ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ - Fakulta strojní - Ústav materiálového inženýrství

Nauka o materiálu

3. STRUKTURA A VLASTNOSTI MATERIÁLU A JEJICH ZKOUŠENÍ

1 prof. Ing. Karel Macek, DrSc.

prof. Ing. Josef Steidl, CSc.

Strukturou materiálu v širším slova smyslu rozumíme množinu vztahů mezi různě složitými a různě

velkými částmi hmoty (elementárními částicemi, atomy, molekulami, krystaly), které vytvářejí určitou

formu její existence (stav). O struktuře atomů a molekul! která se též označuje za vnitřní stavbu

materiálu, pojednaly kap. 2.1 a 2.2. Strukturu krystalů nebo amorfních oblastí odpovídajícího objemu

nazýváme makrostrukturou nebo mikrostrukturou. Makrostrukturu pozorujeme pouhým okem nebo

lupou, mikrostrukturu pozorujeme některou mikroskopickou metodou.

Vlastnosti materiálu jsou významným vnějším projevem jeho struktury a mohou být na základě

znalostí struktury v různé míře předvídány. Vlastnosti materiálu dělíme na mechanické, fyzikální,

chemické a technologické. Jejich zkoušení má pro technickou praxi mimořádnou důležitost.

3.1 Makrostruktura a mikrostruktura K charakteristice makrostruktury materiálu hutního nebo strojírenského výrobku náleží tyto údaje:

1) heterogenita chemického složení slitin a směsí v různých místech průřezu,

2) makroskopických strukturních útvarech vzniklých při krystalizaci nebo tuhnutí,

3) makroskopických strukturních útvarech vzniklých při tváření kovů, tvarování nekovů a při

spojování materiálu svařováním, pájením či lepením nebo při jiných zpracovatelských

technologiích,

4) hloubce tepelného ovlivnění při přenosu tepla nebo o povrchových vrstvách při přenosu

hmoty,

5) hloubce poškození povrchu při korozi nebo opotřebení,

6) o lomech vzniklých v provozu působením vnějších sil nebo prostředí.

Při rozboru mikrostruktury materiálu se používá též širšího pojmu mikro strukturní složka, která se

přes to, že se může skládat z více termodynamických fází (kap. 2.3), je v polykrystalických materiálech

tvořena poměrně celistvými mikrostrukturními útvary.

Mikrostrukturu charakterizujeme následujícími údaji:

a) kvalitativním a kvantitativním fázovým složením, které se určuje především difrakčními

metodami,

b) druhy a poměrným množstvím mikrostrukturních složek a dalších mikrostrukturních útvarů,

které se určuje zobrazovacími metodami,

c) morfologií mikrostrukturních složek a útvarů, tj. jejich tvarem, velikostí, rozmístěním a

předností orientací (texturou),

d) kvalitativními a kvantitativními charakteristikami poruch krystalové mřížky, makromolekul

nebo amorfních oblastí, které se také označují za substrukturu.

Pro zjištění charakteristik (b) a (c) se používá metod světelné nebo elektronové mikroskopie,

substrukturu lze pozorovat pouze metodami transmisní elektronové mikroskopie. Protože

pozorované mikrostrukturní útvary tvoří velmi četné soubory, musí se při jejich kvantitativním

hodnocení používat statistické metody. Aplikací těchto metod se zabývá kvantitativní

materiálografie, která je součástí obecněji orientovaného vědního oboru - stereologie.

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ - Fakulta strojní - Ústav materiálového inženýrství

Nauka o materiálu

3. STRUKTURA A VLASTNOSTI MATERIÁLU A JEJICH ZKOUŠENÍ

2 prof. Ing. Karel Macek, DrSc.

prof. Ing. Josef Steidl, CSc.

Kovové materiály

Vybrané ukázky makrostruktury kovových materiálů jsou na obr. 3-1. Dendrity v lité oceli, které jsou

výsledkem krystalizace s negativním teplotním gradientem a svědčí i o heterogenitě chemického

složení, jsou na obr. 3-1a. Na makrostruktuře svaru (obr. 3-1b) je patrný způsob nanášení svarového

kovu, jeho krystalizace a šířka tepelně ovlivněné oblasti v základním kovu, kterým byl tlustý ocelový

plech. Velké, radiálně orientované krystaly v příčném řezu mosazným odlitkem (obr. 3-1c) prorostly

nežádoucím způsobem až do jeho středu; v odlitku došlo ke traskrystalizaci. Na obr. 3-1d je leptáním

zviditelněna hloubka zakalení na bocích a v patě povrchově kaleného zubu ozubeného kola. Velmi

často se posuzuje makrostruktura únavových lomů, při čemž se hodnotí místo vzniku magistrální

únavové trhliny, způsob jejího šíření a podíl plochy vlastního únavového lomu (ú.l.) se stopami

postupného šíření únavových trhlin k ploše zbytkového lomu (z.l.). Na obr. 3-1e je lom způsobený

cyklickým ohybovým zatěžováním ocelového čepu, v němž vznikly trhliny v místech M1 a M2. Tyto

trhliny se postupně šířily proti sobě, až zeslabily nosný průřez tak, že v jeho zbylé ploše došlo k

náhlému lomu.

Mikrostrukturu hodnotíme nejprve podle fázového složení a mikrostrukturních složek. Např. na obr.

3-2a je mikrostruktura nízkouhlíkové oceli (0,15 % C) v normalizačně žíhaném stavu, která obsahuje

dvě základní mikrostrukturní složky - ferit a perlit. Ferit je tuhý roztok a, perlit je eutektoid (kap. 2.5)

tvořený dvěma fázemi, jednak feritem, jednak intermediární fází Fe3C (cementitem - kap. 4.1.1). Podíl

obou mikrostrukturních složek se určí buď metodami kvantitativní metalografie nebo podle pákového

pravidla v rovnovážném diagramu Fe-Fe3C.

Obr. 3-1 Příklady makro struktury kovových materiálů (popis je uveden textu)

(a) dendrity, leptáno, zv. 2x, (b) svar, leptáno, zv. 2x, (c) odlitek, leptáno, zv. 1x, (d) ozubení, leptáno, zv. 1,5x, (e) únavový lom, nelept., zv. 2x.

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ - Fakulta strojní - Ústav materiálového inženýrství

Nauka o materiálu

3. STRUKTURA A VLASTNOSTI MATERIÁLU A JEJICH ZKOUŠENÍ

3 prof. Ing. Karel Macek, DrSc.

prof. Ing. Josef Steidl, CSc.

Při hodnocení mikrostruktury na obr. 3-2a podle bodu (c) zjistíme, že obě mikrostrukturní složky mají

polyedrická zrna různé velikosti, kterou bychom opět určili kvantitativně metalografickými metodami.

Perlit je řádkovitý, což znamená, zeje přednostně orientovaný ve směru tváření. Jeho morfologie je

velmi jemně lamelami, neboť vzdálenosti sousedních lamel cementitu jsou tak malé, že je lze

světelnou mikroskopií rozlišit jen v některých zrnech; ostatní zrna perlitu se zobrazují jako tmavé

plochy.

Na obr. 3-2b je mikrostruktura vytvrzené hliníkové slitiny Al-4 % Cu. Zobrazeny jsou jednak deskovité

částice precipitující intermetalické fáze ( ), jednak dislokace v okolní kovové matrici

(přesycený tuhý roztok ).

Obr. 3-2c zobrazuje plastické deformace (skluzové čáry a pásy) v austenitické manganové oceli (1,2 %

C-12 % Mn), která byla silně tvářena za studena.

Mikrostruktura lomových ploch zcela rozdílného charakteru byla pozorována ve vysokolegované

martenziticko-austenitické oceli (Cr-Ni-Mo-Ti-Al) je na obr. 3-2d,e. Na prvním obrázku je tvárný lom

charakterizovaný důlkovou morfologií, na druhém obrázku je štěpný lom, pro který jsou příznačné

hladké, rovinné plochy (kap. 2.6).

Obr. 3-2 Příklady mikrostruktury kovových materiálů (popis je uveden v textu)

(a) světelná mikroskopie, zv. 500 x, (b) transmisní elektronová mikroskopie, zv. 30000 x, (c) světelná mikroskopie, zv. 500 x, (d, e) řádkovací elektronová mikroskopie, zv. 2000 x

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ - Fakulta strojní - Ústav materiálového inženýrství

Nauka o materiálu

3. STRUKTURA A VLASTNOSTI MATERIÁLU A JEJICH ZKOUŠENÍ

4 prof. Ing. Karel Macek, DrSc.

prof. Ing. Josef Steidl, CSc.

Polymerní materiály

Polymery mají charakteristickou mikrostrukturu v případě, že při tuhnutí taveniny krystalizují.

Krystalické útvary polymerů jsou opticky anizotropní, což se projevuje dvojlomem. Mikrostruktura je

proto nejlépe pozorovatelná v tenkých řezech polymerů, kterými prochází polarizované světlo.

Základním mikrostrukturním útvarem semikrystalických polymeruje sférolit (obr. 3-3). Svým

polyedrickým tvarem a srovnatelnou velikostí připomíná zrno u kovů. Sférolit má složitou strukturu

obsahující vedle množství drobných krystalů zvaných krystality i amorfní oblasti. Při tuhnutí taveniny

vzniká sférolit růstem semikrystalických substruktur z krystalizačního zárodku radiálně všemi směry

za současného větvení (obr. 3-4). Dvojlomové krystality tak mají ve sférolitu kulovitě symetrické

uspořádání, které se při pozorování v polarizovaném světle obecně projevuje tmavými maltézskými

kříži. Důležitou charakteristikou sférolitu je jejich velikost. Stejně jako hranice zrn u kovů, mají i

hranice mezi sférolity u polymerů významný vliv na deformační a lomové chování těchto materiálů.

Po hranicích sférolitu segregují při krystalizaci příměsi (nečistoty) a nekrystalizují nízkomolekulární

podíly.

Polymerní krystality tvořící substrukturu sférolitu mají tvar lamel, které vznikají více či méně

pravidelným skládáním řetězců (obr. 3-5). Důvodem skládání je snaha řetězců po dosažení minimální

povrchové energie.

Obr. 3-3 (vlevo) Sférolitická struktura polymerů Obr. 3-4 (vpravo) Struktura sférolitu: 1-lamelami krystalizační zárodek, 2-agregáty lamelárních krystalitů a amorfních oblastí, 3-hranice sférolitu

Charakteristickým rozměrem lamel je jejich tloušťka, která se nejčastěji pohybuje od 10 do 500 nm,

běžné rozměry jsou zhruba 10x větší. S tloušťkou lamel 1 souvisí teplota tání polymeru podle vztahu:

(

) (3.1)

kde je teplota tání krystalu o nekonečné tloušťce, je povrchová energie krystalů a je

entalpie tání polymeru. Jednotlivé lamely jsou mezi sebou odděleny amorfní mezivrstvou o tloušťce

několika nm. Je tvořena zejména nepravidelnými ohyby na povrchu lamel, konci řetězců a segmenty

makromolekul, které spojují jednotlivé lamely mezi sebou. Kvantitativně se množství krystalické fáze

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ - Fakulta strojní - Ústav materiálového inženýrství

Nauka o materiálu

3. STRUKTURA A VLASTNOSTI MATERIÁLU A JEJICH ZKOUŠENÍ

5 prof. Ing. Karel Macek, DrSc.

prof. Ing. Josef Steidl, CSc.

v polymeru vyjadřuje jejím hmotnostním nebo objemovým podílem a nazývá se krystalinita.

Stanovuje se pomocí fyzikálních metod, které jsou na podílu krystalické fáze ve vzorku dostatečně

citlivé.

Nejjednodušším způsobem měření hustoty, ze které se objemová Xr a hmotnostní krystalita Xw

vypočítávají podle vzorců:

(

), (3.2)

kde ρa hustota amorfní fáze a ρc je hustota krystalické fáze. Obojí hodnoty jsou tabelovány.

Krystalinita je nejdůležitější mikrostrukturní charakteristikou krystalizujících polymerů, protože je na

ní závislá většina jejich fyzikálních a mechanických vlastností. Analogicky jako u kovů, lze i

mikrostrukturu polymerů ovlivňovat dodatečným tepelným zpracováním. Žíháním v tuhém stavu při

vyšších teplotách a krystalinita a tloušťka lamel zvětšuje.

Semikrystalické polymerní materiály ve vysoce orientovaném stavu, jako jsou vlákna nebo fólie, mají

fibrilární mikrostrukturu. Základním elementem této struktury je jednosměrně vyvinutý fibrilární

krystalit složený z napřímených úseků makromolekul (obr. 3-6).

Obr. 3.5 (vlevo) Schéma substruktury semikrystalických agregátů lamel K-lamelární krystalit, A-

amorfní oblast, 1-nepravidelný ohyb řetězce (smyčka), 3-makromolekulami segment spojující

sousední lamely

Obr. 3.6 (vpravo) Schéma fíbrilární struktury orientovaných krystalických polymerů 1-krystalit tvořený

napřímenými řetězci, 2-amorfní oblast, 3-hranice mezi fibrilami

Zatímco tedy je sférolitická struktura mikroskopicky (uvnitř sférolitu ) silně anizotropní, ale

makroskopicky izotropní, fibrilární struktura je silně anizotropní mikroskopicky i makroskopicky.

Fibrilární struktura vzniká tuhnutím a krystalizací orientované taveniny nebo dloužením v tuhém

stavu.

Velmi rozmanitou mikrostrukturu mají polymerní směsi a slitiny. Tvorba mikrostruktury je ovlivněna

zejména podmínkami míchání složek a zpracovatelskými podmínkami, přičemž teplota a velikost

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ - Fakulta strojní - Ústav materiálového inženýrství

Nauka o materiálu

3. STRUKTURA A VLASTNOSTI MATERIÁLU A JEJICH ZKOUŠENÍ

6 prof. Ing. Karel Macek, DrSc.

prof. Ing. Josef Steidl, CSc.

smykových deformací jsou pro konečnou mikrostrukturu rozhodující. Mikrostruktura takovýchto

systémů je tvořena dvěma nebo více fázemi s různě složitou morfologií. Typickým příkladem jsou

polystyrénové houževnaté plasty obsahující elastomerní složku. Nejjednodušší mikrostrukturou je

případ, kdy je elastomer ve formě mikroskopických kuliček (0,1 až 10 um) dispergován v

polystyrénové matrici. Množství a velikost elastomerních částic jsou základními mikrostrukturními

charakteristikami, které ovlivňují mechanické vlastnosti směsi.

Keramické materiály

Mikrostrukturu keramiky, pokud je jednorázová, tvoří především zrna a póry. Póry vznikají při

slinování keramického prášku (obr. 3-7). Podstatou slinování je difúzní proces, probíhající za vyšší

teploty, kterým se jednotlivá zrna vzájemně spojují v kompaktní celek. Póry jsou uzavřené nebo

otevřené, tj. vzájemně propojené s vnějším povrchem. Velikost zrna a množství či velikost pórů

výrazně ovlivňují vlastnosti keramiky. Pórovitost keramiky se často vyjadřuje procentuálním podílem

teoretické hustoty

(

) , (3.3)

kde ρ je hustota vzorku a je hustota keramiky bez pórů.

Složitější mikrostrukturu mají vícefázové keramické materiály. Modelová schémata mikrostruktur pro

dvoufázovou keramiku jsou uvedena na obr. 3-8.

Obr. 3-7 (vlevo) Schéma vzniku pórů při slinování keramického prášku: (a) výchozí stav, (b) slinování, (c) konečná mikrostruktura Obr. 3-8 (vpravo) Schéma základních typů mikrostruktury dvoufázové keramiky: (a) diskontinuální částicové disperze jedné fáze v kontinuální matrici druhé fáze, (b) zrna majoritní fáze separovaná kontinuální minoritní fází, (c) vrstevnatá mikrostruktura

Studium mikrostruktury kompozitu se zaměřuje zejména na způsob uložení vláken, charakter

mezifázových rozhraní a ovlivnění mikrostruktury matrice vyztužující fází. Typickým příkladem může

být hodnocení orientace krátkých vláken ve vstřikovaných termoplastických kompozitech (obr. 3-9).

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ - Fakulta strojní - Ústav materiálového inženýrství

Nauka o materiálu

3. STRUKTURA A VLASTNOSTI MATERIÁLU A JEJICH ZKOUŠENÍ

7 prof. Ing. Karel Macek, DrSc.

prof. Ing. Josef Steidl, CSc.

Obr. 3-9 Uspořádání vláken v průřezu vstřikované desky z polypropylenu plněného krátkými skleněnými vlákny (vzhledem ke směru toku taveniny jsou vlákna orientována kolmo nebo rovnoběžně)

Makrostruktura je u nekovových materiálů obvykle spojována s vadami výrobků způsobenými

nedodržením optimálních podmínek zpracování. U plastů lze do makrostruktury zahrnout např. stopy

vyznačující směr a charakter toku taveniny do dutiny formy (tokové čáry), stopy po setkání dvou

proudů taveniny (studené spoje), bubliny vznikající odpařováním vlhkostí nebo nízkomolekulárních podílů při zpracování polymeru atd. Kompozity mohou nést makroskopické stopy degradačních

procesů v důsledku překročení optimální vytvrzovací teploty, viditelné mohou být nerovnoměrné

rozložení vyztužujících vláken, nedostatečné nasycení výztuže pryskyřicí (suchá místa) nebo

oddělování jednotlivých vrstev (delaminace). Na keramice mohou být patrný zejména póry větších

rozměrů a trhliny v důsledku nedodržení teplotního režimu při slinovacím procesu. U všech

nekovových materiálů, stejně jako u kovů, slouží makroskopické pozorování také k posouzení

přítomnosti hrubších vměstků všeho druhu.