1

MATERIÁLY II

Přednáší: prof. Ing. Petr Louda, CSc.

Doc. Ing. Dora Kroisová, Ph.D.

Dr. Ing. Daniel Šída

Ing. Daniela Odehnalová

2

Co nás čeká Oceli a litiny

Neželezné kovy a jejich slitiny

Plasty

Sklo a slinuté materiály

Keramika

Kompozity

Bionika

Nanomateriály

Povrchové úpravy

3

Doporučená literatura

PTÁČEK, L. a kol.: Nauka o materiálu II, Akademické nakladatelství CERM s.r.o., 2002

Řada dalších

4

OCELI

5

Rozdělení ocelí

Dělíme podle různých hledisek

Výrobní pochod – ocel martinská, ….

Stupeň dezoxidace – uklidněná, neuklidněná, polouklidněná

Způsob použití – k tváření, na odlitky

Účel použití – konstrukční, nástrojová

Stupeň legování – uhlíková, slitinová

6

Rozdělení ocelí Vhodnost k dalšímu zpracování – ocel cementační, nitridační, k zušlechťování, k hlubokému tažení ….

Podle typického druhu výrobku – pružinová ocel, oceli pro jadernou energetiku, oceli na transformátorové plechy ….

Alfanumerické označení podle norem

7

Ocel uklidněná

Přídavkem dezoxidovadla (Mn, Si, Al) se zamezí reakci rozpuštěného kyslíku s uhlíkem, při které vznikají bubliny CO

8

Ocel neuklidněná

Nepřidává se dezoxidační prvek, zůstane velký obsah rozpuštěného FeO. Při krystalizaci v kokile reaguje při ochlazování uhlík s rozpuštěným kyslíkem za vzniku CO a vzniká tzv. uhlíkový var. Bubliny CO z velké části unikají z oceli, zčásti ale zůstávají jako bubliny ve ztuhlém kovu.

9

Neuklidněná ocel

Neuklidněná ocel má dobrou jakost povrchu, dobrou svařitelnost, je vhodná pro výrobu svařovaných trub a tenkých plechů a pásů.

Nevýhodou je sklon ke stárnutí a silná segregace uhlíku i síry – nevhodná pro namáhané konstrukce

10

Polouklidněná ocel

Vzniká tehdy, když se uhlíkový var zastaví před ukončením reakce uhlíku s kyslíkem.

Lze to udělat např. zvýšením tlaku (mechanicky) nebo přídavkem silnějšího dezoxidovadla, případně obojím dohromady.

11

Další dělení ocelí Podle obsahu uhlíku:

nízkouhlíkové do 0,25 % C

středněuhlíkové 0,25 – 0,60 % C

vysokouhlíkové nad 0,60 %C

Podle způsobu použití:

Ocele k tváření

Na odlitky

12

Ocel na odlitky

Mají nižší plastické vlastnosti než oceli tvářené.

Mechanické vlastnosti oceli na odlitky závisejí na obsahu uhlíku.

13

Další dělení ocelí – Podle množství legur

Nízkolegované

do 5 %

Středně legované

5 – 10 %

Vysokolegované

nad 10 %

Nízkolegované

do 2,5 %

Středně legované

2,5 – 5 %

Výše legované

5 – 10 %

Vysokolegované

nad 10 %

Značení ocelí – dle ČSN Pětimístné značení – první dvě číslice – třída oceli

10 , 11 , 12 - uhlíkové

13 , 14 , 15 , 16 - konstrukční, nízko a středně legované

17 - vysokolegované

18 - prášková metalurgie

19 - nástrojové uhlíkové i legované

Další číslice - třetí a čtvrtá

třída 10 , 11 - střední pevnost v 0,1 MPa

14

Legující prvky ve třídách 13 až 16

Tř.13 Mn, Si

Tř.14 , Cr

Tř.15 , Mo, V

Tř.16 Ni

Obsah vyjádřen jednou platnou číslicí, tj. max.9 %

15

16

Další číslice – třída 12 – 16 třetí - součet obsahu legur čtvrtá – střední obsah uhlíku v desetinách % Čísla za tečkou první - stav po tepelném zpracování druhé - bližší určení ( např.lisován ) Příklady 12 060 C 0,6 % 14 230 Mn,Si,Cr 2 %; C 0,3%

ČSN EN NORMA EN 10020-88 odpovídá ČSN10020-94

DĚLÍ SE

-podle chemického složení

- podle vlastností a použití

POZNÁMKA

nezná konstrukční a nástrojové

podle složení se dělí na legované a nelegované

17

MEZNÍ OBSAHY PRVKŮ PRO NELEGOVANÉ v %

Al B Bi Co Cr Cu Mn Mo

0,1 0,001 0,1 0,1 0,3 0,4 0,65 0,08

18

Pb Se Si Te Ti V W Zr Nb

0,4 0,1 0,5 0,1 0,05 0,1 0,1 0,05 0,06

OZNAČENÍ PODLE POUŽITÍ A FYZIKÁLNÍCH VLASTNOSTÍ

1.místo 11 skupin např.

S ocelové konstrukce

P tlakové nádoby

L potrubí

E strojní součástky

B výztuž do betonu

R kolejnice

M,D válcované produkty

T plechy a pásy

M plechy a pásy pro elektrotechniku

19

OZNAČOVÁNÍ PODLE CHEMICKÉHO SLOŽENÍ

NELEGOVANÉ př. C35E

a) C

b) dvojčíslí 100x obsah C %

c) bližší použití

E maximální % S S pružiny

R předepsaný obsah S U pro nástroje

D určeno pro drát W svařovací drát

C pro tváření za studena J jiný charakter

20

21

LEGOVANÉ do 5% př. 28Mn6

a) dvojčíslí vyjadřující setiny C %

b) značka legujícího kovu, číslice, vyjadřující obsah

prvku násobený koeficientem

koeficient

4 Cr, Co,Mn,Ni,Si,W

10 Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ti, V, Zr, Ta

100 Ce,N,P,S

1000 B

LEGOVANÉ nad 5 % př. X5CrNi18-10

a) písmeno X

b) stonásobek C

c) značky leg. prvku

d) obsahy – číslo oddělené pomlčkou

22

23

RYCHLOŘEZNÉ př. HS 2-9-1-8 a) písmena HS b) obsahy prvků v pořadí W-Mo-V-Co Poznámka - čísla přiděluje registrační místo - existují převodní tabulky , CD

24

Superpevné oceli

Rozhodující je poměr meze kluzu a modulu pružnosti

Martenzitické vytvrditelné oceli –maraging oceli

Oceli s deformačně vyvolanou martenzitickou transformací –

TRIP oceli

TWIP oceli

25

Maraging oceli

Obsah uhlíku max. 0,03 %

Hlavní přísada Ni 12 až 20%

Další přísady Mo, Co, trochu Ti

Při ochlazení z austenitizační teploty vznikne nízkouhlíkový niklový martenzit s pevností cca 1000MPa, který je houževnatý a obrobitelný a svařitelný

Konečnou fází je precipitační vytvrzení při teplotě 450 až 550°C

26

TRIP, TWIP oceli (Transformation Inducted Plasticity, Twinning induced plasticity )

TRIP ocele jsou velmi plastické

Mají feriticko bainitickou strukturu, hlavní legury Cr 9-13%, Ni 8-9%, dále Mo,Mn, Si. Velmi nízký obsah uhlíku.Teplota Ms je po rozpouštěcím žíhání pod nulou.

Pro zvýšení Ms se intenzivně tváří a tím proběhne částečná martenzitická transformace – destičky martenzitu jsou překážkou v pohybu dislokací a brání i pohybu trhlinek, které případně mohou vzniknout. Dosahují pevnosti až 2000 MPa při tažnosti asi 80%

27

Struktura TRIP ocelí

Struktura TRIP a TWIP ocelí

28

Schéma struktury TRIP ocelí

http://www.sjf.tuke.sk/transferinovacii/pages/archiv/transfer/21-

2011/pdf/157-159.pdf

http://www.sjf.tuke.sk/transferinovacii/pages/archiv/transfer/12-

2008/pdf/136-139.pdf

http://www.sjf.tuke.sk/transferinovacii/pages/archiv/transfer/21-2011/pdf/157-159.pdfhttp://www.sjf.tuke.sk/transferinovacii/pages/archiv/transfer/21-2011/pdf/157-159.pdfhttp://www.sjf.tuke.sk/transferinovacii/pages/archiv/transfer/21-2011/pdf/157-159.pdfhttp://www.sjf.tuke.sk/transferinovacii/pages/archiv/transfer/21-2011/pdf/157-159.pdfhttp://www.sjf.tuke.sk/transferinovacii/pages/archiv/transfer/21-2011/pdf/157-159.pdf

29

TWIP ocele (twinning induced plasticity)

je skupina uhlíkových ocelí na bázi FeMnAlC (0,5–0,7 % C, 17–24 % Mn, 9 % Al) se zcela austenitickou strukturou při všech teplotách, ve které je základním deformačním mechanismem dvojčatění. Dají se používat k tváření za studena a to i

tvarově složitých výrobků jako třeba nádrží, pro kryotechniku, v chemickém průmyslu. Mají také vyšší možnosti absorpce energie. To se nabízí pro použití v automobilovém průmyslu při crashové bezpečnosti.

30

Nejlepší TRIP/TWIP oceli

31

Další moderní typy ocelí Oceli typu TRIPLEX jsou slitiny Fe-Mn-Al-Si-C, s obsahem 26 – 30% Mn a 8 – 12 % Al, uhlíku kolem 1 % a mají až o 15 % nižší hustotu - pod 7 g.cm–3, vysokou pevnost až 1.100 MPa, tažnost při lomu až 90 % a vynikající tvařitelnost za studena.

Skupina ocelí je určena především na lehké konstruování a tváření velkoplošných dílů s náročnou a komplexní geometrií pro automobily a dopravní techniku, stavební stroje a konstrukce. Použitelnost ocelí s vynikající plasticitou je i při nízkých teplotách do –100 °C. http://www.konstrukce.cz/clanek/cena-pro-inovace-v-ocelich-2009/

32

Superpevné oceli

Superpevné oceli oproti klasicky zušlechtěným mají vysoké hodnoty pevnosti při velmi dobrých plastických charakteristikách.

33

Ocel Hädfieldova

Prvky legující:

1,1-1,3% C,

12-13% Mn

Struktura: austenitická

Tvrdost: cca 500HB

Ocel odolná proti opotřebení

34

Korozivzdorné a žáruvzdorné oceli

Korozní odolnost - hlavní legury Cr, Ni (Cr nad 12%), austenitická struktura

Žáruvzdorné – vysoká odolnost proti oxidaci při teplotách nad 600°C

Ochranné vlastnosti mají oxidy Cr2O3 a to tím výraznější, čím ocel obsahuje více Cr ( 6 až 30 %)

Žáruvzdorné oceli

a) Feritické a martenzitické oceli s obsahem 8% Cr

b) Feriticko-martenzitické oceli s obsahem 18% Cr

c) Feriticko-karbidické oceli s obsahem 22–30% Cr

d) Chromniklové austenitické oceli

e) Plechy válcované za tepla ze žáruvzdorných ocelí

35

36

Chromové oceli

Podle struktury je dělíme na martenzitické poloferitické a feritické

Martenzitické – obsah Cr výrazně snižuje kritickou kalicí rychlost, jsou samokalitelné

Obsah Cr od 5 %

37

Cr oceli feritické

vysoký obsah Cr ( 20 až 27% +přísady)

není přeměna alfa – gama (nelze převést do austenitického stavu)

malá houževnatost a nízká pevnost, nelze používat na namáhané součástky

jsou odolné do teplot cca 1300°C, za provozu křehnou

Při obsahu C v tisícinách = superferity, které jsou žáruvzdorné i korozivzdorné

38

Cr oceli poloferitické

Je u nich možná částečná transformace alfa – gama

Obsahují 0,1 –0,4% C a 10 – 18 % Cr

Korozivzdornost lepší než u martenzitických

Houževnatost nízká jako u feritických

39

Struktura Cr ocelí Struktura chromových ocelí v závislosti na obsahu uhlíku a chrómu

Feritické ocele mají nejvyšší žáruvzdornost i korozní odolnost

40

Korozivzdorné ocele Legovány kombinací Cr – Ni

Mají austenitickou strukturu (jsou nemagnetické)

Základní typ ocel Cr-Ni 18/8 (17 241)

Zvýšený obsah niklu zajišťuje vyšší stabilitu austenitické struktury

V teplotním intervalu 500 - 800°C náchylné k interkrystalické korozi

41

Korozivzdorné ocele - pokračování

Koroze důsledkem rozpadu přesyceného austenitu, kdy se uhlík slučuje s Cr na karbidy a ty váží až 70%Cr

Proto se ocele 18/8 tepelně zpracovávají na teplotu asi 1100°C, kdy se rozpustí většina karbidů a rychle ochladí (zabrání se vyloučení karbidů)

Náchylnost ke korozi při zvýšené teplotě však trvá

42

Typické korozivzdorné oceli

DIN ČSN Označení Použití Pozn.

1.40

00

17

020 X 7 Cr13 příbory, kování nesvařitelná

1.43

00

17

240 X 12 CrNi 18 8

potravinářský

prům. vyšší obsah C

1.43

06

17

249 X 2 CrNi 18 9

potravinářství,

chemie kvalita ELC

1.44

35

17

350

X 2 CrNiMo 18

12

aparáty,

zásobníky

Mo zvyšuje chem.

odolnost

1.45

73

17

347

X 10 CrNiMoTi

18 12

aparáty,

zásobníky stabilizace Ti

43

Struktura korozivzdorných ocelí

Nahoře mezikrystalická koroze Cr-Ni oceli

Dole austenitická Cr-Ni ocel stabilizovaná Ti

Oba zvětšení 400 x

44

Mikrolegované oceli

Oceli se zvýšenou mezí kluzu

Přidané prvky nemění vlastnosti matrice, ale vedou k vylučování precipitátu – brzdí pohyb dislokací – zpevnění, ale snížení houževnatosti.

To lze kompenzovat zjemněním zrna, které vede k dalšímu zvýšení pevnosti

45

Mikrolegované oceli

Jemné zrno lze dosáhnout tepelně mechanickým zpracováním – tváření v oblasti teplot nad A3 a jeho dokončení pod teplotou rekrystalizace austenitu

Rekrystalizace je brzděna precipitátem mikrolegujících prvků, C a N.

K mikrolegování se používají prvky s vysokou afinitou k uhlíku a dusíku, zejména Ti, V, Nb, Zr

46

Mikrolegované oceli

Karbidy Nb a Ti a nitridy V se při teplotách 1200°C rozpouštějí v austenitu a při doválcování se z přesyceného TR opět vylučují. Nb nejvíce zvyšuje rekrystalizační teplotu

Mikrolegované oceli mají vyšší hodnoty pevnosti, ale zůstávají dobře svařitelné

CE pro tloušťky do 25 mm menší než 0,45 pro tlustší hodnoty klesají

47

High Strength Low Alloy Steels

HSLA Vysokopevné nízkolegované oceli (nebo mikrolegované) - HSLA

oceli pro:

- lepší mechanické vlastnosti

- a/nebo větší odolnost proti atmosférické korozi

než konvenční uhlíkové oceli.

- obsah uhlíku od 0,05 do 0,5% C http://www.ateam.ic.cz/hsla_prednaska.pdf

48

Obsah legur

Mangan až do 2,0% - v závislosti na požadavku adekvátní tvařitelnosti a

svařitelnosti

Dále v různých kombinacích malá množství Cr, Ni, Mo, Cu, N, V, Nb, Ti, Zr

v množství 0,01 – 0,1%

Z toho název mikrolegované oceli

- nejsou slitinovými ocelemi, třebaže jejich

vlastností je dosaženo přidáním malého

množství slitinových prvků.

http://www.ateam.ic.cz/hsla_prednaska.pdf

49

Zařazení HSLA ocelí

- klasifikovány jako oddělená kategorie ocelí podobná válcovaným (as-rolled) ocelím se zlepšenými mech.vlastnostmi - malé množství přísad a speciálním technologické postupy (řízené válcování, urychlené ochlazování).

Ceny HLSA ocelí- odvozovány od cen základních uhlíkových ocelí a nikoliv od cen slitinových ocelí. Nadto zaručené minimálními mech. vlastnosti a konkrétní obsah přísad.

Výrazná úspora nákladů

http://www.ateam.ic.cz/hsla_prednaska.pdf

50

Mikrolegované oceli mohou být válcované nebo kované. U válcovaných je podstatou řízené válcování. Řízené válcování

konvenční válcování – dokončovací teplota 900-1000°C

řízené válcování dokončovací teplota: 750-800°C

– nižší teplota

– rekrystalizace & růst zrna trvají déle

– končí s menší velikostí zrna gama

- transformace deformovaných zrn austenitu dává jemnější zrna feritu

51

Zpracování mikrolegovaných kovaných ocelí

Řídící silou při vývoji je snaha redukovat výrobní náklady.

U těchto materiálů to znamená užití zjednodušeného termomechanického zpracování – řízené ochlazování, které následuje po kování. Toto zpracování zajistí požadované vlastnosti bez odděleného kalení a žíhání, které vyžadují konvenční uhlíkové a legované oceli.

Technologické zpracování konvenčních (nahoře) a

mikrolegovaných ocelí (dole) http://www.ateam.ic.cz/hsla_prednaska.pdf

52

Oceli s BH efektem (Bake hardening)

Oceli se vyrábějí řízeným válcováním tak, aby C a N zůstaly po válcování rozpuštěny ve feritu. Plech pak má velmi dobrou tvářitelnost za studena

Během vypalování laku karoserie při teplotě 170°C dochází k precipitaci karbidů a nitridů a mez kluzu se zvýší (o 40 – 70 MPa)

53

Nástrojové oceli

Podle chemického složení se dělí na:

Nelegované (uhlíkové)

Legované – pro práci za studena

Legované – pro práci za tepla

Rychlořezné

54

Uhlíkové nástrojové oceli

Liší se obsahem uhlíku

Používají se pro výrobu ručního nářadí a nástrojů používaných v zemědělství

Obsah C 0,4 – 1,1 %, nízký obsah Mn (protože zvyšuje podíl ZA po kalení)

Kalí se a popouští na 160 až 280°C

Oceli s vyšším obsahem C (C80W a výš) se používají na pily na dřevo, nože, závitníky…

NMII

přednáška č. 1

55

Legované pro práci za studena

Mají vyšší prokalitelnost než uhlíkové, vyšší tvrdost (60 až 64 HRC)

Legovány Cr, W, Mo a V – součet zpravidla nepřesahuje 3 až 5%

Použití pro výrobu nástrojů ke tváření (kovadla, razidla, nože,..), formy na lisování plastů

Obvykle se kalí do oleje, popouští na 180°C

razidla

NMII

přednáška č. 1

56

Vysokolegované chrómové oceli

Obsahují 11 až 12%Cr a až přes 2%C

Kalí se z vysokých teplot (960°C) na primární, příp.(1030°C) na sekundární tvrdost – ta leží mezi 500 - 520 °C, proto lze tyto oceli nitridovat

Pro nástroje ke tváření za studena, na namáhané nástroje ke stříhání, válcování apod.

57

Vysokolegované chrómové oceli

Obsahují 11 až 12%Cr a až přes 2%C

Kalí se z vysokých teplot (960°C) na primární, příp.(1030°C) na sekundární tvrdost – ta leží mezi 500 - 520 °C, proto lze tyto oceli nitridovat

Pro nástroje ke tváření za studena, na namáhané nástroje ke stříhání,

válcování apod.

58

Legované pro práci za tepla

Požaduje se vysoká otěruvzdornost, odolnost proti deformaci, tepelné únavě a erozi za pracovních teplot

Nejčastěji 0,28 –0,60%C, do 5,5%Cr, do 3%Mo, do 1,1%V

Př.ocel X40CrMoV51 pro vstřikovací formy pro tlakové lití

59

Rychlořezné oceli

Vysoká odolnost proti poklesu tvrdosti až do teplot 550°C, vysoce legované

Typické složení – 0,75%C, 4%Cr, 18%W, 1%V - pro nejvyšší výkony do 12%Co

Kalení z teplot 1200 až 1280°C,

3x popouštět – tvrdost 60 až 66 HRC

60

Rychlořezné oceli Vysoká odolnost proti poklesu tvrdosti až do teplot 550°C, vysoce legované

Typické složení – 0,75%C, 4%Cr, 18%W, 1%V - pro nejvyšší výkony do 12%Co

Kalení z teplot 1200 až 1280°C,

3x popouštět – tvrdost 60 až 66 HRC

NMII

přednáška č. 1

61

Z různých podkladů zpracovala D. Odehnalová