1

NAUKA O MATERIÁLU II

Přednáší: prof.Ing.Petr Louda,CSc. Ing.Daniela Odehnalová

2

Co nás čekáOceliLitinyNeželezné kovy a jejich slitinyPlastySklo a keramikaKompozityZkouška z látky obou semestrů

3

Doporučená literaturaPTÁČEK, L. a kol.: Nauka o materiálu II, Akademické nakladatelství CERM s.r.o., 2002Řada dalších

4

OCELI

5

Rozdělení ocelíDělíme podle různých hledisekVýrobní pochod – ocel martinská, ….Stupeň dezoxidace – uklidněná, neuklidněná, polouklidněnáZpůsob použití – k tváření, na odlitkyÚčel použití – konstrukční, nástrojováStupeň legování – uhlíková, slitinová

6

Rozdělení ocelíVhodnost 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 neuklidněnáNepřidává 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 ocelNeuklidněná 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 ocelVzniká 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 % Cstředněuhlíkové 0,25 – 0,60 % Cvysokouhlíkové nad 0,60 %C

12

Další dělení ocelíNa odlitkyOcele k tváření

13

Ocel na odlitkyMají nižší plastické vlastnosti než oceli tvářené.

Mechanické vlastnosti oceli na odlitky závisejí na obsahu uhlíku.

14

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 legované5 – 10 %

Vysokolegované nad 10 %

15

Superpevné oceliRozhodující je poměr meze kluzu a modulu pružnostiMartenzitické vytvrditelné oceli –maraging oceliOceli s deformačně vyvolanou martenzitickou transformací – TRIP oceli

16

Maraging oceli

Obsah uhlíku max. 0,03 %Hlavní přísada Ni 12 až 20%Další přísady Mo, Co, trochu TiPři ochlazení z austenitizační teploty vznikne nízkouhlíkový niklový martenzit s pevností cca 1000MPa, který je houževnatý a obrobitelný a svařitelnýKonečnou fází je precipitační vytvrzení při teplotě 450 až 550°C

17

TRIP, TWIP oceli (Transformation Inducted Plasticity, Twinning induced

plasticity )

TRIP ocele jsou velmi plastickéMají 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. Dosahují pevnosti až 2000 MPa při tažnosti asi 80%

18

TWIP ocele(twinning induced plasticity)

je skupina uhlíkových ocelí na bázi FeMnAlC(0,5–0,7 % C, 17–24 % Mn, 9 % Al) se zcelaaustenitickou strukturou při všech teplotách,ve které je základním deformačnímmechanismem 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.

19

Další moderní typy ocelíoceli typu TRIPLEX, lehké oceli charakterizované až o 15 % nižší hustotou pod 7 g.cm–3, vysokou pevností až 1.100 MPa, tažností při lomu až 90 % a vynikající tvařitelností za studena. Skupina ocelí je určena k použití především na lehké konstruování a tváření velkoplošných dílů s náročnou a komplexní geometrií pro automobily a dopravní techniku, stavební stroje a konstrukce. Úspory hmotnosti dosahují až 30 % a použitelnost ocelí s vynikající plasticitou je i při nízkých teplotách do –100 °C. http://www.konstrukce.cz/clanek/cena-pro-inovace-v-ocelich-2009/

20

Korozivzdorné a žáruvzdorné oceli

Korozní odolnost - hlavní legury Cr, Ni (Cr nad 12%), austenitická strukturaŽáruvzdorné – vysoká odolnost proti oxidaci při teplotách nad 600°COchranné vlastnosti mají oxidy Cr2O3 a to tím výraznější, čím ocel obsahuje více Cr ( 6 až 30 %)

21

Chromové oceliPodle struktury je dělíme na martenzitické poloferitické a feritickéMartenzitické – obsah Cr výrazně snižuje kritickou kalicí rychlost, jsou samokalitelnéObsah Cr od 5 %

22

Cr oceli feritickévysoký 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 křehnouPři obsahu C v tisícinách = superferity, které jsou žáruvzdorné i korozivzdorné

23

Cr oceli poloferitickéJe u nich možná částečná transformace alfa – gamaObsahují 0,1 –0,4% C a 10 – 18 % CrKorozivzdornost lepší než u martenzitickýchHouževnatost nízká jako u feritických

24

Struktura Cr ocelíStruktura chromových ocelí v závislosti na obsahu uhlíku a chrómuFeritické ocele mají nejvyšší žáruvzdornost i korozní odolnost

25

Korozivzdorné oceleLegovány kombinací Cr – NiMají austenitickou strukturu (jsou nemagnetické)Základní typ ocel Cr-Ni 18/8 (17 241)Zvýšený obsah niklu zajišťuje vyšší stabilitu austenitické strukturyV teplotním intervalu 500 - 800°C náchylné k interkrystalické korozi

26

Korozivzdorné ocele - pokračování

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

27

Typické korozivzdorné oceli

DIN ČSN Označení Použití Pozn.

1.4000

17 020

X 7 Cr13 příbory, kování nesvařitelná

1.4300

17 240

X 12 CrNi 18 8 potravinářský prům.

vyšší obsah C

1.4306

17 249

X 2 CrNi 18 9 potravinářství, chemie

kvalita ELC

1.4435

17 350

X 2 CrNiMo 18 12

aparáty, zásobníky

Mo zvyšuje chem. odolnost

1.4573

17 347

X 10 CrNiMoTi 18 12

aparáty, zásobníky

stabilizace Ti

28

Struktura korozivzdorných ocelí

Nahoře mezikrystalická koroze Cr-Ni oceliDole austenitická Cr-Ni ocel stabilizovaná TiOba zvětšení 400 x

29

Mikrolegované oceliOceli se zvýšenou mezí kluzuPřidané 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

30

Mikrolegované oceliJemné zrno lze dosáhnout tepelně mechanickým zpracováním – tváření v oblasti teplot nad A3 a jeho dokončení pod teplotou rekrystalizace austenituRekrystalizace 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

31

Mikrolegované oceliKarbidy 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 teplotuMikrolegované oceli mají vyšší hodnoty pevnosti, ale zůstávají dobře svařitelnéCE pro tloušťky do 25 mm menší než 0,45 pro tlustší hodnoty klesají

32

Obsah legurMangan až do 2,0% - v závislosti na požadavku adekvátní tvařitelnosti a svařitelnostiDále v různých kombinacích malá množství Cr, Ni, Mo, Cu, N, V, Nb, Ti, Zrv množství 0,01 – 0,1%Z toho název mikrolegované oceli- nejsou slitinovými ocelemi, třebaže jejichvlastností je dosaženo přidáním malého množství slitinových prvků.

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

33

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

34

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

35

Nástrojové oceliPodle chemického složení se dělí na:

Nelegované (uhlíkové)Legované – pro práci za studenaLegované – pro práci za teplaRychlořezné

36

Uhlíkové nástrojové oceli

Liší se obsahem uhlíkuPoužívají se pro výrobu ručního nářadí a nástrojů používaných v zemědělstvíObsah C 0,4 – 1,1 %, nízký obsah Mn (protože zvyšuje podíl ZA po kalení)Kalí se a popouští na 160 až 280°COceli s vyšším obsahem C (C80W a výš) se používají na pily na dřevo, nože, závitníky…

37

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 plastůObvykle se kalí do oleje, popouští na 180°C

38

Vysokolegované chrómové oceli

Obsahují 11 až 12%Cr a až přes 2%CKalí se z vysokých teplot (960°C) na primární, příp.(1030°C) na sekundární tvrdost – ta leží mezi 500 - 520 °C, proto lze tyto oceli nitridovatPro nástroje ke tváření za studena, na namáhané nástroje ke stříhání, válcování apod.

39

Legované pro práci za tepla

Požaduje se vysoká otěruvzdornost, odolnost proti deformaci, tepelné únavě a erozi za pracovních teplotNejčastěji 0,28 –0,60%C, do 5,5%Cr, do 3%Mo, do 1,1%VPř.ocel X40CrMoV51 pro vstřikovací formy pro tlakové lití

40

Rychlořezné oceliVysoká odolnost proti poklesu tvrdosti až do teplot 550°C, vysoce legovanéTypické složení – 0,75%C, 4%Cr, 18%W, 1%V - pro nejvyšší výkony do 12%CoKalení z teplot 1200 až 1280°C, 3x popouštět – tvrdost 60 až 66 HRC