3 ŠtruktÚra a vlastnosti ČistÝch...

41

This project has been funded with support from the European Commission. This publication reflects the views only of the authors, and the Commission cannot be held responsible for any use, which may be made of the information contained therein.

3 ŠTRUKTÚRA A VLASTNOSTI ČISTÝCH KOVOV

3.1 Vnútorná stavba materiálov Väčšina prvkov v periodickej sústave sú kovy. Od ostatných prvkov sa kovy odlišujú

predovšetkým veľkou tepelnou a elektrickou vodivosťou, pevnosťou, schopnosťou plastického pretvorenia vplyvom vonkajších síl a vo väčšine prípadov aj leskom. Všetky kovy (až na ortuť) sú pri 20 °C v tuhom stave.

Fyzikálne a mechanické vlastnosti jednotlivých prvkov (a teda aj kovov) sú determinované vnútornou stavbou atómov, z ktorých sa skladajú a z typu ich vzájomnej väzby. Atóm je možné z hľadiska technickej praxe označiť za základnú stavebnú časticu hmoty. Skladá sa z kladne nabitého jadra tvoreného protónmi a obalu, ktorý tvoria záporne nabité častice elektróny. Pomer hmotnosti jedného protónu a jedného elektrónu je cca. 10 000:1. Kvantová teória hovorí, že pozíciu subatomárnych častíc, ako sú napríklad protóny a elektróny je možné stanoviť iba na základe pravdepodobnosti ich výskytu. Zaužívaný tzv. planetárny model atómu preto nedostatočne vystihuje skutočné pomery v atóme.

Elektróny sa v atóme nachádzajú v rôznych energetických sférach (obálkach). Z hľadiska makroskopických vlastností technických materiálov je najdôležitejšia vonkajšia sféra. Energetické stavy elektrónov vo vonkajšej sfére sú popísané vlnovými funkciami, ktoré sa označujú ako orbitály. Ich tvar, počet a vzájomnú polohu určujú kvantové čísla (hlavné, vedľajšie, magnetické a spinové). Tzv. Pauliho vylučovací princíp zabraňuje aby bolo v jednej sfére viac ako 8 elektrónov. Prvky, ktoré sú tvorené atómami s vonkajšou sférou plne obsadenou 8 elektrónmi, sú veľmi stabilné. Typickými predstaviteľmi sú inertné plyny (hélium, argón).

Keď sa odoberie alebo pridá elektrón neutrálnemu atómu, vzniká ión. Atóm, ktorý má vo vonkajšej sfére menej ako polovicu možných elektrónov, má snahu elektróny odovzdať (tvorí tzv. katióny). Atóm, ktorý má na vonkajšej sfére viac ako polovicu možných elektrónov, má snahu elektróny priberať (tvorí tzv. anióny). Podľa toho, koľko elektrónov je schopný atóm prijať alebo odovzdať, tvorí jednomocné alebo viacmocné ióny. Katióny a anióny sa ľahko navzájom zlučujú.

Kovy majú tendenciu elektróny odovzdať, sú teda katióny. Odovzdané elektróny sú veľmi pohyblivé, následkom čoho majú kovy vysokú elektrickú a tepelnú vodivosť. Väčšina technicky významných kovov (Fe, Cr, Ni, W..) patrí medzi prechodové (tranzitné) kovy, ktoré majú čiastočne obsadenú poslednú sféru a zároveň majú čiastočne obsadenú aj sféru predposlednú.

Ak sa dva atómy k sebe navzájom dostatočne priblížia, vzniká medzi nimi väzba. Na základe takzvaného väzobného modelu tuhého stavu je možné rozdeliť väzby v tuhých látkach na 4 základné skupiny:

1. Iontová väzba: Kryštalickú látku vytvárajú katióny a anióny jednotlivých prvkov (napríklad Na+Cl-), medzi ktorými pôsobí elektrostatická sila. Ide o najpevnejší typ väzby medzi atómami.

2. Kovalentná väzba: Atómy jedného alebo viacerých prvkov zdieľajú spoločne elektróny. Geometria štruktúrneho usporiadania závisí na počte elektrónov, ktoré sú k dispozícii pre tvorbu väzby. Kovalentou väzbou je tvorený napríklad SiC.

3. Van Der Walsova väzba. Táto pomerne slabá väzba vzniká v medzi atómmi vzácnych plynov. Je založená na príťažlivých silách jednotlivých atómov a na interakcii pohybujúcich sa elektrónov s jadrami niektorých atómov (tzv. dipól).

4. Kovová väzba: Zjednodušene si je možné kovovú väzbu predstaviť ako pravidelné zoskupenie katiónov kovov alebo zliatin spĺňajúce požiadavky na geometrické usporiadanie danej sústavy. Medzi pravidelne usporiadanými katiónmi sa voľne pohybujú elektróny.

42


V kryštalických tuhých látkach a teda aj v kovoch a zliatinách sú atómy pravidelne usporiadané do trojrozmerných útvarov, ktoré je možné vytvoriť pravidelným opakovaním určitého motívu. Súbor všetkých atómov v rámci kryštálu nazývame priestorová mriežka. Najmenšie zoskupenie atómov (iónov), opakovaním ktorého dostaneme priestorovú mriežku nazývame elementárna bunka. Všetky elementárne bunky tvoriace priestorovú mriežku sú rovnaké, tvorené tzv. uzlovými bodmi. Usporiadanie priestorových útvarov okolo každého uzlového bodu je identické. Uzlové body môžu byť tvorené atómmi alebo iónmi (čistý kov) alebo aj komplexom častíc (zliatina, zlúčenina). Počet atómov (iónov), ktoré majú od daného uzlového bodu rovnakú minimálnu vzdialenosť určuje tzv., koordinačné číslo K. Na základe úvah o priestorovej súmernosti zaviedol Bravais v roku 1848 štrnásť typov priestorových mriežok, ktoré sú zadefinované pomocou vzdialeností a, b, c v troch smeroch zvierajúcich vzájomné uhly α, β, γ elementárnej bunky. Pomocou týchto parametrov je možné zadefinovať 7 kryštalografických sústav: triklinická, monoklimická, orthorombická, tetragonálna, kubická, hexagonálna a romboedrická.

Na obr. 3-1 sú zobrazené priestorové mriežky, s ktorými s v technickej praxi stretávame najčastejšie.

Sú to kubická plošne centrovaná (Feγ (K=12), Ni, Cu, Al, Au, Ag), kubická priestorovo centrovaná (Feα (K=8), Cr, V, Nb, Mo, W), hexagonálna (Mg, Ti, Zn, Zr) a tetragonálna (martenzit, Mn, Sn, B). Dostatočne malé atómy prímesí (spravidla C, N) môžu byť v priestorových mriežkach umiestnené nielen v uzlových bodoch, ale aj v intersticiálnych polohách. Z geometrie priestorovej mriežky vyplýva že Feγ dokáže rozpustiť (umiestniť) viac atómov uhlíka. Zmenou

Obr. 3-1 Najbežnejšie priestorové mriežky: a) kubická priestorovo centrovaná (Feα, [K=8], Cr, V, Nb, Mo, W), b) kubická plošne centrovaná (Feγ, [K=12], Ni, Cu, Al, Au, Ag), c) tetragonálna (martenzit, Mn, Sn, B). d) hexagonálna (Mg, Ti, Zn, Zr)

43


mriežok Feγ na Feα dochádza k zníženiu rozpustnosti uhlíka (schopnosti umiestniť rovnaké množstvo atómov uhlíka v mriežke). Táto vlastnosť je základom tepelného spracovania materiálov na báze Fe-C.

Označovanie rovín a smerov v priestorovej mriežke má pri pozorovaní rôznych javov prebiehajúcich v kovoch veľký význam. Kryštalografickú rovinu si môžeme predstaviť ako myslený rez kryštálom, vedený uzlovými bodmi. Na zjednodušený opis kryštalografických rovín a smerov sa používajú Millerove indexy (h, k, l). Sú to prevrátené hodnoty úsekov na osiach x, y, z.

Niektoré hlavné kryštalografické roviny a smery sú zobrazené na obr. 3-2.

V oblých zátvorkách sú indexy rovín a v hranatých indexy smerov. Čisté kovy charakterizuje veľký počet pravidelne priestorovo usporiadaných mriežok. Môžu byť ako monokryštály alebo polykryštály pozostávajúce z jednotlivých zŕn, ktoré sú prakticky monokryštálmi. Zrná sú oddelené hranicami s veľkým uhlom a tvoria mikroštruktúru. Subzrná sú oddelené malouhlovými hranicami. Čisté kovy sa v praxi používajú zriedkavo.

3.2 Difúzia

Presun atómov alebo iontov na vzdialenosť väčšiu ako je medziatómová vzdialenosť nazývame difúzia. Hybnou silou difúzie je rozdiel koncentrácie chemického zloženia, čo je vyjadrené 1. Fickovým zákonom, podľa ktorého je difúzny tok JA prvku A v čase t v smere x jednotkovou plochou kolmou na tento smer pri koncentračnom gradiente XCA

∂∂ / :

tX

CAA

ADJ

∂

∂−= (mol.s-1.m-2)

Obr. 3-2 Niektoré hlavné kryštalografické roviny a smery. V oblých zátvorkách sú indexy rovín a v hranatých indexy smerov, označenie d znamená medzirovinnú vzdialenosť

44


Konštanta úmernosti DA sa nazýva difúzny súčiniteľ a má rozmer cm2.s-1. Väčší praktický význam má 2. Fickov zákon, ktorý vyjadruje časovú zmenu koncentrácie:

∂∂

−=∂∂

2

2

X

C

t

C D

Zjednodušene možno povedať, že dráha difundujúceho prvku je úmerná tD ∗ . Difúzny súčiniteľ D a tým aj intenzita difúzie sa zvyšuje s teplotou.

Zmeny chemického zloženia vedú pri difúzii obvykle k zmenšeniu koncentračných rozdielov. Pri niektorých dejoch však dochádza počas difúzie k zväčšeniu koncentračných rozdielov (napríklad spinodálny rozpad). Difúzia sa uplatňuje vo väčšine technologických procesoch, ako sú tepelné spracovanie, spekanie, creep atď.

3.3 Fázové premeny V každej zložke materiálu môže dôjsť pod vplyvom zmeny vonkajších podmienok (teplota,

tlak...) ku kvantitatívnej (fázovej) zmene. Typickým príkladom fázovej zmeny je zmena skupenstva (plynné – kvapalné, kvapalné – tuhé) a zmeny prebiehajúce v kovoch a zliatinách v tuhom stave. Fázové premeny je možné popísať ich mechanizmom, termodynamikou a kinetikou. Mechanizmus fázových zmien popisuje vzťahy medzi štruktúrou pôvodnej a novej fázy. Z termodynamického hľadiska môžu prebiehať len také fázové zmeny, pri ktorých prechádza sústava do energeticky výhodnejšieho stavu. Reakcie smerom k takémuto stavu môžu prebiehať tromi spôsobmi [4].

1. Rast novej fázy je riadený tepelným tokom (kryštalizácia – tuhnutie).

2. Rast novej fázy je tepelne aktivovaným procesom, t.j. procesom ktorý je umožnený tepelne aktivovaným pohybom atómov (difúziou) v materiáli. Typickým príkladom takéhoto procesu je precipitácia (prenos hmoty na dlhé vzdialenosti) alebo bainitická transformácia (prenos hmoty na krátke vzdialenosti). Vnútorná energia zakaleného materiálu je oveľa vyššia ako vnútorná energia žíhaného materiálu.

3. Premena s atermálnym rastom. Vznik novej fázy vzniká riadeným preskupovaním atómov. Typickým príkladom je martenzitická transformácia.

Veľmi zaužívané je delenie fázových premien na difúzne (body 1 a 2 ) a bezdifúzne (bod 3)

Kinetika fázovej transformácie udáva rýchlosť jej zmeny, obvykle je charakterizovaná rýchlosťou nukleácie a rýchlosťou rastu novej fázy. Kryštalizácia a premeny v tuhom stave sú najdôležitejšie fázové premeny v technickej praxi, lebo sú základom pre kontrolu vlastností materiálov pri zlievaní, tvárnení, zváraní, tepelnom spracovaní a podobne.

3.3.1 Kryštalizácia

Kryštalizácia má dve základné fázy: nukleáciu a rast zárodkov.

Kryštalizácia čistých kovov nastáva pri teplote tuhnutia čistého kovu. Pri ochladení pod túto teplotu tekutý kov kryštalizuje. Kryštalizácia neprebieha naraz v celom objeme, ale začína v rade mikroobjemov vznikom kryštalizačných zárodkov – nukleáciou. Nukleácia môže byť homogénna alebo heterogénna. Homogénna nukleácia sa v technickej praxi prakticky nevyskytuje. Je založená len na termodynamickom princípe minimalizovania voľnej energie sústavy – pri určitom stupni podchladenia má zárodok tuhej fázy menšiu voľnú energiu ako tavenina. Problémom je však, že medzifázový povrch tavenina – tuhá fáza zvyšuje energiu sústavy. Veľa zárodkov tuhej fázy je

45


preto nestabilných a znova sa rozpúšťa. Zárodok tuhej fázy sa stáva stabilný až keď dosiahne istú (kritickú) veľkosť. Pri heterogénnej nukleácii dochádza k vzniku tuhej fázy na cudzích zárodkoch. V tomto prípade je kritická veľkosť zárodku oveľa menšia a čistý kov tuhne pri menšom podchladení.

Kryštalizácia tuhých roztokov začína podobne ako pri čistých kovoch podchladením a vznikom zárodkov. Ako ale vyplýva z teórie rovnovážnych binárnych diagramov, chemické zloženie zárodkov tuhej fázy a taveniny je značne odlišné. Táto vlastnosť roztokov má výrazný vplyv na segregáciu prvkov v tuhnúcich odliatkoch.

Rast zárodkov sa deje difúziou atómov z taveniny k povrchu zárodkov a naopak. Výsledkom týchto procesov je buď plynulý posuv fázového rozhrania zárodok – tavenina smerom do taveniny (zárodok rastie) alebo rozhranie rastie na úkor tuhej fázy (zárodok sa rozpúšťa).

3.3.2 Fázové premeny v tuhom stave

Fázové premeny v tuhom stave sa od kryštalizácie odlišujú najmä nižšou hodnotou difúznych koeficientov, ale hlavne množstvom mechanizmov, ktoré sa môžu uplatniť (polymorfné, eutektoidné, bainitické, martenzitické premeny, precipitácia atď.). Veľmi dôležité sú kinetika premien (ktorá je daná termodynamickou metastabilitou tuhej fázy – presýtením tuhého roztoku) a kryštálová orientácia vznikajúcich fáz.

Fázové premeny sa dejú aj v tuhej fáze nukleáciou a rastom. Homogénna nukleácia prebieha vo vnútri dokonalej mriežky a nezávisí na kryštálových poruchách. Oveľa pravdepodobnejšia je však hetrogénna nukleácia, pri ktorej vznikajú zárodky nových fáz na kryštálových defektoch (dislokácie, hranice zŕn, medzifázové hranice a pod.).

Nukleačné zárodky môžu byť koherentné, semikoherentné a nekoherentné. Ak nová fáza nukleuje na špecifických kryštalografických rovinách môže vytvoriť medzifázové rozhranie s dokonalým mriežkovým spojením – koherentné spojenie. Pri vzniku zárodku s úplne odlišnou štruktúrou je spojenie nekoherentné.

Polymorfné a alotropické premeny

Fázové premeny v tuhom stave, pri ktorých sa mení druh kryštálovej mriežky sa nazývajú alotropické (čisté kovy) alebo polymorfné (zliatiny). Alotropická premena existuje asi pri 20 kovoch, polymorfná premena nastáva vo viacerých tuhých roztokoch, z ktorých sú technicky najvýznamnejšie zliatiny železa. V zliatinách železa prebiehajú polymorfné premeny v zhode s fázovým pravidlom, ich priebeh závisí od kryštalografickej podobnosti pôvodnej fázy (napríklad kubicky priestorovo centrované Feα a kubicky plošne centrované Feγ) a od rýchlosti ochladzovania. Pri rýchlom ochladzovaní sa premena posúva do nižších teplôt. Pri prekročení určitej (kritickej) rýchlosti ochladzovania sa atómy látky nestíhajú preskupovať difúziou a môže dôjsť k vzniku kvantitatívne novej fázy – presýtenému tuhému roztoku (martenzit, bainit). Pri podkritických rýchlostiach ochladzovania sa vylučuje nová fáza buď po hraniciach zŕn fázy pôvodnej (napríklad terciálny cementit po hraniciach feritických zŕn) alebo v jej objeme. Rýchlosť ochladzovania a stupeň presýtenia majú výrazný vplyv na morfológiu novovzniknutej fázy.

Precipitácia

V technickej praxi je najdôležitejšou difúznou premenou rozpad tuhého roztoku (precipitácia). Tento pochod je základom tepelného spracovania ako železných (feritické alebo austenitické vytvrditeľné ocele, zušľachtené ocele) tak aj neželezných zliatin (vytrditeľné zliatiny na báze

46


hliníka). Počas precipitácie vzniká z pôvodne homogénnej štruktúry štruktúra heterogénna t. j. štruktúra tvorená dvoma alebo viacerými fázami. Tento proces nastáva len vtedy, ak v rovnovážnom diagrame existuje zmena rozpustnosti s teplotou. Proces rozpadu tuhého roztoku a vznik sekundárnej fázy je primárne riadený teplotou rozpadu a stupňom presýtenia tuhého roztoku. Presýtená zložka tuhého roztoku sa vylúči buď pri teplote miestnosti (prirodzené starnutie) alebo pri zvýšených teplotách (umelé starnutie).

Proces precipitácie môže mať viac štádií. Prvá etapa precipitácie je známa ako Guinierove-Prestonove zóny. V nej vznikajú malé koherentné nahromadené atómy novej fázy v základnom tuhom roztoku. V druhom štádiu vznikajú už nekoherentné zóny novej fázy. V konečnej fáze vznikajú už stabilné precipitáty v tvare ihlíc, doštičiek alebo guľôčok. Ich disperzia (počet a veľkosť ako parameter teploty a doby umelého starnutia) určuje výsledné vlastnosti štruktúry.

3.4 Elastická a plastická deformácia kovov

Zo zákonitostí pružného správania materiálov vyplýva, že predĺženie telesa s dĺžkou l0 na dĺžku l je priamo úmerné pôsobiacej sile F pôsobiacej na teleso. Pomerné predĺženie telesa ε je dané

vzťahom: 0

0

lll −

=ε a pôsobiace napätie vzťahom: SF

=σ , kde S je prierez telesa. Vzťah medzi

napätím σ a pomerným predĺžením ε vyjadruje lineárny zákon úmernosti (Hookov zákon), ktorý hovorí že až po určitú hodnotu napätia σ je pomerné predĺženie priamo úmerné tomuto napätiu :

εσ .E= , kde E je konštanta úmernosti definovaná ako modul pružnosti v ťahu. Je to vlastne napätie, ktoré by pri neobmedzenej platnosti Hookovho zákona spôsobilo pomerné predĺženie

1=ε .

Elastická (pružná) deformácia nastáva vtedy, keď vonkajšie sily vyvolávajú len vychýlenie atómov mriežky z ich rovnovážnych polôh. Elastická deformácia sa teda realizuje v rozmedzí platnosti Hookovho zákona. Po zrušení vonkajších síl sa môžu atómy vrátiť do ich pôvodných polôh (napätie neprekročilo medzu tzv. klzu Re).

Plastická (trvalá) deformácia vzniká pri napätiach nad medzou klzu a vyvoláva nevratné zmeny v mriežke, vychýlené atómy sa po zrušení vonkajších síl nevrátia do svojich pôvodných polôh. Spoločnými vonkajšími činiteľmi, ktoré modifikujú proces plastickej deformácie sú teplota a rýchlosť deformácie.

Plastická deformácia vzniká sklzom, ktorý spôsobujú dislokácie (čiarové mriežkové poruchy) svojím pohybom. Dislokácie vysvetľujú rozpor medzi teoretickým (vypočítaným) napätím spôsobujúcim sklz v jednej rovine a nameraným napätím. Tento rozdiel pre kovy činí 103 až 104. To znamená, že plastická deformácia spôsobuje generovanie (vznik) a pohyb dislokácií v kove. Bez týchto dvoch javov plastická deformácia kovov a kryštálov vôbec, nie je možná. Sklz dislokácií je v určitých kryštalografických rovinách riadený tromi zákonmi: 1) smer sklzu je vždy totožný so smerom, ktorý je najviac obsadený atómmi 2) sklz zvyčajne prebieha v najhustejšie obsadených rovinách a 3) v aktívnom sklzovom systéme (rovina + smer) má šmykové napätie najvyššiu hodnotu.

Počet aktívnych rovín v sústave závisí od typu kryštálovej mriežky materiálu a teploty. Pri vyšších teplotách sa aktivizujú i ďalšie sklzové roviny, čo vysvetľuje lepšiu tvárniteľnosť materiálu za vyšších teplôt. Napr. pre Feα a oceľ sú najčastejšími rovinami sklzu {110}; {112}; {123} a smer sklzu <111>.

47


Proces plastickej deformácie si možno predstaviť ako hromadný pohyb existujúcich a vznikajúcich dislokácií. Základné typy dislokácií sú: hranová, skrutková a zmiešaná. Najjednoduchšie si možno predstaviť hranovú dislokáciu ako rez kryštálom, v ktorom chýba jedna atómová polrovina, ako vidieť na obr. 3-3, na ktorom je schematicky znázornená aj skrutková dislokácia, ktorá vznikla posunutím častí kryštálovej mriežky voči sebe.

Dislokácia je charakterizovaná Burgersovým vektorom, ktorého veľkosť vznikne po uzatvorení Burgersovej slučky podľa (obr. 3-3). Hodnota b je Burgersovým vektorom hranovej dislokácie. Burgersov vektor je kolmý na hranovú dislokáciu a rovnobežný so skrutkovou dislokáciou. Dislokácie sú čiarovými poruchami a možno ich pozorovať transmisným elektrónovým mikroskopom na tenkých fóliách (obr. 3-4).

a) b) Obr. 3-3 Model hranovej a skrutkovej dislokácie:

a) Porucha zodpovedajúca hranovej dislokácii DC ako posledný rad neúplnej vrstvy atómov ABCD b) Porucha zodpovedajúca skrutkovej dislokácii DC je vytvorená vzájomným

posunutím dvoch častí kryštálu v rovine ABCD vo smere AB

48


a)

c)

b)

Obr. 3-4 Konfigurácia dislokácií v mikroštruktúre feritických ocelí (TEM tenké kovové fólie):

a) nízka hustota dislokácií, vyžíhaný stav (9 % Cr oceľ, ZM) b) zvýšená hustota, deformácia za studena (9 % Cr oceľ, ZM) c) nakopenie dislokácií (pile-up) na hranici (technicky čisté železo) po

deformácii za studena

49


Súbor rovnobežných sklzových rovín, na ktorých sa realizoval sklz (dislokáciami), vytvorí na povrchu kryštálu (kovu) charakteristické pásy (stupne), viditeľné aj svetelným mikroskopom Obr. 3-5.

Niektoré materiály sa môžu deformovať tiež dvojčatením. Pri dvojčatení sa obyčajne vysokou rýchlosťou preklopia rady atómov o určitý uhol k smeru posunu. Nová (presunutá) mriežka v zdvojenej časti kryštálu má vzhľadom na pôvodnú mriežku zrkadlovo súmernú orientáciu k určitej rovine, ktorú nazývame rovinou dvojčatenia. Na mikroštruktúre sa dvojčatenie prejavuje vznikom dvoch rovnobežných úsečiek od jednej hranice zrna k druhej.

Deformačné spevnenie

Kovový monokryštál, ktorý už bol plasticky deformovaný, má pri novom zaťažovaní vyššiu

hodnotu kritického sklzového napätia – je spevnený. Tento jav je možné vysvetliť nasledovne: Počas plastickej deformácie dochádza v kryštálovej mriežke k zvyšovaniu hustoty dislokácií (obr. 3-4a – typická hustota dislokácií v nedeformovanom materiáli, obr. 3-4b – typická konfigurácia dislokácií v deformovanom materiáli). Počas pohybu si dislokácie vzájomne prekážajú, znižuje sa ich voľná dráha a dochádza k ich nahromadeniu pred hranicami zŕn alebo prekážkami (pile up - obr. 3-4c), alebo vytvoreniu zložitých dislokačných sieti. V tomto štádiu treba na pohyb dislokácií stále zvyšovať vonkajšie napätie. Dochádza k deformačnému spevneniu. Zvyšovaním hustoty dislokácií ale môže nastať kritický (medzný) stav, keď sa iniciuje trhlina a dochádza k lomu.

Plastická deformácia polykryštálového materiálu je zložitejším procesom ako deformácia monokryštálu. Rôzne orientované zrná s ich hranicami výrazne ovplyvňujú proces sklzu. Hranice zŕn s veľkým uhlom sú neprekonateľnými prekážkami pre dislokácie. Preto má polykryštálový kov väčší odpor proti deformácii ako monokryštál (má vyššie pevnostné charakteristiky). Medza klzu podľa Hallovho-Petchovho zákona závisí od veľkosti zrna. Čím je zrno menšie, tým je medza klzu vyššia. Na tomto princípe sú založené vlastnosti jemnozrnných ocelí. Zistilo sa, že vrubová a lomová húževnatosť sú primárne riadené veľkosťou zrna. Niektoré zrná majú výhodnú orientáciu k pôsobiacej sile, iné nevýhodnú. To vyjadruje Schmidov faktor. Ak sú sklzové roviny orientované v uhle 45° k smeru zaťaženia, je potrebné najnižšie napätie. Vtedy sa rovná Schmidov faktor 1.

Obr. 3-5 Sklzové pásy ako makroskopický prejav plastickej deformácie (feritická nízkouhlíková

oceľ), svetelná mikroskopia

50


3.5 Zotavenie a rekryštalizácia Počas plastickej deformácie vzrastá vnútorná energia a zvyšuje sa hustota dislokácií v

materiáli. Ohrevom (žíhaním) za studena deformovaného kovu dochádza k dvom významným zmenám v materiáli, a to k zotaveniu a rekryštalizácii.

Zotavenie spočíva v uvoľňovaní, pohybe a čiastočnej anhilácii dislokácií za vyšších teplôt, čím sa mení ich usporiadanie, konfigurácia. Vznikajú dislokačné sieťoviny a hranice zŕn s malým uhlom. Tento proces sa tiež označuje ako polygonizácia. Celková hustota dislokácií sa výrazne znižuje, čím klesá aj tvrdosť materiálu.

Rekryštalizácia je zmena nadväzujúca na zotavenie a obyčajne prebieha pri vyšších teplotách. Rekryštalizáciou vznikajú nové zrná bez znakov plastickej deformácie, s veľmi nízkou hustotou dislokácií. Tieto nové zrná postupne nahradia deformovanú štruktúru v celom objeme. Pri rekryštalizácii sa typ mriežky nemení. Teplota zotavenia je 0,25 až 0,3 teploty tavenia a teplota rekryštalizácie 0,3 až 0,4 teploty tavenia (udávané v °C). Rekryštalizácia je procesom nukleácie a rastu zŕn. Veľkosť zrna po rekryštalizácii závisí od stupňa predchádzajúcej deformácie a teploty rekryštalizácie.

Rekryštalizačná teplota je dôležitým kritériom aj pri posúdení tvárnenia (deformácie) za studena a za tepla. Podľa vzťahu tvárniacej a rekryštalizačnej teploty sa posudzuje aj druh tvárnenia. Tvárnenie pod teplotami rekryštalizácie vedie k deformačnému spevneniu a voláme ho tvárnenie za studena. Deformačné spevnenie je spôsobené zvýšením hustoty dislokácií, pôvodné austenitické zrno má typický tvar pretiahnutý v smere deformácie. Pri tvárnení nad teplotami rekryštalizácie, dochádza súčastne so spevňovaním aj k odpevňovaniu. Odpevnenie môže byť čiastočné (teploty deformácie tesne nad teplotou rekryštalizácie) alebo úplné ( tvárnenie pri teplotách vyšších ako 0.7 teploty tavenia). Počas odpevňovania dochádza k anhilácii dislokácií. Príklad valcovania za tepla a studena je dokumentovaný na obr. 3-6.

Obr. 3-6 Pozdĺžny rez rúrkou φ 44.5/6.3 vyrobenou z 2.25Cr žiarupevnej feritickej ocele. Po vyvalcovaní boli rúrky popustené na 750°C.

a) počas valcovania prebehla dynamická rekryštalizácia (valcovanie za tepla) b) počas valcovania neprebehla dynamická rekryštalizácia (valcovanie za

studena)

a) b)

51


3.6 Mechanické vlastnosti Mechanické vlastnosti sú finálne vlastnosti každého materiálu, ktoré podmieňujú jeho

vhodnosť pre určenú funkciu a použitie v praxi. Mechanické vlastnosti konštrukčného materiálu (a teda aj kovu) sú kvalitatívnym vyjadrením reakcie telesa na definované mechanické namáhanie. Mechanické namáhanie je namáhanie, pri ktorom pôsobia na teleso vonkajšie mechanické sily, ktoré ho elasticky alebo plasticky deformujú.

Medzi najdôležitejšie mechanické vlastnosti patria:

Pevnosť: medza klzu, medza pevnosti, ťažnosť a pomerné zúženie, ktoré sa stanovujú skúškou ťahom.

Húževnatosť: vrubová alebo lomová).

Mechanické vlastnosti materiálov sa pri stúpajúcej alebo klesajúcej teplote menia. Na hodnotenie mechanických vlastností materiálov pri vysokých a nízkych teplotách sa používa predovšetkým skúška ťahom, menej často skúška ohybom.

Skúšky ťahom pri vysokých teplotách môžu byť krátkodobé alebo dlhodobé. Krátkodobé skúšky sú podobné ako skúšky pri teplote okolia, pritom tyč sa vyhrieva v piecke na skúšobnú teplotu. So zvyšujúcou sa teplotou medza klzu a pevnosti klesajú. Pri vyšších teplotách zaťažovania (pri oceliach nad 400 °C) sa prejavuje aj vplyv času zaťažovania. Pri pôsobení konštantného napätia sa tyč spočiatku rýchlo predlžuje, potom sa predlžovanie ustáli. Toto predĺženie sa nazýva tečenie (creep). Medza tečenia je napätie, ktoré znesie materiál pri danej teplote po predpísanú dobu (spravidla 104 –105 pre výpočet konštrukcií pracujúcich v creepovom režime).

Pokles teploty pôsobí výrazne na mechanické vlastnosti niektorých materiálov, ako sú napr. nelegované ocele. Pri nízkych teplotách tieto materiály krehnú. Klesajú plastické vlastnosti, ako sú ťažnosť, vrubová a lomová húževnatosť. Niektoré materiály, hlavne s kubickou plošne centrovanou mriežkou, ako Al, Cu, Ni, pri nízkych teplotách nekrehnú. Overovanie mechanických vlastností materiálu pri nízkych teplotách je dôležité v konštrukciách pracujúcich pri týchto teplotách, pretože pri poklese jeho plasticity môže nastať vážna havária. Preto sa pre ocele a ich zvarové spoje skúma a udáva tranzitná teplota, t. j. teplota, pri ktorej nastáva zmena húževnatosti.

3 ŠtruktÚra a vlastnosti ČistÝch...

Documents