
samostatného řetězce. Řetězce mohou být hladké nebo mohou mít jakési „odbočky“. Pokud
jsou větších rozměrů (delší), polymer je lineární nebo rozvětvený. Zesíťované polymery mají
řetězce propojené ve všech směrech chemickými vazbami a vytvářejí tak trojrozměrnou síť.
Lineární polymery mají tedy řetězce monomerů vázané v makromolekule polymeru.
Tyto řetězce mají tvar buď nepravidelný, který se podobá klubku zmuchlané nitě. Takový
polymer je amorfní látka. Při dosažení pravidelného a těsného uspořádání lineárních tvarů
makromolekul, např. do tvaru lamel vznikají krystalické útvary mezi amorfními zónami.
-63-
V případě takovéto textury hovoříme o částečně krystalických polymerech. Samotné řetězce
jsou mezi sebou drženy silami, které jsou menší než síly chemických vazeb. Působením tepla
pak lineární polymery měknou a získávají vlastnosti podobné kaučukům. Při zvýšení teploty
nad určitou hranici se polymer podobá viskózní kapalině. V takovém stavu se dá polymer
velmi dobře tvářet.
Lineární úseky makromolekul lze pomocí určitých technologií statisticky orientovat
určitým směrem. Výsledkem je pak anizotropní materiál. Takovými výrokby jsou vlákna,
vlasce, fólie apod. Protože jsou lineární polymery teplem tvářitelné, nazývají se někdy
termoplasty.
Zesíťované polymery mají řetězce propojené v trojrozměrné síti. Při zvyšování
teploty se řetězce nemohou oddělit. Tento stva lze přirovnat k zauzlování vláken.
V makroskopickém měřítku se to projeví nemožností polymer roztavit do kaučukovitého
stavu, nebo stavu viskózní kapaliny. Tvar takovýmto polymerům se dává již při polymeraci a
následně již nelze tvar měnit. Pokud vzniká husté síťování, hovoříme o vytvrzování a hmoty
vzniklé touto technologií nazýváme reaktoplasty.
Při řídkém zesíťování, které se vyznačuje jednou příčnou vazbou na několik set vazeb
lineárních, vznikají tzv. elastomery a technologie se nazývá vulkanizace.
7.2.1 MECHANICKÉ VLASTNOSTI POLYMERŮ
Mechanické vlastnosti polymerů závisejí u hmot bez plnidla výrazně na teplotě. Mezi
pevnou fází (stavem) a kapalnou fází (stavem) existuje ještě další stav kaučukovitý. Pevná
fáze je sklovitá amorfní nebo polokrystalická. Hranicí mezi sklovitým stavem a kaučukovým
stavem je tzv. teplota přechodu Tg, která je charakteristická pro každý polymer. Její hodnota
je přibližně od +40°C u polyamidu do -65°C u polyetylénu. Teploty nižší než je teplota Tg
zajišťují polymeru vlastnosti podobné vlastnostem ocelí při velmi malých deformacích a platí
tu přibližně hookeův zákon. Za teploty kolem Tg klesá prudce hodnota yangova modulu
v závislosti na struktuře makromolekul (krystalická nebo amorfní). Za teploty nad Tg se
hmota polymerů chová jako elastická a viskózní zároveň (viskoelasticita). Při dalším
zvyšování teploty na teplotu Tf, která se nazývá teplotou měknutí, se polymer chová jako
viskózní kapalina. V tomto stavu materiál teče. Odborný název pro tečení pod napětím je
creep.
Jako konstrukční materiál tedy musí být polymery používány v rozmezí teplot, kde
vyhovují svými vlastnostmi.
SPSKS
vlastnost
měrná hmotnost
pevnost v tahu
tepelná odolnost
teplotní roztažnost
základní makroskopické vlastnosti plastů
rozměr
poznámka
-3
900 – 2200 kg.m
podstatně menší než u kovových materiálů
30 – 80 MPa
u nevyztužených polymerů je menší, ale lze
velmi zvýšit vyztužením - kompozity
60 - 90°C
u běžných termoplastů
100 - 120°C
u běžných reaktoplastů
až 300°C
u speciálních polymerů s fluorem namísto
vodíku
asi 10 x větší než u rozměry výrobku při změnách teploty vyžadují
oceli
speciální konstrukční řešení
-64-
tepelná vodivost
hořlavost
elektrická vodivost
vrubová
houževnatost
svařitelnost
chemická odolnost
100 – 200 x menší jsou dobrými tepelnými izolanty, špatně
než u kovů
odvádějí teplo vzniklé třením
jsou samozhasínající protože vůbec dokáží hořet, mají limity použití
u konstrukcí a aplikací s nebezpečím požáru
nevodivé
výborné izolanty, vodivost lze zajistit
vyztužením kovovými vlákny nebo plnivem
grafitem
závislá na teplotě a lze ji vhodnou technologií polymerace měnit a
textuře
prostorově orientovat
makromolekul
u lineárních dobrá
sváření teplem do kaučukovitého stavu
u síťovaných špatná
nekorodují vodou
nutno chránit před navlhnutím a nasáknutím
lepší než u kovů
vodou např. u výztuh vlákny
7.2.2 DALŠÍ SLOŽKY VÝROBKŮ Z POLYMERŮ
Vlastnosti jak samotného materiálu polymerů, tak jejich výrobků se dají účelově měnit
s ohledem na jejich technickou aplikaci. Vlastnosti, které lze přidáním dalších složek aktivně
měnit jsou:
- měrná hmotnost,
- pevnost nebo orientovaná pevnost (pevnost v některém směru),
- barva,
- kluzné vlastnosti (součinitel tření),
- chemickou a fyzikální stálost (životnost),
- stabilita houževnatosti v čase.
SPSKS
Plniva jsou látky fyzikálně a chemicky odlišné od materiálu polymerů. Jejich účelem je
měnit některé užitné vlastnosti finálního výrobku. Kromě ceny, kdy plnidlo je určitým levným
balastem, mění i řadu mechanicko - fyzikálních vlastností. Vzniká tak heterogenní hmota.
Plnidla mají různý tvar.
Prášková plnidla mění cíleně fyzikální vlastnosti polymeru tak, že obvykle zvyšují
tepelnou vodivost a snižují tepelnou roztažnost; mezi taková plnidla patří břidlicová a
křemičitá moučka. Pro snížení součinitele tření, tedy zlepšení kluzných vlastností, se
používají práškový grafit a sirník molybdeničný, které mají hexagonální krystalickou stavbu.
Při požadavku na houževnatost a rázovou houževnatost jsou nepoužitelná. S ohledem na tvar
zrn nemění izotropii hmoty.
Vláknitá plnidla podstatně zvyšují pevnost v orientovaném směru. Mohou mít podobu
jednotlivých vláken, nebo tkaných textilií. Mohou se vrstvit, nebo umísťovat do
exponovaných míst konečného výrobku. Materiály vláken mohou být stejné jako se používají
v textilním průmyslu na tkaniny. Dále lze materiály dělit podle původu na přírodní a
syntetické. Jmenovitě sem patří bavlna, skleněná vlákna, vlákna z jiných polymerů
s orientovanými makromolekulami. Mezi špičkové materiály pro speciální užití patří
skleněná, a grafitová a bórová vlákna. Takovéto materiály patří do skupiny kompozitů a mají
vlastnosti, které v některých vlastnostech předčí i kovy. Mezi takto speciální vlastnosti patří
tepelná odolnost a pevnost.
-65-
Změkčovadla jsou chemikálie, které se přidávají do polymerů, které mají větší tvrdost
než vyžaduje určitý výrobek. Snížení tvrdosti je obvykle kompenzováno zvýšením
houževnatosti, nebo měkkosti a ohebnosti.
Barviva jsou přidávána do polymerů s cílem získat barvu nebo kvůli neprůhlednosti nebo
neprůsvitnosti, pokud je požadována výrobkem. Barviva mohou mít i jiné vlastnosti např.
fluorescenci apod.
Maziva jsou látky které snižují viskozitu při zpracování polymerů. (Neplést se
snižováním koeficientu tření).
Nadouvadla jsou látky, které při zpracování vytvářejí v objemu polymeru v tekutém a
nízkoviskózním stavu plyny. Ty způsobují vznik pěny a následně dojde k polymeraci. Takové
polymery se nazývají lehčené. Mohou být tvrdé, ale také měkké. Dutiny pěny mohou být
otevřené nebo uzavřené. Je zřejmé, že otevřené jsou schopny nasáknout kapaliny, uzavřené
nikoli (mycí houba – pěnový polystyren).
7.2.3 TERMOPLASTY
monomer
vinylchlorid
forma
polyvinilchlorid
tvrdý
polvinylchlorid
měkčený
SPSKS
kopolymer
vinychloridu
polyetylén
polyetylén
rozvětvený
etylén
lineární polyetylén
vysokomolekulární
polyetylén
propylen
použití a vlastnosti
Je jedna z nejpoužívanějších plastických hmot,
vyrábějí se z něj desky, potrubí a armatury pro
stavebnictví a chemický průmysl.
Obsah změkčovadel umožňuje jeho ohebnost za
nižších teplot, typickým výrobkem jsou podlahové
krytiny a materiál na obuv, těsnění, izolace vodičů
apod.
Jiný název je vinilacetát. Otiskuje s velkou přesností
povrch formy, vyrábějí se tak analogové
gramofonové desky.
Odolává velmi dobře zásadám i kyselinám, snáší
teploty do 75°C, vynikající vysokofrekvenční
izolátor, měrná hmotnost je menší než u vody.
Je měkký a ohebný za nízkých teplot pod bodem
mrazu, používá se na výrobu lahví, v medicíně,
potravinářském a farmaceutickém průmyslu.
V běžném životě jsou to balící fólie, pytle, sáčky,
ubrusy. Používá se k povlakování kovových součástí
(komaxit).
Má vyšší molekulovou hmotnost, vyniká vyšší
pevností. Používá se na výrobu větších a velkých
nádob jako jsou nádrže, kanystry, barely apod.
Odolává rázům a má vysokou vrubovou
houževnatost je vhodný na výrobu pojezdových
kladek, lanových kotoučů, nárazníků, ozubených kol,
nárazníků automobilů apod.
Jeho vlastnosti jsou obdobné jako u tvrdého
polyetylénu, snáší však teplotu až 90°C, proto je
vhodný na teplovodní potrubí a armatury,
sterilizovatelné lékařské potřeby, na vlákna
plovoucích lan, speciální textilie apod.
polypropylen
-66-
polystyren
Je tvrdý a křehký, průhledný, odolává teplotě do
styren
75°C, velmi dobře se lepí a snadno zpracovává, má
velmi široké uplatnění.
pěnový
Má vynikající tepelně izolační vlastnosti, proto se
polystyren
užívá masově ve stavebnictví a chladírenském
průmyslu. Existuje varianta tzv. strukturního
pěnového polystyrenu, kdy je napěněn vnitřek
součásti a povrch je kompaktní a tvrdý.
butadien
kopolymer styren Od polystyrenu se liší houževnatostí a odolností proti
butadien
rázům. Poměr mezi monomery styrenu a butadienu
určují vlastnosti. Pokud je více butadienu, používá se
na vulkanizaci při výrobě pneumatik, dopravních
pásů, těsnění apod. Ve formě monomerů se přidávají
styren i butadien do asfaltů, vznikají tak tzv.
modifikované asfalty.
akrylonitril
kopolymer
Snáší teploty do 85°C je pevný a vysoce houževnatý.
butadien
(ABS)
Používá se na výrobu částí karoserií, člunů a pro
styren
namáhané součásti se plní vlákny. Lze jej pokovit a
dosáhnout lesku na jeho povrchu.
celulóza
acetát celulózy
Monomer je přírodní látka, polymer je pevný a
houževnatý. Použití na drobnější výrobky a pásy
fotografických filmů, základ výbušnin, mírně
absorbuje vodu.
tetrafluoretylen polytetrafluoretylen Známý jako teflon. Jeho rozsah teplot pro použití je
největší od -250°C do + 250°C. Jako fluorovaný
monomer je polymer odolný vůči všem agresivním
chemikáliím, má vynikající kluznost (nízký
součinitel tření). Používá se na speciální ucpávky
armatur u agresivních médií za vysokých teplot. Plní
se někdy grafitem nebo bronzem pro zvýšení
otěruschopnosti a zlepšení odvodu tepla, na výrobu
speciálních kluzných ložisek. Je to typický produkt
kosmického výzkumu.
polyamid
Polyamidů je několik druhů. Všechny jsou pevné a
cyklický amid
houževnaté. Snášejí teplotu do 80°C. Vyrábějí se
nebo
z nich kluzná ložiska, ozubená kola, pojezdové
aminokyselina
kladky a vlákna pro textilní průmysl. Je vhodný pro
výrobu kompozitních materiálů, kdy se plní
skleněnými vlákny. Pod různými názvy tvoří textilie
jeho vláken armatury pneumatik a dopravních pásů.
polyformaldehyd
Je vysoce krystalický, pevný a velmi tuhý (vysoká
hodnota yangova modulu), odolává teplotám do
formaldehyd
90°C. Vhodný na výrobu kluzných ložisek,
ozubených kol, kladek. Vhodný pro výrobu
kompozitů s vlákny.
polymetylmetakrylát Plexisklo, je netříštivá hmota vynikající tzv.
metylester
dvojlomem, velmi dobrých optických vlastností.
Vhodný pro výrobu kompozitů.
SPSKS
-67-
7.2.4 REAKTOPLASTY
monomer
forma
fenolformaldehydová
pryskyřice
fenolformaldehyd
močovinaformaldehyd
močovinoformaldehydová pryskyřice
melaninmelaminformaldehyformaldehyd
dová pryskyřice
dioly
polyestery
(etylenglykol –
butylenglykol+
dikarbonová
kyselina)
použití a vlastnosti
Je tvrdý křehký materiál, odolný rozpouštědlům.
Snáší teploty do 120°C. V čitém stavu se používá
na elektroizolátory a ve slévárenství. Největší
využití má však s plnivy:
bakelit – plněný dřevěným prachem,
pertinax – plněný vlákny a tkaninami,
umakart, kartit – plněný papírovinou.
Velmi dobré elektroizolační vlastnosti, snáší
teplotu do 75°C. V čistém stavu se nepoužívá a
plní se celulózou nebo dřevěným prachem
(moučkou).
Stejné použití jako močovinoformaldehyd, ale
snáší teplotu do 120°C.
Jsou nejčastěji používanou pryskyřicí pro skleněná
vlákna a skleněné tkaniny (lamináty). Pevnost
dosahuje až 280 MPa. Používají se na velké nádrže
na agresivní kapaliny do 120°C teploty, na části
karoserií a v leteckém průmyslu. Při použití
speciálních vláken lze dosáhnou pevnosti až
800 MPa ve směru vláken.
Jsou pevné odolné materiály, snáší teplotu do
120°C. Čistá pryskyřice se používá na zalévání
elektrotechnických prvků, dále jako lepidla a
pojiva pro různé hmoty (umělý kámen, slévárenské
modely, skelné lamináty, konstrukční prvky
v letectví). Pevnost dosahuje až 320 MPa podle
použitých vláken.
SPSKS
dian+
epichlorhydrin
epoxidy
7.2.5 ELASTOMERY
monomer
glykol+
polyizokyanát
forma
polyuretan
použití a vlastnosti
Je
tuhá
kaučukovitá
hmota
s velkou
otěruvzdorností a hysterezí. Používá se na tlumící
prvky (silentbloky), těsnění, manžety apod. Lze u
nich modifikovat tvrdosti a odolnost proti
agresivnímu prostředí.
Lehčený polyuretan ve zpěněné formě se vyrábí
v různých tuhostech podle velikosti dutin. Má
vynikající tepelněizolační a zvukoizolační
vlastnosti. Nejvíce pěněná forma se nazývá
molitan, méně pěněné hmoty neoprén.
-68-
siloxan
silikony
Chemická stavba neobsahuje pouze uhlík a vodík,
ale také křemík (namísto uhlíku) a kyslík (namísto
vodíku). Hmota odpuzuje vodu a odolává
teplotám až do 200°C. Jako lineární polymery
jsou používány jako syntetické oleje nebo mazací
hmoty. Mají vysokou stabilitu viskozity v širokém
teplotním rozsahu, protože tuhnou až při -70°C.
Ve formě síťovaného polymeru se používají jako
elektroizolační materiál do vlhkého prostředí a na
mechanicky namáhané izolační materiály.
Silikonové kaučuky mají rozsah pružnosti od
-60°C do +200°C, používají se na izolace kabelů
v letectví a potravinářství.
polyizopren
Syntetické kaučuky mají vynikající pružné
vlastnosti a otěruvzdornost, neodolávají však
obecně agresívnímu prostředí chemikálií a
vysokým teplotám nad 100°C.
Nitrilkaučuk je chemicky odolný proti benzínům a
olejům, proto se používá na hadice palivových
potrubí, těsnění apod.
Butylkaučuk většinou svých vlastností předčí
přírodní kaučuk, na těsnění v hydraulických
mechanizmech.
Vynikající
odolnost
proti
kyselinám
a
rozpouštědlům, teplotní odolnost do 200°C.
Používá se pro výrobu speciálních těsnění.
Vyniká dobrou otěruvzdorností a s plnivem saze
se používá na výrobu pneumatik a technickou
pryž.
izopren
butadien akrylonitril
kopolymer
izopren –
izobutilen
kopolymer
SPSKS
vinylendichlorid kopolymer
hexefluórpropylen
butadien
polybutadien
-69-
8.0 DŘEVO
Dřevo je technický materiál, který se stává po letech útlumu a nahrazování jinými
materiály opět zajímavým a perspektivním. Filozofie trvale udržitelného rozvoje, a
environmentální aspekty dávají dřevu velmi dobrou perspektivu. Je to přírodní materiál, který
se může vracet při své zkáze do koloběhu živé hmoty. U jiných matriálů tomu není beze
zbytku. Recyklované materiály sice povinně vstupují do většiny technologických procesů, ale
vyžadují složitou organizaci a technologie náročné na energii.
Z biologického pohledu je dřevo pevné pletivo stonků vyšších rostlin, které
označujeme jako dřeviny. Vzniká v rostlinách fotosyntézou z buněk. Z pohledu chemického
složení je dřevo složeno z vody těchto organických látek:
-
celulóza (40 – 50%)
lignin (20 – 30%)
hemicelulóza (20 – 30%)
ostatní doprovodné složky
Celulóza se dříve nazývala buničina. Chemicky se jedná o polysacharid, což je
nejrozšířenější biopolymer. Jako polymer vytváří dlouhé řetězce bez rozvětvení, podobně jako
lineární polymery. Sumární vzorec [C6H10O5] n a molární hmotnost 300 – 500 tisíc g.mol-1.
Celulóza jako polysacharid je tedy štěpitelná na menší jednotky. Toho využívá řada
živočichů, kteří dokážou pomocí trávících enzymů zpracovat celulózu na nižší cukry. Neděje
se tak přímo, ale prostřednictvím bakterií v zažívacím traktu býložravých živočichů.
Nejznámější z nich jsou termiti a býložravci. To je princip biologické likvidace. Polymery
tvoří buněčné stěny rostlinných buněk dřeva. Celulóza se vyrábí ze dřeva izolací, tj.
odstraněním ostatních složek. Takto vzniklá hmota je hlavní složkou papíru.
Průmyslově se celulóza používá jako acetát celulózy nebo viskóza. Takto vznikají
polysyntetické polymery, které se komerčně nazývají celofánem nebo umělým hedvábím.
Nitrací celulózy se vyrábí nitrocelulóza známá pod obchodním označením střelná bavlna.
Lignin je organickou složkou dřeva, která způsobuje dřevnatění buněčných stěn dřeva. U
jehličnatých stromů je obsah ligninu vyšší než u listnatých stromů. Proces dřevnatění lze
chápat jako zpevňování buněčných stěn tvořených celulózou, které nemají potřebnou pevnost.
Lignin však není polymer, protože postrádá pravidelnost výskytu určitých skupin chemických
organických látek.
SPSKS
8.1 VLASTNOSTI DŘEVA
Vlastnosti dřeva závisí v první řadě na druhu dřeva, dále jsou ovlivněny podmínkami
růstu, stářím, způsobem zpracování apod.
Mechanické vlastnosti dřeva jsou rozdílné podle směru namáhání ve vztahu k jeho
struktuře. Jde o anizotropii, kdy dřevo má největší pevnost v tahu a tlaku ve směru osy
kmene. Mechanické vlastnosti při namáhání kolmo k ose kmene jsou výrazně horší.
Z fyzikálních vlastností je dřevo lehký materiál s měrnou hmotností asi 500 kg.m-3. Nízká
je tepelná vodivost a schopnost tlumit zvuk. Nevýhodou je sesychavost a bobtnavost, což jsou
objemové změny způsobené měnícím se obsahem vody ve dřevní hmotě. Dřevo je hydrofilní
materiál, tedy vodu přijímá i ze vzdušné vlkosti.
Chemické vlastnosti jsou dány odolností celulózy a pryskyřic vůči chemikáliím a podle
nich jsou umístitelné někde mezi kovy a plasty.
-70-
Biologické vlastnosti dřeva jsou spojené se zdravotní nezávadností u „zdravého dřeva“,
avšak zejména vlivem obsahu vody a jejím působením může být dřevo napadáno houbovými
chorobami a plísněmi, které způsobují hnilobu.
Technologické vlastnosti jsou dobrá obrobitelnost, ohebnost a snadné spojování.
Dřeva rozdělujeme formálně podle tvrdosti na dřeva měkká a tvrdá. Mezi měkká dřeva
patří většinou jehličnany a jsou to smrk, jedle, borovice, modřín. Z listnatých stromů jsou to
lípa, olše a javor.
Tvrdá dřeva jsou dub zimní (drnák), dub letní (křemelák), buk, habr, akát, apod.
Nejtvrdším dřevinou v naší zemi je hruška.
Pevnost dřeva s ohledem na jeho hmotnost vyniká srovnáním s jinými materiály podle
tabulky:
materiál
smrk, jedle
borovice
dub
cihla obyčejná
cihla zvonivka
beton cementový
beton cementový vyztužený
žula
pískovec
konstrukční ocel
konopné lano
sklo
tlak
30 - 75
45
45 – 90
7,5 – 30
60 – 120
20 – 43
40 – 87
150 – 300
40 – 220
340 - 800
napětí v MPa
tah
60 – 150
90
70 – 170
0,3 – 1,7
3–6
1–2
1–2
4–6
0,6 – 2,5
340 - 800
70 - 100
30 - 90
SPSKS
320 - 1200
životnost dřeva v suchém stavu
druh dřeva
životnost roků
smrk, jedle
150 - 900
borovice, modřín
200 – 1000
dub
800 – 1800
buk
400 - 1000
ohyb
50 - 130
65
60 - 150
0,5 – 3
7 - 14
2,5 - 6
10 - 25
2 - 15
25 - 55
životnost dřeva pod vodou (piloty)
životnost roků
60 – 100
200 – 400
800 – 1200
500 - 900
Sesychání dřeva
Dřevo jako biologický materiál obsahuje vodu, která u syrového dřeva představuje
25 – 50% jeho hmotnosti. Dřevo vyschlé na vzduchu obsahuje asi 15% vody. V takovém
poměru se mění také jeho měrná hmotnostI. Vysycháním dřeva se zmenšují jeho rozměry,
zejména v příčném směru ve vztahu k vláknům. Použití dřeva zejména pro konstrukční účely
vyžaduje počítat se změnou rozměrů. Mechanizmus bobtnání suchého dřeva vyvozuje velké
síly, které dokážou trhat i kámen.
Poznámka: Změna rozměrů dřeva ve vyschlém a mokrém stavu se využívala k těžbě bloků
kamene zejména pro sochařské účely.
-71-
druh
dřeva
smrk
jedle
borovice
modřín
dub
buk
% obsah
vody
45
37
40
26
30
32
sesychání dřeva do vysušení
┴
||
0,10
6,10
0,08
6,20
0,12
4,50
0,08
6,30
0,35
7,60
0,25
8,00
bobtnání dřeva ponořením
┴
||
0,1
8,10
0,08
6,20
0,12
5,70
0,08
6,30
0,40
7,60
0,20
8,10
┴ sesychání nebo bobtnání kolmo k vláknům dřeva
|| sesychání nebo bobtnání rovnoběžně s vlákny dřeva
Sesychání dřeva není rovnoměrné. Proto je třeba znát chování dřeva při sesychání
nejlépe řeziva fošen. Kmen lze řezat několika způsoby.
Radiální řez je řez jehož rovina je kolmá na osu kmene. Takto se krátí kulatina na
požadovanou délku.
Řez tečný je řez, který je rovnoběžný s vlákny nebo osou kmene, ale rovina řezu
neobsahuje osu kmene, tedy duši.
Řez meridiální je podélný řez kmenem stromu kdy osa kmene leží v rovině řezu.
SPSKS
-72-
SPSKS
Vady a nemoci dřeva mají různý původ. Mezi nejčastější patří radiální a podélné
praskliny. Jsou způsobeny větrem, mrazem apod. Další častou vadou je nerovný a točitý růst
kmene, kdy podélná vlákna sledují namísto přímek spíše šroubovicový tvar. Ve dřevě se dále
vyskytují suky, z nichž nejzávažnější poruchou jsou suky vyhnilé.
Doba růstu stromu je v řádu desetiletí a po dobu svého růstu je dřevina předmětem
útoků celé řady škůdců. Poškozené a oslabené stromy jsou následně napadány dalšími vlnami
škůdců. Ochrana a ošetřování nakažených stromů byla dříve jednoznačně řešena vykácením
napadených dřevin, jejich zpracováním a bojem se škůdci. Dnes jsou tyto metody předmětem
revize a řešení jsou nacházena v jakési přirozenosti. Mezi nejznámější škůdce dřevin patří:
-
-
dřevokazné houby, kterých je asi 65 druhů. Mnohem rychleji ničí dřeva jehličnatých
stromů. Mezi nejznámější patří koniofora sklepní, dřevomorka domácí, bělochoroš
důlní, tramovka jedlová a houževnatec šupinatý. Dřevokazné houby odnímají dřevní
hmotě bílkoviny a minerály, což způsobuje ztrátu pevnosti dřeva,
morákové houby, které způsobují modrání běli jehličnatého dřeva,
motýli a hmyz, jejich housenky požírají jehličí (mniška). Larvy vyžírají chodbičky
v lýku i dřevu. Pokud nebylo dřevo impregnováno hrozí nebezpečí jejich působení i
po jeho zpracování. Nejznámější škůdci této skupiny jsou tesaříci, pilořitky, nosatci a
zejména lýkožrouti a kůrovci.
-73-
Způsoby ochrany dřeva
Ochrana dřeva se v technologii jeho zpracování člení na přechodné ošetření, které se
používá do zpracování kulatiny a následné ošetření.
Přechodné ošetření dřeva je vynuceno nerovnoměrností při jeho těžbě a rovnoměrností
možnosti jeho zpracování. Tato disproporce vyžaduje po dlouhou dobu skladování
vytěženého dřeva. Provádí se hustým uskladněním, postřikem vodou, balením do
neprodyšných fólií, nebo potápěním ve vodě.
Následné ošetřování dřeva u hotových výrobků nebo řeziva se provádí chemickou nebo
fyzikální cestou. K fyzikálním metodám patří vysoušení, ošetřování párou v parních
komorách, kdy dochází ke sterilizaci ukládáním ve sladké nebo mořské vodě. Povrch je
možné také opalovat.
Chemická cesta ochrany dřeva spočívá v nátěrech povrchu, postřicích chemikáliemi,
v máčení apod. Patří sem též impregnace dřeva pod tlakem metodou plných a prázdných
buněk.
8.2 ÚPRAVA A POUŽITÍ DŘEVA
Dřevo jako výchozí surovinu lze zpracovat mnoha způsoby a mnoha technologiemi. Pro
stavební účely se dřevo dělí podle způsobu zpracování do několika skupin a to podle tvaru
průřezu. Průřez řeziva se musí za určitých podmínek „vejít“ do průřezu kulatiny, která je
výchozím polotovarem. Podle toho dělíme řezivo na:
- ostře hraněné, kdy řezivo má po celé délce průřez bez oblin,
- dřevo hraněné s částečnou oblinou, kdy průřez má na části své délky oblinu nebo
obráceně, nemá ostrou hranu,
- dřevo hraněné oblinovité, které má po celé délce oblinu.
SPSKS
Podle rozměru průřezu dělíme řezivo na:
- prkna s tloušťkou od 4 do 35 mm
- fošny s tloušťkou od 40 do 100 mm
- hranoly od 50 x 50 do 180 x 280 mm
- lišty a latě
K jiným způsobům zpracování dřeva patří výroby dýh, kdy kmen je řezán na tenké plátky
o tloušťce asi 1 mm. Tyto se dále zpracovávají v nábytkářském průmyslu s ohledem na fládr
dřeva. Zejména pro stavební účely se z dýh vyrábí překližka lepením několika vrstev dýh
pootočených svými lety o 90°. Překližka může být i v provedení vodovzdorném nalepením
nepropustné vrstvy. Výsledkem jsou velkoplošné dřevěné výrobky s vynikající pevností. Ke
konstrukčním prvkům z rostlého dřeva lze přiřadit ještě laťovky a spárovky.
Ze dřevní hmoty - aglomerátu, který není vhodný na výrobu řeziva ani dýh, se vyrábí řada
dalších výrobků. Z pilin a štěpků se lepením a lisováním vyrábí desky jako je dřevotříska
apod.
Zbytky dřeva lze rozvlákňovat, což je technologie, která neporušuje vlákna řezem a z této
hmoty se vyrábí desky s obchodním názvem např. sololit.
Z dřevité vlny se rovněž vyrábí desky.
Všechny deskovité výrobky mají velmi dobré mechanické vlastnosti, které jsou odvislé od
pojiva nebo lepidla.
-74-
Zvláštní technologií zpracování dřeva je pak rozbrušování pro účely papírenského
průmyslu.
Vedle dřev rostoucích u nás jsou využívána i dřeva z jiných podnebních pásem. Jsou ke
speciálnímu užití pro své užitné vlastnosti. Patří sem eben, mahagon, palisandr a mnoho
dalších.
Ke dřevní hmotě je možné přiřadit i korek, který je vyráběn z kůry tzv. korkového dubu.
Jeho izolační vlastnosti určují jeho užití pro speciální účely.
9.0 SPÉKANÉ MATERIÁLY
Spékané materiály jsou materiály, které vznikají spékáním jejich složek. Spékání
(slinování, sintrace), představuje ohřev výlisků z práškových materiálů. Tato teplota je nižší
než je teplota tání jeho složek. Mechanizmus spojení jednotlivých složek zrn prášků souvisí
s molekulárními silami ve styčných místech dotyku zrn. Tento mechanizmus je obdobný jako
je splývání dvou kapek kapaliny, které mají tendenci „srůst“ v jednu kapku. Slinování může
probíhat i v prostředí taveniny některé složky. Takový mechanizmus je podstatou zpevňování
keramických hmot.
Tato technologie výroby slinutých materiálů umožňuje získat neobyčejné a velmi
často protichůdné vlastnosti, např. vysokou tvrdost a zároveň houževnatost. Dále umožňuje
kombinovat materiály, které jinou cestou kombinovat nelze. Např. nelze vyrobit libovolnou
slitinu dvou kovů. Není tomu jenom z důvodů vzájemné nerozpustnosti, ale také např. u kovů
s rozdílem teplot tavení, kdy se oba kovy „míjí“ skupenstvím. Jeden kov je za určité teploty
již párou a druhý taveninou nebo pevným skupenstvím. Dále lze takto spojovat materiály
kovů a chemických sloučenin, které nelze tavit.
Materiál je porézní s určitou pórovitostí, která je řiditelná v technologickém procesu
jemností frakce slinovaného prášku materiálu. Makroskopické vlastnosti jsou řiditelné
výběrem kombinací použitých materiálů.
SPSKS
Obr. 36 Vnitřní stavba slinutého materiálu ve 2D
9.1 VÝROBA PRÁŠKŮ A VÝROBKŮ
Základem technologie spékaných materiálů je výroba prášků. Zde jsou sledovanými
parametry velikost zrn, tedy jeho frakce a tvar.
Prášky kovů a slitin kovů lze vyrábět technologií mletí. Existuje řada mlýnů, které
mechanickou cestou dokáží vyrobit práškový kov. Tvar zrna zde může být různý, protože je
-75-
závislý na mechanizmu porušení kovové struktury. Ten může být kulovitý, ostrohranný,
vláknitý, šupinkovitý apod. Kovy a slitiny kovů lze na prášek převést také rozprašováním
taveniny v inertní atmosféře. Tato technologie se podobá rozprašování pomocí sprejů. Zrna
mají tvar kulovitý. Možné jsou i technologie s využitím elektrochemických reakcí.
Prášky nekovových materiálů a chemických sloučenin lze vyrábět mletím a jinými
cestami (grafit) na hranici fyzikálních a chemických metod. Nebo jsou svou podstatou zrny
např. u syntetického diamantu.
Poznámka: Pro mletí se používají kulové mlýny. Drtícím faktorem je využití kinetické energie
koulí v otáčejícím se bubnu. Druhou možností je planetový mlýn, kdy se prášek rozmělňuje
v bubnech, které se otáčejí v opačném směru než unášecí deska s lopatkami.
Chemický způsob výroby práškových materiálů je postaven na redukci oxidů
příslušného kovu vodíkem, uhlíkem nebo čpavkem např. podle těchto rovnic:
FeO + H2 → Fe + H2O
FeO + 2C →FeC + CO
Elektrochemický způsob je postaven na rozpustnosti anody, kdy se následně vylučuje
ve formě prášku na katodě. Jinou možností je elektrolýza ve vodním roztoku. Tato technologie
je energeticky velmi náročná.
Technologie slinování se orientuje přímo na finální výrobek. To je podstatný rozdíl od
např. kovových materiálů, kdy se vyrábí především válcovaný materiál, který je dále
polotovarem např. pro výkovky, svařence, obrobky, výlisky apod.
Prášky se třídí pomocí sít na jednotlivé frakce, vysouší se a míchají dle potřeby.
Následně se z nich lisují potřebné výrobky. Následuje proces slinování v elektrické peci
v ochranné atmosféře. Někdy se slinování provádí ve dvou teplotních stupních a po prvním
slinování se výrobek obráběním zpřesní na požadovaný rozměr nebo drsnost povrchu.
Lisovací tlaky jsou velmi vysoké a dosahují až hodnot 1000 MPa. Směr lisovací síly je rovněž
velmi důležitý, protože řídí osy anizotropie slinutého materiálu.
SPSKS
SLINUTÉ KOVY
Skupina výrobků ze slinutých kovů zahrnuje výrobky z prášku jednoho kovu nebo
slitiny, nebo více kovů. Tato technologie je vhodná ke zpracování kovů s vysokou teplotou
tání, které jsou tvárné. Do této skupiny patří výrobky z prášků wolframu, molybdenu, tantalu
apod. Jejich využití je pro vakuovou elektrotechniku. V případě prášků z kovů
feromagnetických vlastností jsou pak finálním výrobkem součásti v elektrotechnice pro
aplikace pracující s magnetizmem (permanentní magnety). Z hlediska složení jde o slitiny
železo – hliník, železo – kobalt a železo – nikl). Častým případem jsou slitiny železa v podobě
ocelí nebo nerez ocelí pro speciální aplikace.
-76-
SLINUTINY KOV - NEKOV
V tomto případě v technologickém procesu mícháme prášky kovu nebo jeho slitiny a
nekovu. Příkladem takové slinutiny může být měď – grafit. Výsledný materiál má velmi
dobrou elektrickou vodivost a zároveň kluzné vlastnosti což determinuje jeho použití.
Technickou aplikací jsou kluzná ložiska, kde mazací účinky realizuje grafit a únosnost ložiska
zajišťuje matrice kovu.
SLINUTINY KERAMIKA (NEBO CHEMICKÁ SLOUČENINA) – KOV
Tato skupina představuje velmi široké uplatnění. Nejvýznamnější skupinou jsou
slinuté karbidy. Karbidy jsou sloučeniny kovu s uhlíkem. Nejznámější představitelé těchto
karbidů jsou Fe3C – karbid železa, TiC – karbid titanu a WC – karbid wolframu. Karbidy jsou
obecně velmi tvrdými sloučeninami. Avšak jejich mimořádná křehkost musí být potlačena
použitím materiálu, který potlačí křehkost a tvoří jakousi matrix (matrici), která částice drží.
Vznikají tak skupiny slinutých karbidů na bázi TiC + Co, TiC + WC + Co. Kobalt zde hraje
roli slinovala. Ze slinutých karbidů se vyrábějí pracovní části nástrojů pro obrábění tvrdých
materiálů včetně kamene a hornin. Jsou pracovní částí vrtacích korunek všech typů, ostří
nástrojů pro zpracování kamene, ostří nástrojů fréz pro rozrušování betonů apod.
Další významnou skupinou jsou tzv. cermenty což je skupina slinutých materiálů,
která spéká kov s keramikou, oxidy nebo zeminami. Jejich výsledné vlastnosti jsou dány
poměrem prášků. Vyznačují se žárupevností a elektrickou a tepelnou vodivostí. Z těchto
materiálů se vyrábí součásti spalovacích komor tryskových a raketových pohonů nebo se jimi
povlakují ocelové součásti. Mají extrémní chemickou odolnost za vysokého tepelného a
mechanického namáhání. Používají se i na řezné nástroje ve strojírenství.
Porézní kovy (houby) jsou skupinou materiálů, kde základní požadovanou vlastností je
poréznost za vysoké pevnosti. Takto se vyrábí např. superjemné filtry. Práškový kov se
smíchá s frakcí mleté kuchyňské soli NaCl. Velikost požadovaných pórů je úměrná velikosti
frakce soli. Součást se vylisuje a slinuje. Následuje ponoření do horké vody, která sůl rozpustí
a zbude porézní kovová hmota. Nejčastějším kovem je zde nerezocel. Stejným způsobem se
vyrábějí speciální kluzná ložiska, kdy se póry vyplní mazivem.
SPSKS
10.0 KOMPOZITNÍ MATERIÁLY
Kompozit materiál je materiál, ve kterém jsou specifickým (nenáhodným) způsobem,
kombinovány dvě nebo více složek, které se výrazně liší ve svých fyzikálních a chemických
vlastnostech. Výsledkem tohoto spojení je materiál, jehož vlastnosti jsou výrazně jiné, než
vlastnosti jeho složek. V přírodě se vyskytují kompozity velmi často v rostlinné říši, kdy
různá přírodní vlákna zpevňují v určitém směru např. stébla trav. Nejznámějšími kompozity
užívanými v technické praxi je železobeton, asfaltové směsi apod.
V této kapitole bude pojednáno o kompozitech, kde je jednou ze složek polymer, který
slouží jako matrice. Matrice je složka kompozitu, která zajišťuje:
- spojení dalších složek a tvar konečného výrobku,
- přenáší vnější zatížení na ostatní složky,
- odděluje vzájemně jednotlivé prvky (např. vlákna) čímž brání např. šíření trhliny,
- chrání ostatní složky před účinky vnějšího prostředí.
-77-
Dalšími složkami, které se někdy nazývají sekundární složky, mohou být:
-
částice ve formě zrn,
krátká vlákna s různou orientací,
dlouhá vlákna nebo tkaniny,
viskery.
Viskery jsou téměř bezporuchové vláknové krystaly délky až několik centimetrů. Jejich
průměr je v řádu několika µm (0,001 mm). Jejich jedinou vadou je tzv. šroubová dislokace.
Viskery se vyznačují velmi vysokou pevností v tahu přesahující 1000 MPa, ale jsou velmi
křehké.
SPSKS
Obr. 37 Schéma konstrukce kompozitu
Technické použití kompozitních materiálů má jinou filozofii návrhu než je tomu u
jiných materiálů, např. oceli. U oceli obvykle předpokládáme izotropní vlastnosti, tedy
v každém směru stejnou např. pevnost. U kompozitů navrhujeme mechanické vlastnosti podle
potřeby v různých směrech. Pro pochopení změny filozofie návrhu běžné konstrukce si
uveďme příklad. Máme navrhnout trubku pro přenos vysokého tlaku. Pokud použijeme jako
konstrukční materiál ocel, provedeme výpočet na tah.
-78-
ocelová trubka
pevnost v tahu ┴
pevnost v tahu =
orientace trhliny
Z obrázku je patrné, že ocelová trubka je ve směru kolmém na osu namáhána dvakrát
více než na směru podél osy. Proto také trubka praskne vždy podle obrázku, tedy vytvoří se
podélná trhlina. Výsledek lze také interpretovat tak, že izotropní materiál trubky má
v příčném směru poloviční bezpečnost, než ve směru podélném. Konstrukce je dobře
navržená tehdy (v ideálním případě), když všechny body součásti mají stejnou bezpečnost ve
vztahu k nějakému meznímu stavu. Takže trubka pro přenos vysokých tlaků by měla být
vyrobena z materiálu, který by měl ve směru kolmém na osu dvakrát větší pevnost než ve
směru rovnoběžném s osou. Takový materiál by byl anizotropní s hlavní osou kolmou na osu
trubky.
Takovým materiálem může být anizotropní kompozit, který bude v příčném směru
zpevněn dlouhými vlákny navinutými do šroubovice. Podle obrázku.
SPSKS
kompozitní trubka
levotočivá
2. vrstva
pevnost v tahu ┴
pevnost v tahu =
způsob vinutí dlouhých vláken ve
šroubovici (pravotočivá)
1. vrstva
Matrice mohou být z materiálů kov, keramika a nejčastěji polymer. Polymer jako
matrice je nejlépe technologicky zpracovatelný. Jeho výhodou je obvyklá odolnost proti
agresivnímu prostředí např. rozpouštědla. Jeho další výhodou je elektrická nevodivost.
Technologicky se postupuje formou nátěrů nebo odlévání.
Kovové matrice vyžadují malé tloušťky a matrice se odlévá v tekutém stavu a
konstrukci vláken. Jako matrice se používá především hliník a jeho slitiny, které lze použít do
teploty 300 - 400°C, dále titanové slitiny s tepelnou odolností 500 - 600°C a speciální slitiny
(Ni, Fe, Co) do teploty 100 - 1150°C. Kovové matrice vyžadují použití karbidouhlíkových
vláken, protože matrice nesmí v tekutém stavu roztavit vlákna.
-79-
Keramické matrice se vyznačují vysokou odolností proti teplotě, ale křehkostí. Jejich
použití je v letecké a kosmické technice, jako tepelné štíty, lopatky spalovacích turbín,
voštinové konstrukce ploch křídel apod.
Vlákna jsou nejčastěji skleněná, kovová, polyamidová (kovral), bórová, uhlíková,
karbidokřemíková apod.
V souvislosti s kompozitními materiály existují speciální výrobky, které mohou sloužit
jako polotovary pro další použití. Tyto polotovary mají nejčastěji tvar desek. Jsou to sendviče
a voštiny.
Sendvič je vrstvený materiál, kde k sobě přiléhá několik vrstev materiálu odlišných
vlastností. Jako příklad lze uvést izolační střešní krytinu.
hliníkový trapézový plech
SPSKS
pěnový polymer
Obr. 38 Schéma sendvičové konstrukce (průřez)
Voštiny jsou opět výrobky nebo polotovary deskovitého tvaru. Jejich konstrukce je
podobná sendvičové, ale namísto výplně např. pěnovým polymerem podle obrázku 38, je
výplň vyrobena z voštin z tenkého plechu.
-80-
desky
voština
podélný řez voštinovou deskou
voština šestiúhelník
voština čtverec
Obr. 39 Konstrukce voštiny
SPSKS
11.0 INTELIGENTNÍ MATERIÁLY
Samotný pojem inteligentní materiály je trochu nadsázkou. Je to nejspíše z důvodu
vzniku tohoto pojmu v devadesátých letech dvacátého století, kdy pod dojmem blížícího se 21
století nebo třetího tisíciletí se objevují sklony k terminologii zavádějící k určité nadsázce.
Nicméně jsou to materiály, které mají jednu z užitných vlastností jakousi logiku. Ta umožňuje
změnu některých materiálových vlastností na základě změn podmínek. Materiál je tak
schopen plnit jinou funkci.
Příklady takových matriálů jsou např. čočky brýlí, které mění propustnost světla na
základě jeho intenzity. Činí tak samotný materiál bez vnějšího zdroje a nějakého řízení.
Dalším příkladem mohou být slitiny s tvarovou pamětí, kdy se součásti vrací k původnímu
tvaru účinkem nejčastěji teploty. V médiích se tyto materiály třídí dokonce podle jakéhosi
stupně inteligence, což je problematické přirovnání. Nicméně např. u polymerů existují
teoretické předpoklady pro regeneraci kovalentních vazeb v makromolekulách nebo dokonce
k jakési samotvorbě jiných vazeb v závislosti např. na zatížení.
S určitou skepsí je možné uvést příklad použití Hadfieldovy oceli, která byla vyrobena
v průběhu 2. světové války. Ta při silném rázovitém mechanickém namáhání např. výbuchem
nebo nárazem střely mění svoji strukturu, činí tak bez vnějších zdrojů. Podle měřítek
inteligentních materiálů by měla mít stejné vlastnosti. Z této oceli se vyrábějí díly namáhané
kromě standardních druhů namáhání ještě abrazí.
-81-
12.0 TECHNICKÁ KERAMIKA
Technická keramika je skupinou hmot obecně nazývaných keramika, které jsou užívány
v technických aplikacích. Jsou to hmoty uměle vyrobené žárovým zpevněním (pálením)
upravených surovin. Chemické složení technické keramiky je dáno především oxidy a
křemičitany u speciálních keramik i jinými sloučeninami. Z pohledu petrografie jsou tyto
materiály směsí drobných krystalů různých minerálů.
Fyzikálně keramické hmoty vynikají tvrdostí, velkým modulem pružnosti, vysokou
pevností v tlaku a malou tepelnou a elektrickou vodivostí. Jejich nedostatkem je nízká
pevnost v tahu, křehkost (rázem). Keramické hmoty lze rozdělit podle použití na:
-
keramiku užitkovou,
keramiku zdravotnickou,
keramiku technickou.
Rozdělení keramiky podle chemického složení:
- křemičitany hlinité bez taviv (mullitové a silimanitové),
- křemičitany hlinité a alkalická taviva (porcelán, kamenina, pórovina),
- hlinitokřemičitany a kovy alkalických zemin (bezalkalický porcelán),
- křemičitany a hlinitokřemičitany hořčíku (steatity),
- sloučeniny titanu,
- titaničitany a zirkoničany olovnaté (piezoelektrické hmoty),
- keramika s feromagnetickými vlastnostmi,
- čisté kovy a jejich oxidy,
- bezkyslíkatá keramika (titankarbidy, nitridy, koridy),
- kovokeramické materiály (cermenty kapitola 8).
SPSKS
Mineralogické složení keramiky je velmi různorodé podle požadovaných vlastností.
Nejčastější minerály zastoupené v keramice udává následující tabulka.
-82-
NaAlSi3O8
Al2SiO5
CaAl2Si2O8
TiO2
Andalusit
Anortit
Anatas
složení
tvrdost
6 - 6,5
5,5 - 6
6,5 7,5
6 - 6,5
hustota
2,60 - 2,63
3,82 - 3,97
štěpnost
zřetelná
dokonalá
bazální
lom
nerovný
triklinická
pololastur- trigonální,
natý
hexagonální
3,13 - 3,16
nerovný
zřetelně
až
prizmatická pololasturnatý
2,74 - 2,76
lasturnatý
až
nerovný
dokonalá
soustava
agregáty
tabulkovité
destičkovité krystaly
celistvý zrnitý
barva
bílý bezbarvý
modravý
šedý
nazelenalý
červenavý
SPSKS
Albit
nerost
pyramidální
tabulkovité krystaly
hnědá temně
modrá černá
rhombická
prizmatické krystaly
celistvý vláknitý
sloupcovitý
růžová
načervenalá
nahnědlá
bělavá
šedavá
nazelenalá
triklinická
prizmatické krystaly
destičkovitý
celistvý
šedý bílý
růžový
bezbarvý
-83-
vryp
lesk
doprov.
nerosty
vznik
výskyt
skelný
perleťo
vý
průhled
ný
průsvitný
ortoklas
křemen
biotit
muskovit
vyskytuje se jako
důležitá složka
mnoha vyvřelých
hornin a v
některých
metamorfovaných
horninách jako
jsou krystalické
břidlice kromě
toho se může
tvořit na
hydrotermálních
žilách
polokovový
bezbarvý diamantový
bílý
slabě žlutý průhled
ný opakní
brookit
rutil
titanit
křemen
hematit
živec
tvoří se v
krystalických
břidlicích ve
vyvřelých
horninách v
náplavech
bezbarvý
skelný
průhledný opakní
křemen
živec
turmalín
slída
tvoří se v
granitech a
pegmatitech a v
mnoha
metamorfovaných
horninách
bílý
skelný
průhledný –
průsvitný
-
tvoří se v mnoha
vymřelých
horninách
zvláště bazických
vznikajících za
vysokých teplot
bílý
obrázek
K(Mg, Fe+2)3(Al, Fe+3)Si3O10(OH, F)2
TiO2
Mg(OH)2
AlOOH
Mg2Al4Si5O18
Biotit
Brookit
Brucit
Böhmit
3
5,5 - 6
7 - 7,5
2,7 - 3,4
4,1 - 4,2
špatná
nerovný
pololasturnatý až
nerovný
monoklinická
tabulkovité
prizmatické krystaly
SPSKS
7,5
Cordierit
2,5 - 3
dokonalá,
bazální
tvoří se jak ve
vyvřelých tak v
metamorfovaných
horninách
bílý
šedý
žlutavý
polokov
ový diamantový
průhledný opakní
anatas
rutil
křemen
živec
hematit
titanit
vzniká v
metamorfovaných
krystalických
břidlicích
-
tvoří se v
metamorfovaných
vápencích v
krystalických
břidlicích
tabulkovité
prizmatické krystaly
tabulkovité krystaly
celistvý lístkovitý
vláknitý zrnitý
bílý světle
zelený,šedý
namodralý
bílý
voskový
skelný
perleťový
hedvábný
bílá
bílá
matný
limonit
diaspor
hlavní součást
bauxitu
bezbarvý
skelný
průhledný –
průsvitný
granát
sillimanit
spinel
pyrhotin
vzniká ve
vyvřelých a
kontaktně
metamorfovaných
horninách
dokonalá
nerovný
3,07
neznatelná
nerovný,
zemitý,
křehký
rhombická
tabulkovitý
masivní zemitý
rhombická
prizmatické krystaly
celistvý zrnitý
lasturnatý
křemen
muskovit
živec
rhombická
2,38 - 2,40
zřetelná
bezbarvý
kovový
skelný
průhledný opakní
hnědá
červenavě
hnědá
hnědavě černá
trigonální,
hexagonální
2,53 - 2,78
černá tmavě
hnědá
červenavě
hnědá zelená
bílá
-84-
hnědá
modrý
nazelenalý
nažloutlý
šedý hnědý
CaMgSi2O6
Mg2Si2O6
Fe2[SiO4]
Fe2SiO4 Mg2SiO4
Al2Si2O5(OH)4
Diopsid
Enstatit
Fayalit (odrůda
olivínů)
5,0 6,0
6,5
6,5 - 7
2 - 2,5
3,22 - 3,38
3,2 - 3,4
4 - 4,1
3,27 - 4,32
2,6 - 2,63
dobrá
dobrá
zřetelná
nedokonalá
dokonalá,
bazální
nerovný
nerovný
lasturnatý,
křehký
lasturnatý
nerovný
monoklinická
rhombická
kosočtverečná
rhombická
triklinická
SPSKS
Halloysit (odrůda Forsterit (odrůda
kaolinitu)
olivínu)
5,5 6,5
prizmatické krystaly
celistvý
destičkovitý zrnitý
sloupcovitý
bezbarvý bílý
šedý zelený
nazelenale
černý
nažloutle
hnědý
červenavě
hnědý
prizmatické krystaly
celistvý vláknitý
destičkovitý
bezbarvý
zelený hnědý
nažloutlý
bezbarvý
šedý
tabulkovitý
sloupcovitý zrnitý
celistvý
žlutá zelená
hnědočervená
šedá - černá
tabulkovité krystaly
celistvý kompaktní
zrnitý
zelená
zelenavě žlutá
žlutavě hnědá
hnědá bílá
pseudohexagonální
destičky šupinky
celistvý kompaktní
zemitý jílovitý
-85-
bezbarvý - bílý
nažloutlý
červenavý
modravý
bílý
šedý
skelný
průhledný opakní
kalcit
glosulár
tvoří se v mnoha
metamorfovaných
horninách a v
bazických
vyvřelých
horninách
skelný
perleťový
průhledný
- opakní
nerovný
křehký
apatit
flogopit
olivín
bronzit
tvoří se v
bazických a
ultrabazických
vyvřelých
horninách jako
jsou gabro
dolerit norit a
peridotit
bílý
skelný
kovově
třpytivý
průsvitný
neprůhledný
spinel
augit
diopsid
amfiboly
v pegmatitech
na cínovcových
rudných žílách v
obsidiánech
bezbarvý
skelný
průhledný –
průsvitný
spinel
augit
diopsid
amfiboly
vzniká v
bazických a
ultrabazických
vyvřelých
horninách a
objevuje se také v
mramorech
bílý
perleťo
vý
matný
zemitý
průhledný –
průsvitný
křemen
slídy
vzniká přeměnou
živců děje se
tak zvětráváním v
humidních
oblastech
Fe2O3
SiO2
FeCr2O4
Hematit
Chalcedon
7
5,5
5,26
2,65
4,5 - 4,8
žádná
žádná
žádná
lasturnatý
až
nerovný
nerovný
trigonální,
hexagonální
krychlová
hnědá
červená
ocelově šedá černá
SPSKS
Chromit
5,0 6,0
tabulkovité
rhomboedrické
prizmatické
nerovný
pyramidální krystaly
až
celistvý kompaktní
trigonální,
pololastur- hexagonální
sloupcovitý
natý
vláknitý ledvinovitý
hroznovitý
krápníkovitý
lupenitý zrnitý
bradavičnatá
ledvinovitá forma
oktaedry celistvý
zrnitý peckovitý
-86-
bílý modrý
červený
zelený hnědý
černý
černý hnědavě černý
hnědavě
červený
bílý
tmavě
hnědý
kovový
matný
opakní
skelný
voskový
průhledný průsvitný nebo
opakní
kovový
opakní
magnetit
pyrit
vzniká jako
druhotný minerál
na
hydrotermálních
žilách
kalcit
živec
rudy
turmalín
granát
atd.
tvoří se v dutinách
hornin různého
typu zvláště v
lávách mnohé
chalcedony
vznikají při
relativně nízkých
teplotách jako
sraženina ze
silikátových
roztoků
olivín
magnetit
anortit
pyroxeny
tvoří se na
vyvřelých
horninách zvláště
v ultrabazických a
bazických
horninách také
rýžoviska často
obsahují chromit
CaCO3
Al2Si2O5(OH)4
Al2O3
SiO2
Kalcit
Kaolinit
Korund
2 - 2,5
9
7
2,71
2,6 - 2,63
4,0 - 4,1
2,65
dokonalá
dokonalá,
bazální
žádná
žádná
nerovný
lasturnatý
až
nerovný
lasturnatý
až
nerovný
rhomboedrické
skalenoedrické
krystaly celistvý
zrnitý vláknitý
krápníkovitý
triklinická
pseudohexagonální
destičky šupinky
celistvý kompaktní
zemitý jílovitý
trigonální,
hexagonální
bipyramidální
prizmatické
tabulkovité
rhomboedrické
krystaly celistvý
zrnitý
trigonální,
hexagonální
bílý bezbarvý
šedý červený
hnědý zelený
černý
SPSKS
Křemen
3
pololastur- trigonální,
natý
hexagonální
hexagonální
prismata celistvý
zrnitý konkrece
krápníkovitý
kryptokrystalický
-87-
bezbarvý - bílý
nažloutlý
červenavý
modravý
mnoho barev
mnoho barev
bílý šedavý
bílý
bílý
bílý
skelný
perleťový
matný
průhledný –
průsvitný
perleťový
matný
zemitý
průhledný –
průsvitný
skelný
diamantový
průhledný průsvitný
skelný
průhledný průsvitný
dolomit
křemen
rudní
minerály
vzniká v mnoha
horninách
podstatná část
vápenců a
mramorů
křemen
slídy
vzniká přeměnou
živců děje se
tak zvětráváním v
humidních
oblastech
spinel
magnetit
diaspor
kalcit
tvoří se ve
vyvřelých
horninách
chudých na
křemen a v
metamorfovaných
horninách
bohatých na hliník
kalcit
živec
rudy
turmalín
granát
atd.
tvoří se ve
vyvřelinách
metamorfovaných
a sedimentárních
horninách
nachází se na
nerostných a
rudních žílách
KAlSi2O6
MgCO3
Leucit
Magnezit
3 - 4,0
Montmorillonit
(Al, Mg) [(OH)2[Si4O10]. (Na,
Ca)x.4H2O
1-2
Mullit
Al8[O3/OH/AlSi3O16]
1
-
2,5
3,0 - 3,1
2,58 - 2,83
dokonalá
klencová
lasturnatý
lasturnatý
až
nerovný
tetragonální
trapezoedrické
krystaly celistvý
zrnitý
bílý šedý
bezbarvý
trigonální,
hexagonální
klencové
prizmatické
tabulkovité
skalenoedrické
krystaly celistvý
šupinkovitý
vláknitý zrnitý
bezbarvý bílý
šedý
nažloutlý
hnědý
světle - tmavě
zelená šedá
hnědavá bílá
SPSKS
Mastek
5,5 - 6
velmi
špatná
dokonalá
nerovný
krychlová
tabulkovité krystaly
celistvý kompaktní
lístkovitý vláknitý
jednoklonná
kompaktní kusový
zrnitý drobivý
šedobílá
žlutavá
hnědavá
zelenavá
růžová
-
stébelnatý jemně
paprsčitý vláknitý
plstnatý
bezbarvý bílý
žlutý růžový
červený
2,2 - 2,3
-
jemný,
drobivý,
ve vodě
bobtná
3,14 - 3,26
zřetelná
-
bezbarvý
skelný
průhledný –
průsvitný
augit
biotit
tvoří se v lávách
bazického složení
zvláště bohatých
na sodík
bílý
skelný
matný
průhledný
perleťový
aragonit
kalcit
dolomit
apatit
mastek
serpentin
tvoří se na
hydrotermálních
žílách v
metamorfovaných
horninách a
sedimentech
bílý
matný
perleťový
mastný
průsvitný
dolomit
magnezit
serpentin
křemen
tvoří se alterací
ultrabazických
vyvřelých hornin a
dolomitů
bílý
matný
neprůhledný
-
vzniká v jílech v
sopečných tufech
-
-
-
v úlomcích jílu
které byly
roztaveny
bílá
-88-
KAl2(Si3Al)O10(OH, F)2
Al2Si2O5(OH)4
SiO2.nH2O
KAlSi3O8
Fe2SiO4 - Mg2SiO4
Muskovit
Nakrit (odrůda
kaolinitu)
Olivín
Ortoklas
2 - 2,5
6,5 - 7
6 - 6,5
5,5 6,5
2,77 - 2,88
2,6 - 2,63
3,27 - 4,32
2,55 - 2,63
1,9 - 2,3
dokonalá,
bazální
dokonalá,
bazální
nedokonalá
dokonalá
žádná
nerovný
nerovný
lasturnatý
nerovný
až
lasturnatý
lasturnatý
monoklinická
triklinická
rhombická
monoklinická
amorfní
bezbarvý bílá
- šedá žlutý
zelený hnědý
červený
fialový
SPSKS
Opál
2,5 - 4
tabulkovité
pseudohexagonální
krystaly
destičkovitý
kryptokrystalický
pseudohexagonální
destičky šupinky
celistvý kompaktní
zemitý jílovitý
bezbarvý - bílý
nažloutlý
červenavý
modravý
tabulkovité krystaly
celistvý kompaktní
zrnitý
zelená
zelenavě žlutá
žlutavě hnědá
hnědá bílá
prizmatické
tabulkovité krystaly
celistvý zrnitý
destičkovitý
bílý
načervenalý
bezbarvý
žlutý šedý
zelený
amorfní celistvý
hroznovitý
ledvinovitý
krápníkovitý
kulovitý peckovitý
konkrece
-89-
bílý černý
červená
modrá žlutá
šedý zelený
bezbarvý
skelný
perleťový
průhledný
křemen
živec
biotit
tvoří se ve
vyvřelých
horninách a v
metamorfovaných
horninách jako
krystalické břidlice
bílý
perleťový
matný
zemitý
průhledný –
průsvitný
křemen
slídy
vzniká přeměnou
živců děje se
tak zvětráváním v
humidních
oblastech
bezbarvý
skelný
průhledný –
průsvitný
spinel
augit
diopsid
amfiboly
vzniká v
bazických a
ultrabazických
vyvřelých
horninách a
objevuje se také v
mramorech
bílý
skelný
perleťový
průhledný –
průsvitný
-
tvoří se v mnoha
vyvřelých a
metamorfovaných
horninách může
se vyskytovat
také v některých
sedimentárních
horninách
bílý
skelný
smolný
voskový
perlezeolit
ťový
chalcedon
skelný
průhledný opakní
při nízkých
teplotách z vody
bohaté na křemík
hlavně kolem
horkých pramenů
Al2Si4O10(OH)2
TiO2
CaSO4.2H2O
FeCO3
CaTiSiO5
Pyrofylit
Rutil
Sádrovec
Siderit
6 - 6,5
2
4
5 - 5,5
2,65 - 2,90
4,23
2,32
3,96
3,45 - 3,55
dokonalá
zřetelná
dokonalá
dokonalá
klencová
zřetelná
nerovný
lasturnatý
až
nerovný
monoklinická
tetragonální
prizmatické
jehlicovité krystaly
celistvý
červenavě
hnědá
červená žlutá
černá
tabulkovité krystaly
celistvý zrnitý
vláknitý
bezbarvý bílý
šedý
nazelenalý
nažloutlý
hnědavý
červenavý
tříšťnatý
monoklinická
nerovný
klencové
tabulkovité
prizmatické
trigonální,
skalenoedrické
hexagonální
krystaly celistvý
zrnitý kompaktní
hroznovitý oolitický
lasturnatý
monoklinická
bílý šedý
modrý žlutý
zelený hnědý
SPSKS
Titanit
1,0 2,0
tabulkovité krystaly
lístkovité vláknité
paprsčité
destičkovité
klínovité krystaly
celistvý
destičkovitý
kompaktní
-90-
bledě nažloutlá
šedá hnědá
nazelenalá
načervenalá
černá
hnědá žlutá
zelená šedá
červená
černá
bezbarvý
bílý
perleťový
matný
průhledný –
průsvitný
křemen
disten
tvoří se v
krystalických
břidlicích nalázá
se také na
hydrotermálních
žilách
hnědý žlutý
polokovový
diamantový
průhledný opakní
anatas
brookit
titanit
hematit
tvoří se jako
akcesorický
minerál v mnoha
vyvřelých
horninách a také
v
metamorfovaných
krystalických
břidlicích
bílý
skelný
hedvábný
matný
průhledný opakní
anhydrit
halid
sulfidy
tvoří se jako
evaporit kolem
horkých pramenů
a ve vrstvách
jílovitých hornin
bílý
skelný
perleťový
hedvábný
průsvitný
chalcedon
baryt
kalcit
rudní
minerály
tvoří se na
hydrotermálních
žílách a také v
sedimentárních
konkrecích
bílý
diamantový
smolný
průhledný opakní
křemen
živec
anatas
rutil
kalcit
vzniká jako
akcesorický
minerál v mnoha
vyvřelých
horninách
Tridymit
SiO2
Ca3[Si3O9]
4,5 - 5
2,2
2,8
nezřetelná
velmi dobrá
Tab. 3 Důležité minerály pro keramiku
křehký
křehký
tence tabulkovitý
vějířovitý
jednoklonná
tlustě tabulkovitý
stébelnatý vláknitý
lupenitý jehlicovitý
vlasovitý celistvý
kusový
SPSKS
Wollastonit
7
kosočtverečná
-91-
bez barvy
bílá šedá
žlutavá
bez barvy
bílá šedá
žlutavá
bílý
skelný
perleťový
matný
průhledný
průsvitný
cristobalit
křišťál
hematit
pseudobrookit
augit
amfiboly
v dutinách
trachytů
andezitů
porfyritů
bílý
skelný
hedvábný
průsvitný
křemen
granát
vesuvian
pyroxen
grosulár
diopsid
kalcit
v kontaktně
metamorfovaných
vápencích v
krystalických
břidlicích
12.1 FYZIKÁLNĚ CHEMICKÉ VLASTNOSTI NĚKTERÝCH
OBSAŽENÝCH V KERAMICE
chemická značka
bod tání [°C]
měrná
hmotnost
[kg.m-3]
C
Ta
Mo
Ir
Rh
Th
V
3500
2850
2650
2350
1955
1845
1710
2500
16600
9000
22400
12400
11500
5700
BaO
CeO2
Ga2O3
SiO2
Li2O
NiO
Ta2O5
TiO2
VO2
WO3
ZnO
Fe2O3
1923
2810
1740
1710
1700
2090
1470
1640
1967
1473
1800
1565
5720
7300
6440
2640
2010
7450
8730
3840
4400
7160
5470
5240
3Al2O3.2SiO2
BaO.2SiO2
2BaO.3SiO2
BaO.ZrO2.SiO2
CaO.MgO.SiO2
FeO.SiO2
MgO.ZrO2.SiO2
K2O.Al2O3.2SiO2
Na2O.ZrO2.SiO2
2SrO.SiO2
2ZnO.ZrO2.SiO2
1810
1420
1450
1573
1498
1550
1793
1790
1708
1700
1509
3000
3730
3930
4650
3200
3500
4350
2600
3580
3840
3900
BaO.Al2O3
CoO.Al2
FeO.Cr2O3
MgO.Al2O3
MgO.Fe2O3
2000
1960
1770
2135
1780
B 4C
Cr3C2
MoC
TiC
U2C2
Zr4C3
2350
1890
2570
3140
2400
2750
BaO.ZrO2
MgO.ZrO2
2620
2150
chemická značka
prvky
W
Os
Ru
B
U
Pt
Zr
sloučeniny (oxidy)
BeO
Cr2O3
Al2O3
CoO
MgO
SrO
ThO2
UO2
V 2O 3
Yt2O3
ZrO
KOMPONENT
bod tání [°C]
měrná
hmotnost
[kg.m-3]
3370
2700
2450
2300
1850
1775
1700
19000
22500
12100
2500
18700
21400
6400
2510
1990
2050
1800
2800
2430
3030
2176
1970
2410
2700
3000
5210
4000
6470
3650
4700
9690
10900
4870
4840
5490
1605
1755
1700
1590
1582
1890
1320
1810
1526
1580
2500
4400
3840
3370
3040
4300
3200
4040
2470
2600
3650
4500
1600
1600
1538
1780
1950
3670
4220
5180
4410
4540
2300
1837
2700
2777
2830
2220
7400
3170
15700
5400
2350
2800
4780
SPSKS
4930
3530
4610
2500
8400
4250
11300
sloučeniny (silikáty)
BaO.SiO2
2BaO.SiO2
BaO.Al2O3.2SiO2
2CaO.Al2O3.SiO2
CaO.ZrO2.SiO2
2MgO.SiO2
2MnO.SiO2
K2O.Al2O3.4SiO2
Na2O.Al2O3.2SiO2
SrO.SiO2
ZrO2.SiO4
sloučeniny (spinely)
CaO.Al2
FeO.Al2O3
FeO.Fe2O3
MgO.Cr2O3
ZnO.Al2O3
sloučeniny (karbidy)
CaC2
Fe3C
SiC
WC
VC
sloučeniny (zirkonáty)
CaO.ZrO2
SrO.ZrO2
92/102
AlN
TiN
2150
2930
MgO.2TiO2
CaO.TiO2
1670
1980
AlPO4
Ca3(PO4)2
1500
1670
sloučeniny (nitridy)
ZrN
VN
sloučeniny (titanáty)
BeO.TiO2
MnO.TiO2
sloučeniny (fosfáty)
2560
10CaO.3P2O5
3140
5CaO.SiO2.P2O5
3050
5180
2980
2050
5630
1720
1404
4540
1540
1760
2890
3010
Tab.4 Fyzikálně chemické vlastnosti některých sloučenin keramických materiálů
12.2 JEDNOTLIVÉ KERAMICKÉ HMOTY - KAMENINA
Kamenina je typ keramické hmoty, která se vyznačuje hutným barevným střepem. Podle
složení její směsi rozlišujeme kameninu slinutou a kameninu pórovitou. V makroskopickém
měřítku se tyto dva typy kameniny liší nasákavostí. Slinutá kamenina má nasákavost 0,6 –
1,4% a pórovitá kamenina má nasákavost po výpalu asi 6%. Mineralogicky obsahuje jíl,
kaolín, živec a mastek. Podle použití ještě někdy korund, křemen, pegmatit a jiné příměsi.
Z kameniny se vyrábí velmi rozličný sortiment výrobků od dlaždic, přes zdravotní keramiku
až po výrobky ve stavebnictví (trubky).
Poznámka. Každá keramická hmota obsahuje tzv. tavivo a ostřivo. Ostřivo je zrnitá složka
keramické hmoty. Ta vytváří makroskopické mechanicko – plastické vlastnosti směsi. Má vliv
na velikost smrštění při sušení a vypalování. Velikost zrn má vliv na pórovitost. Obvyklými
ostřivy jsou písek, křemen, šamot, keramické střepy, korund apod.
Tavivo je složka syrové keramické hmoty, která snižuje potřebnou teplotu výpalu. Při
pálení vytváří taveninu, která často i chemicky reaguje s ostatními složkami a v
makroskopickém měřítku urychluje slinutí a zpevnění hmoty.
Je dobré vědět, jaký je rozdíl mezi tavivem a pojivem. Pojivo plní velmi podobnou funkci
jako tavivo. Spojuje zrna a je schopné přecházet bez výraznějších objemových změn ze stavu
pevného do stavu plastického nebo viskózního a naopak. Avšak nevznikají při spojení
chemické vazby. Pojivy jsou tedy látky typu cement v betonu, asfalt v asfaltových směsích,
tmely, vápna apod.
SPSKS
PORCELÁN
Porcelán je keramická hmota, která obsahuje větší podíl kaolínu než např. kamenina.
Podle vlastností se rozlišuje porcelán tvrdý a porcelán měkký. Rozdíl je ve složení, kdy tvrdý
porcelán obsahuje 15 -25%, měkký více než 30%. Další příměsi výrazně mění vlastnosti
porcelánu. Z porcelánu se vyrábí vedle kuchyňského nádobí především izolátory pro vysoká
napětí, součásti pro užití v chemické výrobě. Zlepšení elektroizolačních vlastností se zvyšuje
přidáním korundu. Porcelán se odlišuje od ostatních keramických hmot barvou střepu, která je
bílá.
93/102
KORDIERITOVÉ HMOTY
Kordieritové hmoty jsou složením MgO – Al2O3 – SiO2 . Chemický vzorec krystalu
cordieritu je pak 2MgO.2Al2O3.5SiO2. Tyto hmoty se vyznačují velmi nízkým koeficientem
teplotní roztažnosti a velmi vysokou odolností proti náhlým změnám teploty. Jejich
mechanická pevnost je rovněž vysoká. Povrch kordieritových hmot vytváří sám glazuru na
povrchu, což u jiných hmot je nutné provádět jako závěrečnou technologickou operaci.
Složením jsou odlišné v nízkém podílu kaolínu a relativně vysokém podílu plastického jílu.
Použití kordieritových hmot je v chemickém a automobilovém průmyslu ať už v podobě
porézní nebo slinuté. V automobilových konstrukcích se používá kordieritový substrát
s voštinovou strukturou jako hlavní součást reaktoru pro katalytické odstraňování škodlivých
součástí výfukových plynů spalovacích motorů.
STEATITOVÉ HMOTY
Steatitové keramické hmoty mají velmi dobré mechanické, elektrické a dielektrické
vlastnosti. Jejich hlavním praktickým použitím je oblast konstrukčních dílů v elektrotechnice
a to slaboproudé i silnoproudé. Chemicky je steatit 3MgO.4SiO2.H2O. Krystalická fáze
steatitové hmoty se skládá převážně z krystalů MgO.SiO2 . Podíl skelné fáze v hmotě je 25 –
35%, tedy velmi vysoký, protože musí zcela obalit krystaly, jinak dochází k rozpadu
(zprašivění ) hmoty. Steatitové hmoty obsahují mastek, který je zde hlavní složkou (75 –
85%), dále plastický jíl a bentonit a řadu dalších složek.
SPSKS
FORSTERITOVÉ HMOTY
Složením jsou podobné hmotám steatitovým, ale hlavní výchozí surovinou je mastek.
Obsahují dále oxid bority a oxid zirkoničitý. Praktické použití forsteritu je ve vakuové
technice, protože hmota vykazuje výbornou vakuotěsnost a koeficient teplotní roztažnosti je
shodný s roztažností kovů a tvrdých pájek.
MULLIT-KORUNDOVÉ HMOTY
Složením se jedná o porcelánovou hmotu, do které se přidává více korundu Al2O3. Tyto
hmoty se vyznačují vysokou odolností proti otěru, čemuž odpovídá jejich použití
v konstrukční praxi (koule a tělíska pro mlýny). Dalším výrobkem jsou sítka pro hutní
průmysl k cezení tekutých kovů při lití.
KORUNDOVÉ HMOTY
Podle názvu je zřejmé, že hlavní složkou těchto hmot je korund. Tyto hmoty snášejí
vysoké teploty a používají se k výrobě hořáků vysokotlakých sodíkových výbojek.
94/102
SPINELOVÉ HMOTY
Vyznačují se vysokým bodem tání a žáruvzdorností, což je předurčuje k použití při
konstrukci součástí vystavených vysokým teplotám. Spinelová hmota je založena na bázi
MgO.
CERMENTY
Jsou popsány v jiné kapitole 8.0 - spékané materiály. Zde se jedná o kovokeramický
materiál. Takto se zpracovávají prášky kovů s vysokou teplotou tavení na výrobky. Z kovů
přítomných v cermentech jde o W, Mo, Ta, Nb, Hf..
PIEZOKERAMIKA
Keramická feroelektrika mají piezoelektrické vlastnosti. Při mechanickém namáhání,
nejčastěji tlakem, se na destičce objevuje elektrický náboj. Obráceným piezoelektrickým
jevem je nepřímý piezoelektrický jev, kdy se v elektrickém poli mění tloušťka destičky.
V praxi se používají tyto materiály jako generátory ultrazvuku (defektoskopie, pračky, v
lékařství), výkonové měniče a např. u zapalovačů.
SLINUTÁ BEZKYSLÍKATÁ KERAMIKA
SPSKS
Technologie slinování byla popsána v kapitole 8.0. Jde obecně o keramický materiál, kde
se zpracovávají nebo začleňují do struktury nitridy a karbidy, které nemají v chemickém
vzorci kyslík. Patří sem BN (nitrid bóru), SiC (karbid křemíku), Si3N4 (nitrid křemíku). Jde o
extrémně tvrdé sloučeniny, které v keramice v makroskopickém měřítku určují zajímavé
mechanické vlastnosti.
Tato skupina keramiky se jeví velmi perspektivní, protože některé prameny udávají, že
nitrid bóru může ve vhodné aplikaci překonat tvrdostí i diamant s ohledem na technickou
aplikaci. Teplotní zatížení snese diamant asi do 700°C a následně se vypaří. U BN je tato
teplota zhruba dvojnásobná. To vede k užití např. vyšších řezných rychlostí u chlazených
nástrojů.
12.3 CIHLÁŘSKÉ VÝROBKY
Cihlářské výrobky jsou vyráběny pálením cihlářských hlín. Mechanizmus vzniku střepu je
stejný jako u ostatních keramik. Cihla má ve stavebnictví nezastupitelné místo i v době, kdy
vznikají nové a perspektivní materiály. Důvodem je vynikající schopnost odvádět a nasávat
vodu, kterou ostatní stavební materiály nemají. Podle normy se výrobky dělí do čtyř skupin:
- prvky pro svislé konstrukce
- prvky pro vodorovné konstrukce
- pálená krytina
- prvky pro zvláštní účely
95/102
Podle průměrné měrné hmotnosti rozlišujeme cihlářské výrobky na šest skupin:
- max. 900 kg.m-3
- max. 1000 kg.m-3
- max. 1250 kg.m-3
- max. 1400 kg.m-3
- max. 1850 kg.m-3
- nad 1800 kg.m-3
Podle mrazuvzdornosti existují 3 typy výrobků:
- nemrazuvzdorné
- mrazuvzdorné při 15 zmrazovacích cyklech M 15
- mrazuvzdorné při 25 zmrazovacích cyklech M 25
cihly plněné – dělivky
SPSKS
cihly podélně děrované
tvarovky CD
96/102
deska Hurdis
stropní vložka Miako
12.4 PERSPEKTIVA KERAMICKÝCH MATERIÁLŮ
Keramické materiály skýtají ještě mnoho zajímavých možností aplikace. Jejich použití
v kompozitech je hlavním proudem ve vývoji špičkových zařízení, která jsou použitelná
v kosmické technice a ve vojenském použití. Jde o materiály, kde můžeme v mnohem větším
měřítku vytvářet mechanické vlastnosti „namíru“. V této kapitole bylo zdůrazněno, že
keramika má vlastnosti izolátorů. Avšak ve stádiu vývoje jsou vysokoteplotní supravodiče na
bázi keramických materiálů. Slitiny kovů k takovým teplotám nedospěly a zdá se, že
nedospějí. V praxi se tak budeme setkávat s těmito materiály mnohem častěji a musíme si
přivyknout na jejich speciální užití, kdy je nelze renovovat, svářet, obrábět apod. Jejich
použití je prostě technologicky jiné.
SPSKS
97/102
OBSAH
SLOVO ÚVODEM………………………………………………………………………….1
1.0 ÚVOD ………………………………………………………………………………….2
2.0 ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI TECHNICKÝCH MATERIÁLŮ A JEJICH
ZKOUŠENÍ …………………………………………………..……………….……….3
2.3 FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI…………………………….……………………….……..3
2.4 MECHANICKÉ VLASTNOSTI………………………….…………………………….5
2.2.1 MECHANICKÉ VLASTNOSTI – STATICKÉ ZKOUŠKY………..………………5
2.2.3 MECHANICKÉ VLASTNOSTI –DYNAMICKÉ ZKOUŠKY……………………..9
2.2.4 MECHANICKÉ VLASTNOSTI – ZKOUŠENÍ ZA VYŠŠÍCH A NIŽŠÍCH .........10
TEPLOT
2.3 TECHNOLOGICKÉ VLASTNOSTI………………………………………………….11
2.4 MAKROSKOPICKÉ VLASTNOSTI MATERIÁLŮ…………………………………11
4.0 KOVOVÉ MATERIÁLY - CHEMICKÉ PRVKY………………………………..…13
4.0 METALOGRAFIE……………………………………………………………………22
4.1 VNITŘNÍ STAVBA KOVŮ A SLITIN………………………………..…..…..…….22
4.4 NEDOKONALOSTI SKUTEČNÉ MŘÍŽKY……………………………………..…24
4.5 SLITINY KOVŮ……………………………………………………………………..26
5.0 SLITINY NA BÁZI ŽELEZA………………………………………………………...28
5.1 ROZDĚLENÍ OCELÍ…………………………………………………………………32
5.2 ROZDĚLENÍ LITIN……………………………………………………………..…...35
5.3 TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ SLITIN ŽELEZA A UHLÍKU…………………..…..….39
5.3.1 ŽÍHÁNÍ…………………………………………………………………………….40
5.3.1.1 ŽÍHÁNÍ OCELÍ …………………………………………………………….……40
5.3.1.2 ŽÍHÁNÍ LITIN………………………………..…………………………….……43
5.3.2 KALENÍ……………………………………………………………………………44
5.3.3 POPOUŠTĚNÍ…………………………………………….………………….…….46
5.3.4 ZUŠLECHŤOVÁNÍ………………………………………………………….….…49
5.3.5 CHEMICKO - TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ OCELÍ…………………………..……...49
5.4 VÝROBKY Z OCELÍ………………………………………………………….….….52
6.0 NEŽELEZNÉ KOVY A JEJICH SLITINY………………………………….…...….53
6.1 TĚŽKÉ NEŽELEZNÉ KOVY A JEJICH SLITINY………………………..……….54
6.1.1 MĚĎ A SLITINY MĚDI…………………………………………………….……54
6.2 LEHKÉ NEŽELEZNÉ KOVY……………………………………………….….….55
6.2.1 HLINÍK A SLITINY HLINÍKU…………………………….……………….…......55
6.2.2 TITAN A SLITINY TITANU……………………………………………………....56
6.3 SPECIÁLNÍ SLITINY NEŽELEZNÝCH KOVŮ…………………..……….….…...56
6.4. KOROZE KOVŮ………………………………………………………………….....57
7.0 PLASTY ………………………………………………………………..……….…..59
7.1 MOLEKULÁRNÍ STRUKTURA PLASTŮ …………………………………..……62
7.2 STRUKTURA POLYMERŮ …………………………………………………….…63
7.2.1 MECHANICKÉ VLASTNOSTI POLYMERŮ …………………………………64
7.2.2 DALŠÍ SLOŽKY VÝROBKŮ Z POLYMERŮ…………………………….…....65
7.2.3 TERMOPLASTY……………………………….…………………………..…....66
7.2.4 REAKTOPLASTY ……………………………………..…………………….….68
7.2.5 ELASTOMERY ………………………………………………………….…..….68
8.0 DŘEVO…………………………..………………………………………………….70
8.1 VLASTNOSTI DŘEVA …………………………………………………………...70
8.2 ÚPRAVA A POUŽITÍ DŘEVA ….………………………………………………...74
SPSKS
98/102
9.0 SPÉKANÉ MATERIÁLY …..………………………………………………………75
9.1 VÝROBA PRÁŠKŮ A VÝROBKŮ……………………………..…………………75
10.0 KOMPOZITNÍ MATERIÁLY …………………………………………………..…77
11.0 INTELIGENTNÍ MATERIÁLY ……………………………………………….…..81
12.0 TECHNICKÁ KERAMIKA ………………………………………….………….…82
12.1 FYZIKÁLNĚ CHEMICKÉ VLASTNOSTI NĚKTERÝCH
KOMPONENT OBSAŽENÝCH V KERAMICE ….…………………………….92
12.2 JEDNOTLIVÉ KERAMICKÉ HMOTY – KAMENINA ….…………………….....93
12.3 CIHLÁŘSKÉ VÝROBKY………………………………………………………..…95
12.4 PERSPEKTIVA KERAMICKÝCH MATERIÁLŮ…………………………………97
SPSKS
99/102
SPSKS
100/102
SPSKS
101/102
SPSKS
102/102
SPSKS
Download

NOM-1