Fakulteta za strojništvo Katedra za materiale in preoblikovanje
Franc Zupanič Ivan Anžel
GRADIVA
Maribor
Univerza v Mariboru Fakulteta za strojništvo Franc Zupanič, Ivan Anžel
GRADIVA Visokošolski učbenik Fakulteta za strojništvo, Prva izdaja: 2007 Strokovna recenzenta: red. prof. dr. Savo Spaić, Naravoslovnotehniška fakulteta, Ljubljana red. prof. dr. Andrej Paulin, Naravoslovnotehniška fakulteta, Ljubljana Strokovno lektoriranje: red. prof. dr. Andrej Paulin, Naravoslovnotehniška fakulteta, Ljubljana Založila:
Fakulteta za strojništvo Maribor Smetanova 17, 2000 Maribor
Natisnila: Tiskarna tehniških fakultet Maribor Naklada: 250
izvodov
© Fakulteta za strojništvo, Maribor in avtorja Vse pravice pridržane. Noben del te knjige ne sme biti reproduciran, shranjen ali prepisan v kateri koli obliki ali na kateri koli način, bodisi elektronsko, mehansko, s fotokopiranjem, snemanjem ali kako drugače, brez predhodnega dovoljenja lastnikov avtorskih pravic. Avtorjeva naslova: izr. prof. dr. Franc Zupanič
izr. prof. dr. Ivan Anžel
Fakulteta za strojništvo
Fakulteta za strojništvo
Smetanova 17
Smetanova 17
2000 Maribor
2000 Maribor
[email protected]
[email protected]
CIP: Kataložni zapis o publikaciji Univerzitetna knjižnica Maribor
620.1/.2(075.8) Gradiva/ Franc Zupanič, Ivan Anžel. – 1. izd. – Maribor: Fakulteta za strojništvo, 2007 ISBN 978 – 961 – 248 – 006 – 6
1. Anžel, Ivan COBISS.SI – ID 58197505
III
Predgovor Prav vsak izmed nas se srečuje z gradivi na vseh področjih svojega delovanja. Tako so gradiva (materiali) tudi izredno pomemben sestavni del strojništva, saj so glavni produkti strojne industrije naprave, stroji in konstrukcije narejeni iz gradiv. Še več, mnogi od teh so postali učinkovitejši, varčnejši ali celo uresničljivi šele ob izboljšanju starih in razvoju novih materialov. Na današnji stopnji tehnike in znanosti temelji nadaljnji razvoj gradiv na poznavanju zgradbe gradiv (od atomskega nivoja, preko mikrostruktur do makroskopskega nivoja – velikosti strojnih in konstrukcijskih delov). Lastnosti gradiv namreč izvirajo iz njihove zgradbe. S primerno izbiro kemijske sestave gradiv in ustreznim tehnološkim postopkom izdelave lahko dosežemo načrtovano zgradbo gradiv in s tem tudi želene lastnosti. V svetu in tudi pri nas je kar nekaj študijske literature, ki pokriva večino snovi, ki je tukaj obravnavana. Toda dosedanje izkušnje so pokazale, da dosegajo študentje precej boljše rezultate, če imajo na razpolago literaturo, ki jih na njim dostopen način uvaja v določeno problematiko. Zato smo že leta 2005 izdali knjigo Gradiva – zapiski predavanj, ki je bila po najinih informacijah dobro sprejeta med študenti. Ta učbenik je nadgradnja zapiskov predavanj, dodanih je nekaj novih poglavij ter slovarček strokovnih besed. Največji poudarek je dan zgradbi materialov, kajti kot je že napisano zgoraj, lastnosti gradiv neposredno izvirajo iz zgradbe materialov. Pri ostalih temah je snov le uvod tematiko, ki jo podrobneje obravnavamo pri predmetih v višjih letnikih študija (npr. Preoblikovanje gradiv, Toplotna obdelava orodij, Tehnično-tehnološke lastnosti gradiv, Tehnologija oblikovanja kovin, itd...). Ta učbenik dopolnjuje študijska literatura GRADIVA – Zbirka nalog in tabel, kjer so primeri uporabe snovi iz te študijske literature in ki je potrebna pri teoretičnih in laboratorijskih vajah. Čeprav ta knjiga pokriva celotno snov, ki jo obravnava predmet GRADIVA, pa za pozitivno oceno nikakor ni dovolj, da se študent snov nauči na pamet. Cilj pri izvajanju predmeta je, da študenta vzpodbudimo k globinskemu pristopu k učenju, to pomeni, da si pridobi sposobnost za samostojno analizo slik in diagramov, da povezuje obravnavano temo z drugimi temami v tej knjigi ter da si zna razložiti lastnosti gradiv, s katerimi pride v stik, na osnovi znanja, ki si ga pridobi pri predmetu GRADIVA. Na tem mestu bi se rada zahvalila vsem, ki so pripomogli k nastanku tega študijskega gradiva. Posebna zahvala gre predvsem prof. dr. Savu Spaiću z Naravoslovnotehniške fakultete za strokovno recenzijo ter prof. dr. Andreju Paulinu z Naravoslovnotehniške fakultete za strokovno recenzijo in strokovno lektoriranje, ki sta svojo nalogo opravila v zelo kratkem času, vendar zares temeljito. Pri razpravah z njima sva se tudi sama še marsikaj naučila, predvsem pa ima zaradi tega ta učbenik več pravilnih slovenskih strokovnih izrazov, kot bi jih imel sicer. Zahvalila bi se tudi članom najinih družin za podporo in potrpežljivost, ki sva ju občutila tudi v času, ko sva imela za njih manj časa.
Maribor, februar 2007
AVTORJA: Franc Zupanič Ivan Anžel
IV Avtor slike na platnici: Ivan
Sevčnikar – Vanč.
Originalna slika je na steni Laboratorija za raziskavo materialov Fakultete za strojništvo, Maribor
V
Kazalo Predgovor ..............................................................................................................................................................................................................III Kazalo......................................................................................................................................................................................................................V 1 Uvod ............................................................................................................................................................................................................... 1 1.1 Razmisli, odgovori, reši .................................................................................................................................................................... 3 1.2 Dodatna literatura k temu poglavju ............................................................................................................................................... 3 2 Zgradba atoma in kemijske vezi ................................................................................................................................................................... 4 2.1 Zgradba atoma .................................................................................................................................................................................. 4 2.1.1 2.2
Definicija osnovnih pojmov v zvezi z zgradbo atomov.......................................................................................................... 4 Elektronska zgradba atomov........................................................................................................................................................... 6
2.2.1
Bohrov model .......................................................................................................................................................................... 6
2.2.2
Heisenbergovo načelo nedoločljivosti..................................................................................................................................... 7
2.2.3
Kvantna števila ........................................................................................................................................................................ 7
2.2.4
Energija elektronov, ionizacijska energija, elektronska afiniteta ........................................................................................... 8
2.2.5
Polnjenje orbital z elektroni..................................................................................................................................................... 9
2.2.6
Vzbujanje in relaksacija atomov ........................................................................................................................................... 11 Povezava periodnega sistema elementov in elektronske zgradbe atomov................................................................................ 11 Kemijske vezi................................................................................................................................................................................... 12
2.3 2.4 2.4.1
Ravnovesna lega atomov ....................................................................................................................................................... 12
2.4.2
Elektronegativnost ................................................................................................................................................................. 14
2.4.3
Molekulske ali van der Waalsove vezi.................................................................................................................................. 14
2.4.4
Ionska vez .............................................................................................................................................................................. 15
2.4.5
Kovalentna vez ...................................................................................................................................................................... 15
2.4.6
Kovinska vez.......................................................................................................................................................................... 17
Dejanske vezi med atomi – značaj vezi................................................................................................................................. 17 2.5 Razmisli, odgovori, reši .................................................................................................................................................................. 18 2.6 Dodatna literatura k poglavju ....................................................................................................................................................... 18 3 Razporeditev atomov v trdnih snoveh ........................................................................................................................................................ 19 3.1 Razdelitev trdnih snovi glede na urejenost in njihove značilnosti............................................................................................. 19 3.2 Simetrija in kristalni sistemi.......................................................................................................................................................... 21 3.3 Označevanje leg atomov, kristalnih smeri in ravnin .................................................................................................................. 23 3.4 Teoretična gostota snovi................................................................................................................................................................. 25 3.5 Kovinski kristali .............................................................................................................................................................................. 25 2.4.7
3.5.1
Najgostejši zlog...................................................................................................................................................................... 25
3.5.2
Ploskovno centrirana kubična kristalna zgradba (PCK) ....................................................................................................... 26
3.5.3
Heksagonalna gosto zložena kristalna zgradba (HGZ) ......................................................................................................... 28
3.5.4
Telesno ali prostorsko centrirana kubična kristalna zgradba (TCK) .................................................................................... 28 3.6 Ionski kristali................................................................................................................................................................................... 29 3.7 Kovalentni kristali .......................................................................................................................................................................... 30 3.8 Polimerni kristali ............................................................................................................................................................................ 31 3.9 Razmisli, odgovori, reši .................................................................................................................................................................. 32 3.10 Dodatna literatura k poglavju ................................................................................................................................................. 32 Realna zgradba gradiv ................................................................................................................................................................................ 33 4 4.1 Uvod.................................................................................................................................................................................................. 33 4.2 Točkaste napake.............................................................................................................................................................................. 33 4.3 Črtne (linijske) napake – dislokacije ............................................................................................................................................ 36 4.3.1
Robne in vijačne dislokacije.................................................................................................................................................. 36
4.3.2
Premikanje dislokacij............................................................................................................................................................. 38
4.3.3
Plezanje robne in prečno drsenje vijačne dislokacije............................................................................................................ 39
4.3.4
Sile med dislokacijami........................................................................................................................................................... 40
4.3.5
Združevanje in cepitev dislokacij.......................................................................................................................................... 41
4.3.6
Dislokacijsko ali deformacijsko utrjanje............................................................................................................................... 42 Ploskovne napake............................................................................................................................................................................ 43
4.4.1
Kristalne meje ........................................................................................................................................................................ 43
4.4 4.4.2
Malokotna meja ..................................................................................................................................................................... 45
4.4.3
Dvojčična meja ...................................................................................................................................................................... 45
4.4.4 Fazne meje ............................................................................................................................................................................. 45 4.5 Prostorske napake........................................................................................................................................................................... 46 4.6 Razmisli, odgovori, reši .................................................................................................................................................................. 48 4.7 Dodatna literatura k temu poglavju ............................................................................................................................................. 48 5 Mikrostruktura gradiv ................................................................................................................................................................................ 49 5.1 Definicija mikrostrukture .............................................................................................................................................................. 49 5.2 Vrste faz ........................................................................................................................................................................................... 50 5.3 Vrste mikrostruktur ....................................................................................................................................................................... 50
VI 5.3.1
Enofazna mikrostruktura........................................................................................................................................................ 50
5.3.2
Dvofazna mikrostruktura ....................................................................................................................................................... 51 Osnovne materialografske raziskovalne metode ......................................................................................................................... 52
5.4 5.4.1
Svetlobna mikroskopija (SM) ................................................................................................................................................ 52
5.4.2
Vrstični elektronski mikroskop (SEM).................................................................................................................................. 54
5.4.3
Presevna (transmisijska) elektronska mikroskopija TEM ..................................................................................................... 56
5.4.4
Mikrokemijska analiza ........................................................................................................................................................... 56
5.4.5 Rentgenska difrakcija............................................................................................................................................................. 58 5.5 Pomisli, odgovori, reši..................................................................................................................................................................... 59 5.6 Dodatna literatura k temu poglavju.............................................................................................................................................. 60 6 Difuzija ......................................................................................................................................................................................................... 61 6.1 Uvod .................................................................................................................................................................................................. 61 6.2 Makroskopski opis difuzije ............................................................................................................................................................ 61 6.2.1
Stacionarna difuzija................................................................................................................................................................ 61
6.2.2
Nestacionarna difuzija............................................................................................................................................................ 62 Mehanizem difuzije ......................................................................................................................................................................... 62
6.3.1
Intersticijska difuzija .............................................................................................................................................................. 62
6.3 6.3.2
Substitucijska difuzija ............................................................................................................................................................ 63 6.4 Difuzija po kristalnih napakah ...................................................................................................................................................... 64 6.5 Razmisli, odgovori, reši................................................................................................................................................................... 64 6.6 Dodatna literatura k temu poglavju.............................................................................................................................................. 65 7 Osnove termodinamike materialov ............................................................................................................................................................. 66 7.1 Uvod .................................................................................................................................................................................................. 66 7.2 Osnovni termodinamski zakoni ..................................................................................................................................................... 66 7.2.1
0. zakon termodinamike ......................................................................................................................................................... 66
7.2.2
1. zakon termodinamike ......................................................................................................................................................... 66
7.2.3
2. zakon termodinamike ......................................................................................................................................................... 67
7.2.4
3. zakon termodinamike (Nernstovo pravilo) ........................................................................................................................ 67 Termodinamsko ravnotežje............................................................................................................................................................ 67 Funkcije stanja ................................................................................................................................................................................ 67
7.4.1
Specifična toplota cp ............................................................................................................................................................... 67
7.4.2
Entalpija H.............................................................................................................................................................................. 68
7.4.3
Entropija S.............................................................................................................................................................................. 68
7.4.4
Gibbsova prosta energija G.................................................................................................................................................... 68 Sprememba funkcij stanja G, S in H med faznimi prehodi in kemijskimi reakcijami ........................................................... 68 Fazna ravnotežja v enokomponentnih sistemih........................................................................................................................... 69
7.3 7.4
7.5 7.6 7.6.1
Diagram prosta energija G – temperatura T .......................................................................................................................... 69
7.6.2
Diagram tlak p – temperatura T ............................................................................................................................................. 70 Termodinamika raztopin................................................................................................................................................................ 71
7.7.1
Idealne raztopine .................................................................................................................................................................... 72
7.7 7.7.2
Realne raztopine..................................................................................................................................................................... 72 7.8 Fazna ravnotežja v dvokomponentnih sistemih........................................................................................................................... 72 7.9 Razmisli, odgovori, reši................................................................................................................................................................... 74 7.10 Dodatna literatura k temu poglavju ........................................................................................................................................ 74 8 Binarni fazni diagrami ................................................................................................................................................................................ 75 8.1 Uvod .................................................................................................................................................................................................. 75 8.2 Fazni diagram s popolno topnostjo v tekočem in trdnem stanju ............................................................................................... 75 8.2.1
Uporaba Gibbsovega faznega pravila .................................................................................................................................... 75
8.2.2
Termična analiza .................................................................................................................................................................... 76
8.2.3
Ravnotežno in neravnotežno strjevanje zlitin ........................................................................................................................ 76 Strjevanje enofaznih zlitin.............................................................................................................................................................. 77
8.3 8.3.1
Usmerjeno strjevanje.............................................................................................................................................................. 78
8.3.2
Enakoosno strjevanje ............................................................................................................................................................. 80
8.3.3
Makrostruktura ulitkov........................................................................................................................................................... 81 Evtektični fazni diagram ................................................................................................................................................................ 81
8.4.1
Termična analiza .................................................................................................................................................................... 82 Strjevanje evtektičnih zlitin ........................................................................................................................................................... 83
8.4 8.5
8.5.1 Rast normalnega evtektika ..................................................................................................................................................... 83 8.6 Peritektični fazni diagram.............................................................................................................................................................. 84 8.7 Monotektični sistem ........................................................................................................................................................................ 85 8.8 Fazni diagrami z vmesno spojino .................................................................................................................................................. 86 8.9 Razmešanje v trdnem stanju.......................................................................................................................................................... 86 8.10 Urejanje v trdnem stanju.......................................................................................................................................................... 86 8.11 Fazni diagrami, v katerih imajo komponente dve ali več alotropskih modifikacij ............................................................ 87 8.12 Razmisli, odgovori, reši ............................................................................................................................................................. 88 8.13 Dodatna literatura k temu poglavju ........................................................................................................................................ 88 9 Osnove o faznih premenah.......................................................................................................................................................................... 89 9.1 Uvod .................................................................................................................................................................................................. 89 9.2 Fazni prehod iz tekočega v trdno stanje ....................................................................................................................................... 89
VII 9.2.1
Homogena nukleacija ............................................................................................................................................................ 90
9.2.2
Heterogena nukleacija ........................................................................................................................................................... 92 Nukleacija v trdnem ....................................................................................................................................................................... 93 Rast nove faze.................................................................................................................................................................................. 93
9.3 9.4 9.4.1
Prepletenost nukleacije in rasti .............................................................................................................................................. 93
9.4.2
Rast z difuzijo kratkega in dolgega dosega ........................................................................................................................... 94 Premenski diagrami........................................................................................................................................................................ 95
9.5.1
Izotermni premenski diagrami............................................................................................................................................... 95
9.5 9.5.2
Kontinuirni premenski diagrami............................................................................................................................................ 96 Brezdifuzijske (martenzitne) premene ......................................................................................................................................... 96 Odgovori, razmisli, reši .................................................................................................................................................................. 97 Dodatna literatura k temu poglavju ............................................................................................................................................. 98 10 Mehansko obnašanje materialov .......................................................................................................................................................... 99 10.1 Uvod ............................................................................................................................................................................................ 99 10.2 Napetostno stanje ...................................................................................................................................................................... 99 9.6 9.7 9.8
10.2.1
Enoosno napetostno stanje..................................................................................................................................................... 99
10.2.2
Dvoosno napetostno stanje .................................................................................................................................................... 99
10.2.3 10.3
Triosno napetostno stanje .................................................................................................................................................... 101 Deformacijsko stanje............................................................................................................................................................... 101
10.3.1
Elastična deformacija........................................................................................................................................................... 102
10.3.2
Plastična deformacija........................................................................................................................................................... 105
10.3.3
Oblike krivulj napetost-raztezek.......................................................................................................................................... 106
10.3.4
Plastična deformacija kovin................................................................................................................................................. 107
10.3.5
Plastična deformacija termoplastov (plastomerov) ............................................................................................................. 111
10.3.6 10.4
Krivulje tečenja.................................................................................................................................................................... 112 Lom ........................................................................................................................................................................................... 112
10.4.1 Vrste lomov.......................................................................................................................................................................... 113 10.5 Lom ali plastična deformacija ............................................................................................................................................... 114 10.6 Razmisli, odgovori, reši........................................................................................................................................................... 116 10.7 Dodatna literatura k temu poglavju...................................................................................................................................... 116 11 Mehanski preskusi............................................................................................................................................................................... 117 11.1 Natezni preskus ....................................................................................................................................................................... 117 11.2 Udarni preskus ........................................................................................................................................................................ 121 11.2.1
Charpyjev udarni preskus .................................................................................................................................................... 121
11.2.2 11.3
Prehodna temperatura žilavosti ........................................................................................................................................... 122 Utrujanje materiala................................................................................................................................................................. 122
11.3.1
Smithov diagram.................................................................................................................................................................. 123
11.3.2 11.4
Utrujenostni lom .................................................................................................................................................................. 123 Lezenje materiala .................................................................................................................................................................... 124
11.4.1
Vrste lomov pri lezenju ....................................................................................................................................................... 125
11.4.2 11.5
Materiali odporni proti lezenju ............................................................................................................................................ 125 Mehanika loma ........................................................................................................................................................................ 125
11.5.1 11.6
Ugotavljanje lomne žilavosti KIC......................................................................................................................................... 126 Merjenje trdote........................................................................................................................................................................ 127
11.6.1
Merjenje trdote po Brinellu in Vickersu.............................................................................................................................. 127
11.6.2
Merjenje trdote po Rockwellu ............................................................................................................................................. 128
11.6.3 Merjenje trdote po Shoreju .................................................................................................................................................. 129 11.7 Razmisli, odgovori, reši........................................................................................................................................................... 129 11.8 Dodatna literatura k poglavju ............................................................................................................................................... 130 12 Neporušitvene preiskave...................................................................................................................................................................... 131 12.1 Uvod .......................................................................................................................................................................................... 131 12.2 Preiskava z ultrazvokom ........................................................................................................................................................ 131 12.3 Preiskava z rentgenskimi žarki in žarki gama ..................................................................................................................... 132 12.4 Nevtronska defektoskopija..................................................................................................................................................... 133 12.5 Metode za ugotavljanje napak ob površini........................................................................................................................... 133 12.5.1
Magnetna metoda................................................................................................................................................................. 133
12.5.2 Preiskava s tekočino ............................................................................................................................................................ 134 12.6 Razmisli, odgovori, reši........................................................................................................................................................... 134 12.7 Dodatna literatura k poglavju ............................................................................................................................................... 134 13 Litje....................................................................................................................................................................................................... 135 13.1 Uvod .......................................................................................................................................................................................... 135 13.2 Delitev postopkov litja ............................................................................................................................................................ 135 13.2.1
Litje v enkratne forme ......................................................................................................................................................... 135
13.2.2 Litje v trajne forme .............................................................................................................................................................. 136 13.3 Razmisli, odgovori, reši........................................................................................................................................................... 138 13.4 Dodatna literatura k poglavju ............................................................................................................................................... 138 14 Preoblikovanje ..................................................................................................................................................................................... 139 14.1 Uvod .......................................................................................................................................................................................... 139 14.2 Osnovni postopki plastičnega preoblikovanja ..................................................................................................................... 140
VIII 14.2.1
Valjanje ................................................................................................................................................................................140
14.2.2
Kovanje ................................................................................................................................................................................141
14.2.3
Iztiskanje ali ekstruzija.........................................................................................................................................................141
14.2.4
Vlečenje žice in profilov ......................................................................................................................................................141
14.2.5 Natezno preoblikovanje .......................................................................................................................................................142 14.3 Razmisli, odgovori, reši ...........................................................................................................................................................143 14.4 Dodatna literatura k poglavju ................................................................................................................................................143 15 Izdelava gradiv iz prahov .....................................................................................................................................................................144 15.1 Uvod ..........................................................................................................................................................................................144 15.2 Izdelava prahov........................................................................................................................................................................144 15.2.1
Redukcija v trdnem stanju....................................................................................................................................................144
15.2.2 15.3 15.4
Atomizacija (razprševanje taline) ........................................................................................................................................144 Značilnosti prahov ...................................................................................................................................................................145 Izdelava sintranih delov ..........................................................................................................................................................145
15.4.1
Mešanje ................................................................................................................................................................................145
15.4.2 15.5
Stiskanje ...............................................................................................................................................................................145 Sintranje....................................................................................................................................................................................146
15.5.1
Spremembe mer med sintranjem..........................................................................................................................................147
15.5.2
Gonilna sila sintranja............................................................................................................................................................148
15.5.3 Model sintranja.....................................................................................................................................................................148 15.6 Operacije po sintranju ............................................................................................................................................................149 15.7 Razmisli, odgovori, reši ...........................................................................................................................................................150 15.8 Dodatna literatura k temu poglavju ......................................................................................................................................150 16 Obdelava površin..................................................................................................................................................................................151 16.1 Nanašanje prevlek in modifikacija površin ..........................................................................................................................151 16.2 Nanašanje prevlek z naparjanjem .........................................................................................................................................151 16.2.1
Kemijsko naparjanje (CVD – Chemical Vapour Deposition) .............................................................................................151
16.2.2 16.3 16.4
Fizikalno naparjanje (PVD – Physical Vapour Deposition)................................................................................................152 Nanašanje prevlek z obstreljevanjem z delci ........................................................................................................................153 Spreminjanje (modificiranje) površine z visokoenergijskimi curki...................................................................................153
16.4.1
Ionska implantacija ..............................................................................................................................................................153
16.4.2 Obdelava z laserjem .............................................................................................................................................................154 16.5 Razmisli, odgovori, reši ...........................................................................................................................................................155 16.6 Dodatna literatura k temu poglavju ......................................................................................................................................155 17 Osnovne toplotne obdelave kovin........................................................................................................................................................156 17.1 Uvod ..........................................................................................................................................................................................156 17.2 Homogenizacijsko ali difuzijsko žarjenje..............................................................................................................................156 17.3 Napetostno žarjenje .................................................................................................................................................................157 17.3.1
Nastanek notranjih napetosti................................................................................................................................................157
17.3.2
Vrste notranjih napetosti ......................................................................................................................................................158
17.3.3 17.4 17.5
Odpravljanje notranjih napetosti..........................................................................................................................................159 Rekristalizacijsko žarjenje......................................................................................................................................................159 Izločevalno utrjanje .................................................................................................................................................................161
17.5.1
Topilno žarjenje....................................................................................................................................................................162
17.5.2
Gašenje .................................................................................................................................................................................162
17.5.3
Staranje .................................................................................................................................................................................163
17.5.4
Utrjanje z izločki ..................................................................................................................................................................164
17.5.5
Kinetika izločanja.................................................................................................................................................................165
17.5.6 Vpliv stanja zlitine na krivulje tečenja.................................................................................................................................165 17.6 Razmisli, odgovori, reši ...........................................................................................................................................................166 17.7 Dodatna literatura k poglavju ................................................................................................................................................167 18 Toplotna obdelava jekel .......................................................................................................................................................................168 18.1 Uvod ..........................................................................................................................................................................................168 18.2 Fazna diagrama Fe-Fe3C (železo – cementit) in Fe-C (železo – grafit) ..............................................................................168 18.3 Mikrostrukturne sestavine v jeklih........................................................................................................................................170 18.3.1
Mikrostrukturne sestavine v Fe-kotu faznega diagrama Fe-Fe3C ......................................................................................170
18.3.2
Mikrostrukturne sestavine v izotermnih in kontinuirnih premenskih diagramih ................................................................170
18.3.3
Predevtektoidni ferit.............................................................................................................................................................172
18.3.4
Perlit .....................................................................................................................................................................................173
18.3.5
Sekundarni cementit.............................................................................................................................................................174
18.3.6
Terciarni cementit ................................................................................................................................................................174
18.3.7
Bainit ....................................................................................................................................................................................174
18.3.8 18.4
Martenzit ..............................................................................................................................................................................175 Vrste toplotnih obdelav ...........................................................................................................................................................176
18.4.1
Segrevanje jekla ...................................................................................................................................................................176
18.4.2
Difuzijsko ali homogenizacijsko žarjenje (homogenizacija)..............................................................................................177
18.4.3
Žarjenje za odpravo notranjih napetosti...............................................................................................................................177
IX 18.4.4
Rekristalizacijsko žarjenje ................................................................................................................................................... 177
18.4.5
Avstenitizacija ..................................................................................................................................................................... 177
18.4.6
Žarjenje na grobo zrno......................................................................................................................................................... 178
18.4.7
Normaliziranje ..................................................................................................................................................................... 178
18.4.8
Izotermno žarjenje ............................................................................................................................................................... 179
18.4.9
Kaljenje ................................................................................................................................................................................ 179
18.4.10
Kaljivost jekel ................................................................................................................................................................ 180
18.4.11
Popuščanje jekla............................................................................................................................................................. 182
18.4.12
Mehko žarjenje............................................................................................................................................................... 183
18.4.13
Termokemična obdelava jekla ....................................................................................................................................... 184
18.4.14 Difuzijsko metaliziranje ................................................................................................................................................. 185 18.5 Razmisli, odgovori, reši........................................................................................................................................................... 186 18.6 Dodatna literatura k poglavju ............................................................................................................................................... 186 19 Neželezne kovine.................................................................................................................................................................................. 188 19.1 Uvod .......................................................................................................................................................................................... 188 19.2 Aluminij in njegove zlitine...................................................................................................................................................... 188 19.3 Magnezij in magnezijeve zlitine............................................................................................................................................. 191 19.4 Baker in bakrove zlitine.......................................................................................................................................................... 194 19.5 Titan in titanove zlitine ........................................................................................................................................................... 196 19.6 Nikelj in nikljeve zlitine .......................................................................................................................................................... 198 19.7 Pomisli, odgovori, reši............................................................................................................................................................. 199 19.8 Dodatna literatura k temu poglavju...................................................................................................................................... 199 20 Jeklo in železove litine ......................................................................................................................................................................... 200 20.1 Uvod .......................................................................................................................................................................................... 200 20.2 Legirana jekla in litine............................................................................................................................................................ 200 20.3 Konstrukcijska in orodna jekla ............................................................................................................................................. 202 20.4 Železove litine .......................................................................................................................................................................... 202 20.4.1
Bela litina ............................................................................................................................................................................. 203
20.4.2
Sive litine ............................................................................................................................................................................. 203
20.4.3 Temprani litini ..................................................................................................................................................................... 204 20.5 Mehanske lastnosti jekel in železovih litin............................................................................................................................ 205 20.6 Razmisli, odgovori, reši........................................................................................................................................................... 205 20.7 Dodatna literatura k poglavju ............................................................................................................................................... 206 21 Korozija ................................................................................................................................................................................................ 207 21.1 Uvod .......................................................................................................................................................................................... 207 21.2 Korozija v plinih...................................................................................................................................................................... 207 21.3 Korozija v vodnih raztopinah ................................................................................................................................................ 208 21.3.1
Elektrokemijska korozija ..................................................................................................................................................... 209
21.3.2
Vzroki za nastanek galvanskih členov ................................................................................................................................ 210
21.3.3
Pasivacija kovin ................................................................................................................................................................... 210
21.3.4 21.4
Diagram potencial - pH ....................................................................................................................................................... 211 Oblike korozije ........................................................................................................................................................................ 211
21.4.1
Navadna ali splošna korozija............................................................................................................................................... 211
21.4.2
Lokalna korozija .................................................................................................................................................................. 211
21.4.3
Interkristalna korozija.......................................................................................................................................................... 212
21.4.4
Selektivno raztapljanje......................................................................................................................................................... 213
21.4.5
Erozivna korozija................................................................................................................................................................. 213
21.4.6
Korozijsko utrujanje ............................................................................................................................................................ 213
21.4.7
Napetostno korozijsko pokanje ........................................................................................................................................... 214
21.4.8 21.5
Vodikova krhkost................................................................................................................................................................. 214 Korozijsko preskušanje .......................................................................................................................................................... 214
21.5.1
Preskušanje v korozijskih komorah..................................................................................................................................... 214
21.5.2
Preskušanje z omakanjem.................................................................................................................................................... 214
21.5.3 21.6
Ocenjevanje napetostnega korozijskega pokanja................................................................................................................ 214 Korozijska zaščita ................................................................................................................................................................... 215
21.6.1
Anodna zaščita..................................................................................................................................................................... 215
21.6.2 Katodna zaščita .................................................................................................................................................................... 215 21.7 Pomisli, odgovori, reši............................................................................................................................................................. 215 21.8 Dodatna literatura k poglavju ............................................................................................................................................... 216 22 Keramična gradiva .............................................................................................................................................................................. 217 22.1 Uvod .......................................................................................................................................................................................... 217 22.2 Zgradba keramike................................................................................................................................................................... 218 22.2.1
Kemijske vezi med atomi .................................................................................................................................................... 218
22.2.2
Kristalna zgradba keramike s prevladujočim ionskim značajem kemijske vezi................................................................. 218
22.2.3
Kristalna zgradba značilnih predstavnikov ionske keramike.............................................................................................. 219
22.2.4 22.3
Kristalna zgradba keramike s prevladujočim kovalentnim značajem kemijske vezi ......................................................... 220 Lastnosti keramike.................................................................................................................................................................. 221
X 22.3.1
Krhkost keramike .................................................................................................................................................................221
22.3.2
Diagram σ−ε keramičnih gradiv ..........................................................................................................................................221
22.3.3 Vpliv poroznosti na lastnosti keramike................................................................................................................................222 22.4 Sintranje keramike ..................................................................................................................................................................223 22.5 Anorganska stekla ...................................................................................................................................................................225 22.6 Razmisli, odgovori, reši ...........................................................................................................................................................226 22.7 Dodatna literatura k temu poglavju ......................................................................................................................................227 23 Polimerna gradiva................................................................................................................................................................................228 23.1 Uvod ..........................................................................................................................................................................................228 23.2 Nastanek polimernih verig......................................................................................................................................................229 23.3 Zgradba polimernih gradiv ....................................................................................................................................................230 23.4 Mehanske lastnosti polimernih gradiv ..................................................................................................................................233 23.5 Oblikovanje polimernih gradiv ..............................................................................................................................................235 23.6 Dodatna literatura k temu poglavju ......................................................................................................................................236 23.7 Razmisli, odgovori, reši ...........................................................................................................................................................236 23.8 Dodatna literatura k temu poglavju ......................................................................................................................................237 24 Kompozitna gradiva .............................................................................................................................................................................238 24.1 Uvod ..........................................................................................................................................................................................238 24.2 Zgradba kompozitov ...............................................................................................................................................................239 24.2.1
Osnova..................................................................................................................................................................................239
24.2.2
Utrjevalna faza .....................................................................................................................................................................240
24.2.3 24.3
Mejne površine.....................................................................................................................................................................241 Lastnosti kompozitov...............................................................................................................................................................242
24.3.1
Kompoziti utrjeni z velikimi delci .......................................................................................................................................242
24.3.2
Kompoziti utrjeni z majhnimi delci .....................................................................................................................................242
24.3.3
Z vlakni utrjeni kompoziti....................................................................................................................................................242
24.3.4
Vpliv orientacije in deleža vlaken na mehanske lastnosti ...................................................................................................244
24.3.5 Utrjeno srebro.......................................................................................................................................................................246 24.4 Razmisli, odgovori, reši ...........................................................................................................................................................246 24.5 Dodatna literatura k temu poglavju ......................................................................................................................................246 25 Označevanje izbranih kovinskih materialov.......................................................................................................................................247 25.1 Označevanje jekel ....................................................................................................................................................................247 25.1.1 25.2 25.3 25.4
Označevanje z osnovnimi znaki po SIST EN 10027-1:1995 ..............................................................................................247 Označevanje železovih litin.....................................................................................................................................................248 Označevanje bakra in bakrovih zlitin ...................................................................................................................................250 Označevanje aluminija in aluminijevih gnetnih zlitin.........................................................................................................251
25.4.1
Označevanja aluminijevih gnetnih zlitin .............................................................................................................................251
25.4.2
Oznake stanj Al-zlitin ..........................................................................................................................................................252
25.4.3
Označevanje aluminijevih livnih zlitin ................................................................................................................................252
25.4.4
Oznake stanj aluminijevih livnih zlitin ................................................................................................................................252
25.4.5 Primeri oznak .......................................................................................................................................................................253 25.5 Literatura k temu poglavju ....................................................................................................................................................253 26 Slovarček ..............................................................................................................................................................................................254 27 Stvarno kazalo ......................................................................................................................................................................................279
1
Uvod
Kaj bomo izvedeli? Kaj je gradivo? Kdaj postane neka snov gradivo? Kakšni so kriteriji za izbiro gradiva? Kako si pri izbiri gradiva pomagamo z diagrami lastnosti? Kako delimo gradiva? Kaj določa lastnosti gradiv?
Gradiva ali materiali so snovi, ki jih ljudje uporabljamo za gradnjo strojev in zgradb, kakor tudi kot nadomestilo telesnih delov (implantati) ali za umetniške upodobitve. V nekaterih primerih postane neka snov gradivo samo zaradi ene same izjemne lastnosti: Več kot 50 % celotne svetovne proizvodnje bakra se uporablja za električne vodnike, ker ima baker odlično električno prevodnost. V večini primerov je pri izbiri materiala odločilna najboljša kombinacija več lastnosti. Za konstrukcije, ki se dotikajo tal in so pretežno tlačno obremenjene (stavbe, mostovi), je najprimernejše gradivo beton. Če prevladujejo natezne obremenitve, izberemo jeklo. Pri konstrukciji letal je izredno pomembno razmerje trdnost/gostota (specifična trdnost), zato imajo aluminijeve zlitine zaradi manjše gostote prednost pred sicer trdnejšimi jekli. Če letala vozijo z več kot trikratno hitrostjo zvoka, se zunanji sloji segrejejo nad 300 °C. Ker se trdnost aluminijevih zlitin nad 200 °C močno zmanjša, niso primerna za gradnjo takšnih letal. Nadomestijo jih titanove zlitine, ki zadržijo dobre mehanske lastnosti vsaj do 400 °C. V pomoč pri izbiri gradiva glede na dve ali več lastnosti so diagrami lastnosti (slika 1.1). Neka snov, ki ima primerne tehniške lastnosti, še ne postane gradivo, če ne izpolni dodatnih zahtev. Imeti mora sposobnost, da iz nje z nekim izdelovalnim postopkom (litjem, preoblikovanjem, stiskanjem in sintranjem ali z odrezovanjem) izdelamo dele kompliciranih oblik. Poleg tega mora imeti sposobnost spajanja z varjenjem, spajkanjem in/ali lepljenjem. Naslednji pogoj je gospodarnost. Kljub temu, da imajo nekatere snovi odlične tehniške lastnosti, se ne uporabljajo kot gradivo, ker so predrage. Pri opredelitvi gospodarnosti moramo upoštevati vse stroške. Če lahko nek poceni material izdelamo le z dragim izdelovalnim postopkom, bo lahko manj gospodaren kot sicer dražji material, ki ga lahko izdelamo s cenenim postopkom. Glede na vedno večjo zahtevano skrb za okolje je potrebno upoštevati tudi stroške, ki jih imamo z recikliranjem ali odlaganjem. V osnovi delimo gradiva v tri skupine: • kovinska (to so tehnično čiste kovine in zlitine), • keramična (keramična stekla, kristalna keramika) in • polimerna (termoplasti, duromeri in elastomeri ali gume). Osnovne lastnosti kovinskih gradiv so dobra toplotna in električna prevodnost, preoblikovalnost, odpornost proti lomu in kovinski sijaj. Keramična gradiva so slabi električni in toplotni prevodniki, imajo visoko tališče, velik modul elastičnosti, veliko trdoto ter so zelo krhki. Polimerni materiali imajo majhno gostoto, nizko tališče, so slabi toplotni in električni prevodniki, v primerjavi s kovinskimi in keramičnimi gradivi imajo majhno trdnost. Potrebno je poudariti, da lahko lastnosti v vsaki skupini gradiv dosegajo vrednosti v razmeroma širokih mejah in da se lahko deloma prekrivajo tudi z lastnostmi drugih skupin. Kadar vsaj dve različni vrsti gradiv združimo, dobimo kompozitno gradivo. Kompozitna gradiva imajo to prednost, da lahko njihove lastnosti vnaprej napovemo in jih tudi »prikrojimo« za točno določen namen uporabe. Nekatere značilne uporabe različnih gradiv so podane v razpredelnici 1.1.
-1-
-2-
Slika 1.1:
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Razdelitev tehničnih materialov glede na relativno ceno na enoto prostornine in trdnost. Skali na abscisi in ordinati sta logaritemski, ker se gradiva močno razlikujejo po lastnostih. To izvira iz razlik v njihovih kemijskih vezeh, kristalni zgradbi in mikrostrukturi, pri isti vrsti gradiv pa tudi zaradi različnih stroškov izdelave po različnih postopkih. Navedeni pojmi bodo podrobneje pojasnjeni v naslednjih poglavjih. Materiali, katerih področja so obkrožena s črtkamo črto, lahko obremenimo le s tlačnimi obremenitvami. Primer uporabe diagrama: Zahtevana trdnost je 20-30 MPa. Najmanjšo relativno ceno na enoto prostornine glede na dano zahtevo ima beton, vendar ga lahko uporabimo le za namene, ko prevladujejo tlačne obremenitve. Drugače lahko uporabimo tehnične polimere npr. PVC (polivinil klorid). Teflon bi uporabili le, če bi bile postavljene dodatne zahteve; kot je npr. najmanjši koeficient trenja.
Lastnosti gradiv določa njihova notranja zgradba ali drugače povedano: S spreminjanjem notranje zgradbe lahko spremenimo lastnosti gradiv. Toda kaj spada v notranjo zgradbo materialov? To so elektronska zgradba, kristalna zgradba in mikrostruktura. Elektronska zgradba nam pove, katera stanja zasedajo elektroni v gradivu. V veliki meri določa električne in magnetne lastnosti gradiv, pomemben vpliv ima tudi na razporeditev atomov v prostoru ter na mehanske lastnosti. O kristalni zgradbi govorimo, kadar so atomi pravilno razporejeni v prostoru. To je zelo pogosto, saj je kristalno stanje navadno ravnotežno stanje snovi. S primernimi izdelavnimi tehnologijami lahko dosežemo tudi steklasto ali amorfno stanje. Mikrostruktura je realna zgradba, za katero je značilno odstopanje od pravilne kristalne zgradbe z določenimi napakami, ki jih ne moremo opazovati s prostim očesom, temveč z uporabo mikroskopov. V tehnični praksi lahko močno vplivamo na mikrostrukturo gradiv predvsem s primerno izbiro kemijske sestave materiala in s postopkom izdelave. Temeljni cilj tega učbenika je, da bi bralec dojel povezavo med mikrostrukturo gradiva in njegovimi lastnostmi ter zmožnostmi različnih postopkov izdelave (litje, preoblikovanje, toplotna obdelava) za doseganje različnih mikrostruktur in s tem tudi lastnosti. Povzetek Gradiva so snovi, iz katerih izdelujemo orodja, stroje, naprave, stavbe, umetniške upodobitve, itd. Neka snov lahko postane gradivo, če ima primerne lastnosti za določen namen uporabe, poleg tega pa jo lahko izdelamo na gospodaren način. Gradiva delimo na kovinska, keramična, polimerna in kompozitna. Lastnosti gradiv izvirajo iz njihove makro-, mikro- in nanozgradbe, na katero ima poleg kemične sestave velik vpliv še način izdelave.
1. Uvod
-3–
Razpredelnica 1.1:
Izbrane vrste gradiv, njihova uporaba in značilne lastnosti
Gradivo Kovinski materiali baker siva litina
Uporaba
Značilna lastnost
električni vodnik bloki avtomobilskih motorjev
jeklo
orodja
dobra električna prevodnost dobra livnost, odrezovalnost, velika dušilnost, poceni trdo, žilavo, obdrži dobre trdnostne lastnosti do ~600 °C
Keramična gradiva SiO2-Na2O-CaO
okensko steklo
Al2O3, MgO, SiO2
ognjevzdržni material za taljenje kovin
barijev titanat (BaTiO3)
uporaba v avdio napravah
Polimerna gradiva polietilen
pakiranje živil
epoksidne smole
nosilec integriranih vezij
fenolne smole
adheziv
Kompozitna gradiva grafit-epoksidna smola
deli letal
volframov karbid – kobalt (karbidna trdina)
rezalna orodja za odrezovanje
prepušča vidno svetlobo toplotna izolacija majhna toplotna prevodnost odpornost proti visokim temperaturam ne reagirajo s tekočimi kovinami pretvarja zvok v elektriko enostavno oblikovalen v tanke in gibke neprodušne folije električno neprevodne, odporne proti vlagi trdne, odporne proti vlagi veliko razmerje trdnost/masa (velika specifična trdnost) velika trdota ob sorazmerno dobri odpornosti proti toplotnim šokom
1.1 Razmisli, odgovori, reši 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
Katere so osnovne vrste tehničnih gradiv in kakšne so njihove značilne lastnosti? V poglavju neželezne kovine poišči podatke o lastnostih aluminija, magnezija in titana ter izračunaj specifično trdnost in specifični modul elastičnosti! Ugotovi, iz katerih materialov je narejen kemični svinčnik! Poskusi ugotoviti, katere lastnosti se zahtevajo za posamezen del. Ali je polnilo kemičnega svinčnika tudi gradivo? Ali ste že kdaj vrtali v beton? Kateri sveder ste uporabili in zakaj? Za katere namene se uporablja teflon in zakaj? Izberi še nekaj predmetov v svoji okolici! Ugotovi, h kateri vrsti gradiv spadajo! Ugotovi, ali so vsa gradiva, ki so na diagramu lastnosti (sl. 1.1), tudi obravnavana v tem učbeniku!
1.2 Dodatna literatura k temu poglavju 1.1 1.2 1.3
Askeland, Donald R.: The Science and Engineering of Materials, Stanley Thornes (Publishers) Ltd, 3. izdaja, 1996 Hornbogen, Erhard: Werkstoffe, 6. Aufl. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 1994 Davis, J. R. (urednik): Heat–Resistant Materials, ASM International, Materials Park, Ohio, drugi natis 1999
2
Zgradba atoma in kemijske vezi
Kaj bomo izvedeli? Kako je zgrajen atom? Kako so razporejeni elektroni okoli jedra atoma? Zakaj atomi absorbirajo in sevajo elektromagnetno valovanje? Kakšna je povezava med lego elementa v periodnem sistemu in njegovo elektronsko zgradbo? Zakaj se posamezni atomi združujejo v trdne snovi? Katere vrste kemijskih vezi delujejo med atomi? Kako na vrsto vezi vpliva elektronegativnost? Equation Section 2
2.1 Zgradba atoma Vse znane snovi so sestavljene iz atomov. Atom je najmanjši del snovi, ki ga kemijsko ne moremo več razstaviti. Čeprav je zelo majhen (10-10-10-9 m), ima vse lastnosti kemijskega elementa. Atom je sestavljen iz atomskega jedra in elektronske ovojnice. Atomsko jedro sestavljajo protoni in nevtroni, ki jih s skupnim imenom imenujemo nukleoni. V jedru je zbrana skoraj vsa masa atomov, saj je elektron več kot 1800-krat lažji od protona oziroma nevtrona. V elektronski ovojnici so elektroni, ki krožijo po orbitalah. Stanje elektrona v atomu lahko pojasnimo s kvantno mehaniko. Določeno je z vrednostjo štirih kvantnih števil, kar bo pojasnjeno v podpoglavju Elektronska zgradba atoma. Atomsko jedro je mnogo manjše od elektronske ovojnice. Veliko je med 10-15 in 10-14 m, medtem ko je velikost elektronske ovojnice enaka velikosti atomov; to je med 10-10 in 10-9 m. Atomske dimenzije navadno podajamo v nm, pm ali Å.* Atomi imajo težnjo, da se povezujejo v molekule in trdne snovi. Glede na naravo vezalnih sil med atomi ločimo van der Waalsove, ionske, kovalentne in kovinske vezi, ki v veliki meri določajo lastnosti molekul oziroma trdnih snovi. Preveri v drugi literaturi, ali sta nevtron in proton osnovna (elementarna) delca ali sta sama dejansko sestavljena iz še manjših delcev?
2.1.1 Definicija osnovnih pojmov v zvezi z zgradbo atomov Atomsko ali vrstno število, masno število. Atomsko ali vrstno število Z je določeno s številom protonov v jedru atoma. Proton ima pozitivni naboj, ki je po velikosti enak osnovnemu naboju e0 = 1,602 × 10-19 A s. Poleg protonov so v jedru atoma tudi nevtroni. Nevtroni so električno nevtralni. Le vodik
1 1
H v jedru nima nevtronov temveč le proton. Skupno število protonov in nevtronov v jedru se
imenuje masno število. Oznaka
16 8
O označuje kisikov izotop, ki ima vrstno število Z = 8 (V jedru je 8 protonov.) ter masno
število A = 16 (V jedru je poleg osmih protonov še 8 nevtronov). V primerni literaturi poišči podatek, koliko kemijskih elementov je odkritih! Kako se povečevanjem vrstnega števila spreminja razmerje med masnim in atomskim številom? Zakaj tako?
*
z
Enota 1 nm (nanometer) je enaka 10-9 m. Tako je velikost jedra med 10-6 in 10-5 nm in velikost atomov med 0,1 in 1 nm.
Enota 1 pm (pikometer) je enaka 10-12 m. Iz tega sledi, da je velikost jedra med 10-3 in 10-2 pm in velikost atomov med 102 in 103 pm. Enota 1 Å (ongstrem) je enaka 10-10 m. Torej je velikost atomskega jedra 10-4 Å in velikost atomov 1 do 10 Å. Vidimo lahko, da je ravno enota 1 Å prilagojena velikosti atomov in medatomskim razdaljam v molekulah in trdnih snoveh. Kljub temu da ta enota ne spada v mednarodni sistem enot SI, se še vedno pogosto uporablja, a se jo opušča.
-4-
2. Zgradba atoma in kemijske vezi
5
Izotopi. Med izotope nekega elementa spadajo atomi, ki imajo v jedru enako število protonov, razlikujejo pa se po številu nevtronov; torej imajo enako vrstno število Z, vendar različno masno število A. Za primer vzemimo tri vodikove izotope:
1 1
H (samo proton), devterij 12 H (proton in nevtron) in
tritij 13 H (proton in dva nevtrona). Podaj še primer kakšnega drugega izotopa!
Relativna atomska masa. Relativna atomska masa Ar je število, s katerim moramo pomnožiti osnovno enoto mase† (u = 1,66 × 10-27 kg), da dobimo maso atoma (npr. Ar (Al) = 27 in masa atoma aluminija mAl = 27.u). Vrstno število Z je naravno število, medtem ko relativna atomska masa Ar ni. Razlogov za to je več. Prvič, masi protona in nevtrona nista celoštevilčna večkratnika atomske enote mase u. Drugič, pri tvorbi atomskega jedra se sprosti energija. Skladno z znamenito Einsteinovo enačbo E = mc2 se del mase spremeni v energijo (c – svetlobna hitrost: c = 3 × 108 m s-1). To je tako imenovani masni defekt. Tretjič, neka količina elementa vsebuje več izotopov. Njegova relativna atomska masa je srednja vrednost atomskih mas različnih izotopov uravnoteženih z njihovim masnim deležem v naravi. Elektron. Elektron ima negativen električni naboj. Njegova vrednost je enaka osnovnemu naboju e0. Ker je atom električno nevtralen, je število elektronov enako številu protonov v jedru – to je vrstnemu številu Z. Če število elektronov ni enako številu protonov v jedru, govorimo o ionu. V anionu je število elektronov večje od števila protonov; torej je anion električno negativen. Ravno obratno velja za kation. Ker je masa elektrona bistveno manjša od mase protona oziroma nevtrona, se masa iona praktično ne razlikuje od mase atoma, iz katerega je nastal. Ali delujejo med anionom in kationom privlačne ali odbojne sile? Kakšne so sile med naslednjimi pari: elektron in nevtron, elektron in proton, proton in nevtron?
Vezalna energija. Vezalno energijo definiramo kot energijo na nukleon, ki se sprosti‡ pri nastanku atomskega jedra. Vezalna energija se povečuje vse do vrstnega števila Z = 60 (to je do niklja), kasneje pa začne pojemati (slika 2.1). Vezalno silo med nukleoni zagotavlja močna jedrska sila, ki deluje med vsemi nukleoni, vendar je njen doseg zelo kratek. Med protoni, ki imajo enak pozitiven električni naboj, deluje odbojna elektrostatična sila. Njen vpliv začne prevladovati nad Z = 60 in težja jedra postajajo vse bolj nestabilna. To je tudi razlog za jedrski razpad (fizijo) nekaterih izotopov težkih elementov (npr. urana, plutonija, radija). Lahka jedra so nagnjena k zlivanju (fuziji). Podaj primer uporabe jedrskega razpada!
Radioaktivnost. Radioaktivnost je spontan razpad nestabilnih jeder na bolj stabilne produkte, ki ga povzroča šibka jedrska sila. Poznamo tri vrste radioaktivnega razpada: α, β in γ. Pri razpadu α nastanejo delci α - to so pravzaprav helijeva jedra, ki so sestavljena iz dveh nevtronov in dveh protonov. Ker nimajo elektronov, je njihov naboj +2e0. Primer:
226 88
Ra →
222 86
Rn + 42 He.
Pri razpadu β izstreli atomsko jedro elektron. Pri tem se je nevtron v jedru spremenil v proton: 1 0
n → 11 H + −01e.
Pri radioaktivnem razpadu γ preide jedro v nižje energijsko stanje, tako da izseva elektromagnetno valovanje z majhno valovno dolžino (red velikosti 10-12 m ali 1 pm) – žarke γ.
Radioaktivni materiali se uporabljajo v različne namene. Najbolj značilen primer so jedrska goriva. Izotopi, ki sevajo žarke γ, se uporabljajo v γ-defektoskopiji (glej poglavje Neporušitvene preiskave); to je metoda za odkrivanje napak (defektov) v kovinskih materialih.
†
Osnovna enota mase u je dvanajstina mase ogljikovega izotopa
‡
Po dogovoru ima energija, ki se sprosti, negativen predznak.
12 6
C.
-6-
Slika 2.1:
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Vezalna energija na nukleon v odvisnosti od masnega števila. Lahka jedra so nagnjena k zlitju (fuziji), težka jedra pa k radioaktivnem razpadu (fiziji). Jedra z masnim številom A okoli 60 so najbolj stabilna.
Mol, Avogadrova konstanta, atomska enota mase. Mol je množina snovi, ki vsebuje toliko atomov, elektronov, nukleonov, molekul ali česarkoli, kot znaša Avogadrova konstanta NA. Avogadrova konstanta NA je definirana kot število atomov v 12 g ogljikovega izotopa 12C: NA = 6,023 × 1023 mol–1. Molska masa M je masa mola snovi; to je množine snovi, ki vsebuje en mol delcev (atomov, ionov, molekul, elektronov…). Enota je gram na mol (g mol-1). Atomska enota mase u je enaka 1/12 mase ogljikovega izotopa 12C; u = 1,66 × 10–27 kg. Množina atomov bakra je 2,5 mol. Koliko je v tej množini atomov bakra? Kolikokrat več atomov železa kot ogljika potrebujemo, da izdelamo 2 mol cementita Fe3C?
2.2 Elektronska zgradba atomov Kemično obnašanje elementov in številni pojavi (npr. sevanje atomov) izhaja iz elektronske zgradbe atomov. Pozitivno jedro atoma privlači elektrone, zato ti krožijo okoli njega. Za pojasnitev zgradbe atoma je Bohr postavil model, v katerem elektroni krožijo po tirnicah okoli atomskega jedra kot planeti okoli Sonca. V modelu je privzel, da energija elektronov ni poljubna, temveč točno določena. Z njim je zadovoljivo pojasnil emisijski§ in absorpcijski** spekter vodika, ki ima le en elektron, ne pa tudi spektrov ostalih elementov, ki vsebujejo več elektronov. Že v začetku dvajsetega stoletja so spoznali, da se elektron pri nekaterih naravnih pojavih obnaša kot delec, pri drugih pa kot valovanje (dualnost – dvojnost elektrona). Na tej osnovi se je razvila valovna mehanika, s katero je možno pojasniti elektronsko zgradbo vseh elementov. Za popolno ugotovitev energijskega stanja elektrona zadostuje poznavanje štirih kvantnih števil: glavnega n, stranskega l, magnetnega m in spinskega s. V kvantnomehanskem modelu elektroni zaradi Heisenbergovega načela nedoločljivosti ne krožijo po točno določenih krožnicah, temveč v verjetnostnem prostoru, ki ga imenujemo orbitala. V osnovnem stanju zasedajo elektroni najnižja energijska stanja. Za prehod v vzbujeno energijsko stanje jim moramo dovesti energijo, pri prehodu iz vzbujenega v osnovno energijsko stanje pa energijo oddajo – najpogosteje v obliki elektromagnetnega sevanja. 2.2.1 Bohrov model Bohr je bil prvi, ki je dobro razložil zgradbo atoma vodika, ki ima le en elektron. Temeljne značilnosti Bohrovega modela atoma so (slika 2.2):
§ Emisijski spekter dobimo, če atome vzbujamo z dovajanjem energije. Pri prehodu v osnovno stanje sevajo točno določene valovne dolžine. V emisijskem spektru so svetle črte na temni podlagi. ** Snov obsevamo s svetlobo. Absorbira se svetloba z valovno dolžino, katere energija je enaka energijski razliki med osnovnim in vzbujenim stanjem. V absorpcijskem spektru so črne črte na svetli podlagi.
2. Zgradba atoma in kemijske vezi
7
¾ Elektron se giblje po točno določenih stacionarnih krožnicah††. ¾ Pri kroženju je njegova energija stalna, torej ne seva elektromagnetnih valov. ¾ Atom seva elektromagnetno energijo, če elektron preskoči s krožnice z višjo na krožnico z nižjo energijo. Razlika energij obeh tirov ΔE je energija sevanega fotona, to je hν. ΔE = hv =
hc
λ
(1.1)
ν je frekvenca elektromagnetnega valovanja, h je Planckova konstanta (6,63 × 10–34 J s) in c je svetlobna hitrost (3 × 108 m/s).
Slika 2.2:
Bohrov model atoma. Elektroni krožijo okoli jedra po krožnih tirnicah kot planeti okoli Sonca. Za vzbujanje elektronov na višje nivoje je potrebna energija. Pri prehodu elektronov iz višjega v nižje energijsko stanje, atom izseva energijo, običajno v obliki elektromagnetnega valovanja
2.2.2 Heisenbergovo načelo nedoločljivosti Za atomske delce je značilno, da ni mogoče hkrati natančno ugotoviti njihove trenutne lege in gibalne količine. Če je npr. gibalna količina delca natančno znana, ne vemo točno, kje je. Heisenberg je ugotovil, da je produkt nedoločenosti lege delca Δx in nedoločenosti njegove gibalne količine ΔG velikostnega reda Planckove konstante h. Ker je gibalna količina elektrona, ki kroži okoli jedra natačno znana, je lega elektrona povsem nedoločena. Elektron ne kroži po krožnici s točno določenim polmerom, temveč se nahaja v tridimenzijskem verjetnostnem prostoru, ki ga imenujemo orbitala. 2.2.3 Kvantna števila Stanje elektrona v atomu definirajo štiri kvantna števila: • glavno n, • stransko l, • magnetno m in • spinsko s. Glavno kvantno število n v največji meri določa energijo elektrona En. V vodikovem atomu, ki ima samo en elektron, je energija odvisna le od njega. Dovoljene vrednosti glavnega kvantnega števila so naravna števila: n ∈ `. Torej n = 1, 2, 3, 4…V spektroskopiji so se uveljavile naslednje črkovne oznake: n = 1 ⇒ K, n = 2 ⇒ L, n = 3 ⇒ M. Za skupino orbital, ki imajo enako glavno kvantno število, se je uveljavil izraz lupina.
††
Stacionarne krožnice so tiste, ki se s časom ne spreminjajo.
-8-
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Razpredelnica 2.1:
Vrednosti kvantnih števil v prvih treh lupinah
Glavno kvantno število n 1
Stransko kvantno število l 0
Magnetno kvantno število m 0
Spinsko kvantno število s
Oznaka orbitale
±1 2
1s
2
0
0
±1 2
2s
1
-1
±1 2
2p x
0
±1 2
2p y
1
±1 2
2p z
0
0
±1 2
3s
1
-1
±1 2
3p x
0
±1 2
3p y
1
±1 2
3p z
-2
±1 2
3 d z2
-1
±1 2
0
±1 2
3dx2- y2 3dxy
1
±1 2
3dxz
2
±1 2
3dyz
3
2
Stransko kvantno število l določa obliko orbitale. Pravzaprav določa razmerje med polosema elipse. Vrednosti stranskega kvantnega števila so med 0 ≤ l < n. Orbitala s (l = 0) je krogelno simetrična (slika 2.3 a). Gostota naboja elektrona pojema z oddaljenostjo od jedra. V atomu vodika je največja verjetnost, da najdemo elektron pri vrednosti a0 – to je pri Bohrovem polmeru. Orbitala je definirana kot prostor, v katerem obstaja 95 % verjetnosti, da v njem najdemo elektron. Kontura s to verjetnostjo nahajanja elektrona tudi ustreza eksperimentalno ugotovljeni velikosti atoma. Stransko kvantno število določa obliko orbitale, ne pa njihovega števila. Orbitale, ki imajo l = 1, imenujemo p-orbitale, tiste z l = 2 dorbitale, ter orbitale z l = 3 f-orbitale. Magnetno kvantno število m določa možne orientacije orbital glede na zunanje magnetno polje in s tem tudi število orbital. Lahko ima naslednje vrednosti: -l ≤ m ≤ l. Spinsko kvantno število s določa projekcijo spinske vrtilne količine elektrona glede na smer magnetnega polja. Možni vrednosti sta +½ in –½. Isto orbitalo, to je stanje z enakimi vrednostmi n, l in m, lahko zasedata le elektrona, ki imata različen spin (Paulijevo izključitveno načelo).
Možna (dovoljena energijska stanja) so prikazana v razpredelnici 2.1. Z opazovanjem ugotovimo, da je v vsakem energijskem nivoju n2 možnih energijskih stanj, vsakemu energijskemu stanju pripada ena orbitala. Skladno s Paulijevim izključitvenim načelom lahko vsako orbitalo zasedeta dva elektrona, ki se razlikujeta v spinskem kvantnem številu. To torej pomeni, da lahko vsak energijski nivo zasede največ 2n2 elektronov. Za prve štiri lupine pokaži, da je v vsaki lupini n2 orbital!
2.2.4 Energija elektronov, ionizacijska energija, elektronska afiniteta Energija elektrona je v splošnem odvisna od vseh štirih kvantnih števil. S slike 2.3 b lahko razberemo, da je v atomu vodika elektron v 1s-orbitali vezan na jedro z energijo 13,6 eV.‡‡ (To je v bistvu vezalna energija elektrona.) Negativni predznak kaže na to, da se je pri nastanku atoma vodika energija sprostila.
‡‡
eV pomeni elektron volt. To je energija, ki jo pridobi elektron, ko preleti potencialno razliko 1 V. 1 eV = 1,6 × 10–19 J.
2. Zgradba atoma in kemijske vezi
9
V natriju, ki ima enajst protonov v jedru, sta elektrona v orbitali 1s mnogo močneje vezana na jedro: -1041 eV. Če hočemo odstraniti elektron iz orbitale 1s atoma vodika, moramo dovesti energijo 13,6 eV. Pri tem nastane kation vodika H+. Energijo za odstranitev elektrona imenujemo ionizacijska energija Ei. V atomu natrija zaseda enajsti elektron stanje 3s. Ioniziramo ga, če mu odstranimo ta elektron. Zato je potrebna energija 5,13 eV. Elektronska afiniteta Ea je energija, ki se sprosti, če atom sprejme dodatni elektron; ko postane anion. V vodiku bi drugi elektron zasedel stanje 1s, torej bi se sprostila energija okoli –13,6 eV. V natriju bi dvanajsti elektron zasedel stanje 3s in sprostila bi se energija okoli 5,13 eV. Oceni, kolikšna bi bila ionizacijska energija za odstranitev drugega elektrona v atomu natrija!
2.2.5 Polnjenje orbital z elektroni Pri polnjenju orbital z elektroni lahko pravilno napovemo elektronsko zgradbo večine elementov v periodnem sistemu, če upoštevamo naslednja pravila:
Pravilo 1:
Elektron vselej zasede najnižje nezasedeno energijsko stanje.
Pravilo 2:
Za vsak poljuben par glavnega n in stranskega l kvantnega števila velja, da ima nižje energijsko stanje orbitala z manjšo vsoto glavnega in stranskega kvantnega števila. Če je (n1 + l1) < (n2 + l2), potem ima energijsko stanje (n1 + l1) nižjo energijo kot energijsko stanje (n2 + l2).
Pravilo 3:
Če imata dve orbitali enako vsoto glavnega in stranskega kvantnega števila: (n1 + l1) = (n2 + l2), potem ima nižjo energijo orbitala z manjšim glavnim kvantnim številom n. Če je n1 < n2, ima stanje (n1 + l1) nižjo energijo.
Pravilo 4:
Isto orbitalo, ki je definirana s trojico kvantnih števil n, l, m, lahko zapolnita največ dva elektrona, ki se morata razlikovati v spinskem kvantnem številu (prvi elektron ima spin +½, drugi pa -½) (Paulijevo izključitveno načelo).
Pravilo 5:
Ko je na razpolago več orbital z enako energijo, elektroni polnijo orbitale posamično in sicer tako, da so njihovi spini poravnani. (Hundovo pravilo).
Zgled: Elektronska zgradba fosforja (P), ki ima Z = 15.
Z uporabo drugega in tretjega pravila ugotovimo, da si energijsko najnižja stanja sledijo v naslednjem zaporedju (število v oklepaju je vsota glavnega in stranskega kvantnega števila): 1s (1), 2. 2s (2), 3. 2p (3), 4. 3s (3), 5. 3p (4), 6. 4s (4) ... Vsoti glavnega in stranskega kvantnega števila za orbitali 2p in 3s sta enaki. Ker je pri 2p glavno kvantno število manjše kot pri 3s, imajo 2p-orbitale manjšo energijo kot 3s-orbitala. Enako velja za orbitali 3p in 4s. Zaporedje orbital lahko ponazorimo s predalčki, elektrone pa s puščicami. Smer puščice kaže na vrednost spina (navzgor +½, navzdol -½). Prva elektrona zasedeta 1s-orbitalo. Razlikovati se morata v spinu (Pravilo 4). Celotno drugo lupino (n = 2) zasede 8 elektronov: v vsako orbitalo po dva z različnim spinom. Tako smo porabili že 10 elektronov. Enajsti in dvanajsti elektron zasedeta najnižje energijsko stanje v tretji lupini – to je orbitalo 3s. Trinajsti elektron zasede eno od 3p-orbital; npr. 3py. Njegov spin je poljuben; izberimo pozitiven elektronski spin +½ (puščica navzgor). Skladno s pravilom 5 lahko štirinajsti elektron zasede ali orbitalo 3px ali 3pz, vendar mora imeti pozitiven spin; enak kot v orbitali 3py. Če zasede orbitalo 3pz, lahko petnajsti elektron zasede le orbitalo 3px, njegov spin pa mora prav tako biti pozitiven.
1s 2
2s 2
2 px2 2 p 2y 2 pz2
3s 2
3 px2 3 p 2y 3 pz2
4s 2
- 10 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Zasedenost orbital lahko označimo tudi na naslednji način: 1s2 2s2 2p6 3s1 3p3 ali [Ne] 3s 3p3. Slednja oznaka pomeni, da ima fosfor enako zasedene notranje energijske nivoje kot žlahtni plin neon, dodatno pa je v zunanji lupini še polno zasedena 3s-orbitala, medtem ko je vsaka od 3p-orbital zasedena le delno. Najvišja lupina, v kateri so elektroni, določa, v kateri periodi (vodoravna vrstica) periodnega sistema elementov se nahaja element. Pri fosforju je n = 3, zato je v tretji periodi. Število elektronov v zunanji lupini določa, v kateri skupini (navpičen stolpec) je element. Fosfor je v peti skupini. Največje število vezi, ki jih lahko atom tvori z drugimi elementi (valenca), je navadno enako številu elektronov v zunanji lupini. Če fosfor odda vse zunanje elektrone, ima valenco +5; če pa le tri, je valenca +3. V nekaterih spojinah lahko fosfor tudi sprejme tri elektrone in takrat ima valenco –3.
a) Slika 2.3:
b)
a) Oblike s-, p- in d-orbital, ki imajo stransko kvantno število l enako 0, 1 in 2. Število orbital določa magnetno kvantno število m (ena s-orbitala, tri p-orbitale in pet d-orbital). b) Prikaz energijskih stanj v atomu vodika in natrija. V vodiku imajo vse orbitale v neki lupini enako energijo. Zato jih označimo le z glavnim kvantnim številom n. Po drugi strani se glavni energijski nivoji v atomu z več elektroni razcepijo. Primer: Tretji nivo se razcepi v tri podlupine, ki jih označimo s kombinacijo glavnega in stranskega kvantnega števila: 3s, 3p in 3d. V osnovnem stanju je elektron z največjo energijo v stanju 3s. Vsa ostala stanja so nezasedena. Pri vzbujanju atoma lahko elektroni prehajajo v višja stanja. Pomembno: V natriju je energija 4s-orbitale manjša kot energija 3d-orbitale.
Z uporabo petih pravil lahko napovemo pravilno elektronsko zgradbo večine elementov v periodnem sistemu. Obstaja nekaj izjem, ena izmed njih je krom. Krom (Cr) ima vrstno število Z = 24, zato bi pričakovali naslednjo elektronsko zgradbo: [Ar] 4s2 3d4:
1s 2
2s 2
2 px2 2 p 2y 2 pz2
3s 2
3 px2 3 p 2y 3 pz2
4s 2
3d11 3d 21
3d 31 3d 41 3d 50
toda dejanska je [Ar] 4s1 3d5
1s 2
2s 2
2 px2 2 p 2y 2 pz2
3s 2
3 px2 3 p 2y 3 pz2
4s1
3d11 3d 21
3d 31 3d 41 3d 51
2. Zgradba atoma in kemijske vezi
11
Takšna elektronska zgradba je posebej stabilna, saj lahko atom kroma tvori šest vezi z ostalimi atomi; vez lahko tvori z vsako delno zapolnjeno orbitalo. Posledica tako močnih in številnih vezi je visoko tališče kroma: Tt = 1875 °C, ki je med najvišjimi v četrti periodi. Enako velja tudi za Mo in W, ki sta tako kot Cr v skupini 6B periodnega sistema. Katera orbitala ima manjšo energijo 7s ali 5d? Ali so lahko v 3p-orbitali trije elektroni, od katerih imata dva pozitiven, eden pa negativen spin? Ali je lahko v 3d-orbitali šest elektronov, ki v celoti zasedejo tri orbitale, dve pa ostaneta prazni?
2.2.6 Vzbujanje in relaksacija atomov Elektroni v atomih lahko preidejo v višje energijsko stanje, če atome obsevamo z elektromagnetnim valovanjem ali obstreljujemo s hitrimi delci, kot so elektroni, ioni ali nevtroni. Pri tem atomi prehajajo v višje (vzbujeno) energijsko stanje, saj se absorbirajo fotoni, katerih energija je enaka razliki med osnovnimi in višjimi (vzbujenimi) energijskimi stanji. Nastane absorpcijski spekter. Na primer, pri obsevanju atomov vodika, se absorbira svetloba, ki ima energijo 10,2 eV, saj je to energija, ki je potrebna za prehod iz orbitale 1s v orbitalo 2s.
Vzbujeni atomi niso stabilni in sčasoma prehajajo v osnovno energijsko stanje; to je stanje, ko elektroni zasedajo najnižja energijska stanja. Pri prehodu iz vzbujenega v osnovno stanje elektron odda energijo, ponavadi v obliki elektromagnetnega sevanja. Nastane tako imenovani emisijski spekter. Pri prehodu elektrona iz stanja 2s v stanje 1s izseva atom vodika elektromagnetno valovanje (foton) z energijo 10,2 eV, ki ima skladno z enačbo (1.1) valovno dolžino 121,9 nm. Emisijski in absorpcijski spekter uporabljamo pri kemijski analizi materialov, saj so absorpcijske oziroma emisijske črte vsakega elementa različne. Na osnovi lege teh črt lahko ugotovimo, kateri elementi so v materialu. To je tako imenovana kvalitativna kemijska analiza. Glede na intenziteto posameznih črt lahko ugotovimo njihovo koncentracijo - kvantitativna kemijska analiza. V vsakdanjem življenju poiščite primere, ko atomi prehajajo v vzbujeno stanje, pri prehodu v osnovno stanje pa sevajo elektromagnetne valovanje!
2.3 Povezava periodnega sistema elementov in elektronske zgradbe atomov Najenostavnejši je vodikov atom, ki ima v svojem jedru samo proton. Lahko ima le en elektron, ki se vrti okoli njega, kajti atom mora biti električno nevtralen. V osnovnem stanju je elektron v 1s-orbitali. Helij, ki ima v jedru dva protona in dva nevtrona, ima štirikrat večjo atomsko maso kot vodik, toda le dva elektrona, ki v osnovnem stanju prav tako zasedata stanje 1s. Tako je stanje 1s polno in naslednji atom (litij) bo imel dva elektrona v stanju 1s in tretjega v stanju 2s. Ko atomi zasedejo vsa stanja, ki pripadajo glavnemu kvantnemu številu, oblikujejo polno zasedeno lupino in v skladu s kvantno mehaniko se njihova energija močno zmanjša, ker so elektroni v zelo stabilnem stanju. Toda tretji litijev elektron je zelo šibko vezan na jedro. Imenujemo ga valenčni elektron, kajti z lahkoto ga odstranimo, da nastane pozitivni ion – kation. Berilij ima vrstno število štiri. Elektroni popolnoma zasedejo stanji 1s in 2s, medtem ko je vseh šest stanj v orbitalah 2p praznih. V naslednjih šestih atomih, ki imajo vrstno število od pet do deset, se stanja 2p postopno polnijo, dokler nista v neonu lupini 1 in 2 v celoti zapolnjeni. Prav tako kot pri heliju so ti elektroni v zelo stabilnem stanju, zato jih je zelo težko odstraniti iz atoma in neon ne sodeluje pri kemičnih reakcijah. Na podoben način se polnijo orbitale atomov z vrstnim številom med enajst in osemnajst, najprej stanji 3s, nato stanja 3p. Pričakovali bi, da se bodo za argonom, ki ima Z = 18, polnile 3d-orbitale, toda to se ne zgodi, ker imajo 4s-orbitale manjšo energijo. Posledično bo imel kalij (Z = 19) zunanji elektron v stanju 4s in se bo kemično podobno obnašal kot litij in natrij. Kalcij (Z = 20) bo imel polno zasedeno 4s-
- 12 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
orbitalo, medtem ko se pri naslednjem skandiju ne bodo začele polniti 4p-orbitale, temveč orbitale 3d. Pri naslednjih elementih vse do cinka se bodo polnile 3d-orbitale (to so prehodni elementi). Elektroni najprej posamično zasedajo orbitale, tako da so njihovi spini poravnani (Hundovo pravilo). Ko je vseh pet d-orbital delno zasedenih, se njihova energija močno zmanjša, tako da je za krom energijsko ugodnejše, da ima namesto dveh elektronov le enega v 4s-stanju, preostalih pet pa je posamično razporejenih v 3d-orbitalah. Podobno je pri bakru, ki ima le en elektron v stanju 4s, preostalih deset elektronov pa v celoti zasede 3d-orbitalo. Od bakra do kriptona se v celoti napolnijo 4s- in 4p-stanja. Pri naslednji skupini elementov od rubidija do ksenona se ponovi polnjenje 5s-, 4d- in 5p-orbital na podoben način kot v prejšnji periodi. Pri tem se seveda 4f-stanja ne polnijo, saj imajo večjo energijo kot 5s-, 4d-, 5p- in 6s-stanja. Stanja 4f se začnejo polniti šele za lantanom. Štirinajst elementov med lantanom in hafnijem imenujemo redke zemlje. Ko so vsa 4f-stanja zapolnjena, se v naslednjih elementih vse do žlahtnega plina radona najprej polnijo 5d- in na koncu še 6p-orbitale. Preostali elementi so v sedmi periodi, ki pa ni v celoti zapolnjena, saj ne poznamo toliko elementov, kot je razpoložljivih mest. Kot lahko vidimo, lahko z uporabo nekaj pravil pojasnimo zgradbo periodnega sistema elementov. V kemiji nekatere skupine elementov imenujemo s posebnimi imeni: 1. skupina (vertikala) so alkalijske kovine. V zunanji s-orbitali imajo en elektron. 2. skupina (vertikala) so zemeljskoalkalijske kovine. V zunanji s-orbitali imajo 2 elektrona. Torej je sorbitala v celoti zasedena. Prehodne kovine imajo delno ali v celoti zasedeno zunanjo s-orbitalo, polnijo se notranje orbitale d. Pri elementih, ki so v četrti periodi, se polnijo 3d-orbitale. V tej periodi je prvi prehodni element skandij (en elektron v 3d-orbitalah), zadnji pa cink (deset elektronov v 3d-orbitalah).
Pri redkozemeljskih elementih (lantanidih in aktinidih) se polnijo notranje orbitale f. Pri lantanidih, ki so v šesti periodi, se polnijo 4f-orbitale. 7. skupina (vertikala) so halogeni elementi (klor, fluor). V zunanji p-orbitali imajo sedem elektronov in so zelo reaktivni. 8. skupina (vertikala) so žlahtni plini. Imajo v celoti zapolnjeno zunanjo lupino. Elektroni zelo dobro senčijo naboj jedra, zato ti elementi nimajo želje po spajanju niti med seboj niti z drugimi elementi. V standardnih razmerah so v plinastem agregatnem stanju. Večina elementov v periodnem sistemu so kovine, ki so v standardnem stanju v trdnem agregatnem stanju. Meja med njimi in nekovinami poteka po črti B, Si, As, Te in At. Mejni elementi so polkovine ali metaloidi, saj imajo nekatere lastnosti kot kovine druge kot nekovine. Nekovine so v standardnih razmerah - razen žlahtnih plinov - v obliki dvoatomskih plinov npr. O2, N2, Cl2… V katero skupino elementov spada samarij Sm?
2.4 Kemijske vezi 2.4.1 Ravnovesna lega atomov §§ V izoliranih atomih zasedajo elektroni najnižja energijska stanja, ki smo jih spoznali v podpoglavju 2.2. Med atomoma, ki sta na medsebojni oddaljenosti r, delujejo tako privlačne kot tudi odbojne sile (slika 2.4). Privlačita se elektronski oblak levega in atomsko jedro desnega atoma (ter obratno), medtem ko se odbijata elektronska oblaka obeh atomov, kakor tudi njuni jedri. Skupna sila je vsota obeh. Atomi dosežejo ravnovesno lego na medsebojni razdalji r0, kjer je skupna sila enaka nič (slika 2.5).
§§§§
To je v atomih, ki so tako oddaljeni drug od drugega, da ne čutijo medsebojnega vpliva; privzamemo lahko, da so neskončno oddaljeni.
2. Zgradba atoma in kemijske vezi
13
Slika 2.4:
Atoma na razdalji r. Med njima delujejo privlačne in odbojne sile. Privlačita se elektronski oblak levega in atomsko jedro desnega (ter obratno). Odbijata se tako elektronska oblaka, kakor tudi jedri obeh atomov.
Slika 2.5:
a) Skupna sila v odvisnosti od razdalje med atomi. V ravnovesni legi (razdalji med atomi r0) je skupna sila enaka nič. Oznaka p. e. pomeni poljubna enota.*** b) Spreminjanje privlačne, odbojne in skupne potencialne energije med atomi v odvisnosti od njihove medsebojne oddaljenosti. Odbojna sila je velika pri majhnih razdaljah, vendar zelo hitro pojema z oddaljenostjo, tako da privlačna sila kmalu prevlada. V ravnovesni legi, kjer je razdalja med atomi r0, je dosežen minimum potencialne energije; njeno vrednost E0 imenujemo vezalna energija. Čim bolj negativna je vezalna energija E0 (čim globlji je potencialni lonec), tem višje je tališče, tem večji je elastični modul ter tem manjši je temperaturni razteznostni koeficient.
Celotno potencialno energijo med atomi En lahko dobro opišemo z naslednjo enačbo: En = −
A B + r rn
(1.2)
kjer so A, B in n konstante, ki so odvisne od vrste snovi; značilna vrednost n je 6. Slika 2.5 a prikazuje potek celotne potencialne energije, skupne sile in obeh členov iz enačbe (1.2) v odvisnosti od oddaljenosti med atomi. Prvi člen na desni strani enačbe (1.2) predstavlja privlačno energijo med atomi. Ker z naraščanjem oddaljenosti med atomi le počasi pojema, prevladuje pri večjih razdaljah. Drugi člen je odbojna energija, ki zelo hitro narašča, ko se začnejo notranje orbitale atomov prekrivati, zato je zelo velika pri majhni medsebojni oddaljenosti, s povečevanjem razdalje pa zelo hitro pojema. Krivulja za skupno potencialno energijo ima zato minimum pri ravnotežni razdalji r0. Energija E0 je enaka vezalni energiji med atomi. Čim bolj negativna je, tem globlji je potencialni lonec (slika 2.5 b) in večjo energijo moramo dovesti, če želimo vez razbiti; to je razstaviti molekulo ali trdno snov na atome. Snov z globokim potencialnim loncem ima visoko tališče Tt ter velik modul elastičnosti E. Takšen potencialni lonec je tudi bolj simetričen, zato ima takšna snov ima manjši temperaturni razteznostni koeficient. Namreč pri absolutni ničli (0 K) zasedajo atomi položaje na dnu potencialnega lonca. Z višanjem temperature se njihova energija povečuje, zato nihajo vedno bolj močno okoli ravnovesne lege od ene do druge stranice
*** Poljubna enota ni povsem poljubna (poljubna enota za silo F je lahko npr. N, kN ali MN, medtem ko je razdalja med atomi dolžinska mera, zato so lahko poljubne enote: m, mm, μm, nm, pm, km. Za razdaljo med atomi navadno uporabljamo nm = 10-9 m.
- 14 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
potencialnega lonca. Če je torej potencialni lonec simetričen, se srednja razdalja med atomi s temperaturo le malo spreminja in posledica je majhen temperaturni razteznostni koeficient. Volfram ima tališče nad 3400 °C, aluminij pa 660 °C. Predvidite, kateri od teh elementov bo imel večji modul elastičnosti, manjši temperaturni razteznostni koeficient ter večjo vezalno energijo!
2.4.2 Elektronegativnost Naravo kemijske vezi lahko pojasnimo ali napovemo, če uvedemo pojem elektronegativnost. Z njo opisujemo značaj atomov ter kaže na obnašanje atomov v navzočnosti drugih atomov. Elektronegativnost
χ je definirana kot sila, s katero atom privlači valenčne††† elektrone v molekuli. Po eni izmed definicij je elektronegativnost srednja vrednost ionizacijske energije Ei in elektronske afinitete Ea:
χ = (Ei + Ea)/2
(1.3)
Ionizacijska energija Ei je energija, ki jo moramo dovesti, da atomu odstranimo zunanji elektron; atom postane kation. Elektronska afiniteta Ea je energija, ki se sprosti, ko atom sprejme dodatni elektron; postane anion. Navadno uporabljamo relativno elektronegativnost:
χ i = χi χ Li _
(1.4)
kjer je χi elektronegativnost elementa i, χLi pa elektronegativnost litija. V periodnem sistemu elektronegativnost elementov v periodi narašča od leve proti desni, v skupini pa pojema od zgoraj navzdol. Elektronegativnost kovin je med 0,9 in 1,8, polkovin okoli 2, nekovin pa več kot 2. Elekronegativnost žlahtnih plinov je praktično nič, saj nimajo nagnjenosti niti po oddajanju niti po sprejemanju elektronov. Elemente z majhno elektronegativnostjo imenujemo elektropozitivne, z veliko elektronegativnostjo pa elektronegativne. Elektropozitivni elementi nimajo tendence jemanja elektronov drugim atomom, medtem ko je ta težnja pri elektronegativnih elementih zelo izrazita. Vrsta kemijske vezi je odvisna od razlike v elektronegativnosti elementov. Nastanejo lahko različne vrste vezi, ki jih delimo na primarne, pri katerih si atomi izmenjajo ali delijo elektrone (kovalentne, ionske in kovinske), ter molekulske (tudi sekundarne oziroma van der Waalsove), pri kateri si atomi ne izmenjajo ali delijo elektronov. Kolikšna je relativna elektronegativnost litija?
2.4.3 Molekulske ali van der Waalsove vezi Pri glavnih vezeh si atomi izmenjajo ali delijo valenčne elektrone. Pri van der Waalsovih vezeh ni izmenjave oziroma delitve elektronov, atomi pa se le malo ali pa sploh ne razlikujejo v elektronegativnosti. Vezalna sila nastane zaradi tega, ker središči pozitivnega in negativnega naboja ne sovpadata popolnoma. Te vezi delujejo med vsemi atomi. Ker so zelo šibke, je njihov vpliv večinoma zanemarljiv. Ločimo tri vrste van der Waalsovih vezi: disperzijske , dipolne in vodikove . Energije teh vezi so majhne (med 8 kJ/mol in 20 kJ/mol), in hitro pojemajo z oddaljenostjo med atomi. Pomembne so v žlahtnih plinih, pri klasterjih v talinah na tališčem gradiv ter v nezamreženih polimernih gradivih (plastomerih), v katerih povezujejo polimerne verige. Zaradi majhne vezalne energije jih poruši že relativno majhna toplotna energija, ki je reda velikosti kT (k – Boltzmannova konstanta, T - temperatura v K). Na primer vrelišče helija je pri 4 K, tališče večine plastomerov je med 100 °C in 200 °C.
†††
Valenčni elektroni so tisti, ki povezujejo atome med seboj v molekulah, tekočinah in trdninah.
2. Zgradba atoma in kemijske vezi
Cδ+ = Oδ−
15
Cδ+ = Oδ–
-C-H
O = C-
dipolna vez a) Slika 2.6:
vodikova vez b)
a) Dipolna vez med atomoma ogljika in kisika v različnih molekulah CO. Oznaka δ pomeni majhen pozitiven oziroma negativen naboj (δ < e0). b) Vodikova vez med atomom vodika v eni ter atomom kisika v drugi polimerni verigi.
2.4.4 Ionska vez Ionska vez povezuje elemente, ki se močno razlikujejo v elektronegativnosti. Izrazita je, ko je razlika v elektronegativnosti večja kot 1,9. Pri nastanku vezi odvzame elektronegativnejši atom zunanje elektrone elektropozitivnejšemu. Prvi postane anion, drugi kation. Vezalna sila med atomoma izhaja iz privlačne elektrostatične sile.
Nastanek ionske vezi si ponazorimo na primeru litijevega fluorida LiF. Elektronska zgradba atomov litija in fluora v osnovnem stanju je:
Li: 1s2 2s1 1s 2
2s1
2 px0 2 p 0y 2 pz0
1s 2
2s 2
2 px2 2 p 2y 2 p1z
F: 1s2 2s2 2p5 Elektronegativnost litija je 1, fluora pa 4,1. Tretji litijev elektron je zelo šibko vezan na jedro, zato mu ga fluor z lahkoto odvzame, ko se dovolj približata. Stanje 2s litija je sedaj prazno, fluor pa si v celoti zapolni drugo lupino in doseže zelo stabilno elektronsko konfiguracijo. Ker ima litij en elektron manj, je pozitiven - kation in fluor elektron več, zato je negativen – anion: Li+: 1s2 1s 2
2s 0
2 px0 2 p 0y 2 pz0
1s 2
2s 2
2 px2 2 p 2y 2 pz2
F-: 1s2 2s2 2p6: Nasprotna iona privlači elektrostatična sila. Elektrostatična sila okoli posameznega iona je krogelno simetrična, ni usmerjena in zato deluje v vse smeri enako močno. Običajno se združi veliko število litijevih in fluorjevih atomov v trdno snov. Zaradi vzajemnih privlačnih sil med nasprotnimi ioni in odbojnimi silami med istovrstnimi ioni, se ti urejeno razporedijo v kristalno mrežo. Pri ravnotežni razporeditvi so odbojne sile najmanjše, vezalna energija pa največja. 2.4.5 Kovalentna vez Kovalentna vez je vez med elektronegativnimi elementi. Vsak atom ima težnjo, da bi drugemu (drugim) atomom prevzel elektron (elektrone). Če imata npr. dva atoma enako elektronegativnost, si enakovredno delita skupni elektronski par, ki se nahaja v skupni molekulski orbitali. V tem primeru govorimo o nepolarni ali homeopolarni vezi. Če je eden od atomov bolj elektronegativen, je elektronski par pomaknjen k njemu (elektrona se dalj časa zadržujeta pri njem); nastal bo majhen električni dipol. Takšno vez imenujemo polarna ali heteropolarna. Ta ima tudi nekaj značilnosti ionske vezi.
Pri kovalentni vezi se atomske orbitale prekrivajo (slika 2.7). Vez nastane, če sta orbitali delno zasedeni, v vsaki je po en elektron. Prekrivanje je lahko čelno (σ-vezi) ali bočno (π-vezi). Ker so vse orbitale usmerjene, razen orbitale s, je usmerjena tudi kovalentna vez. Ker se valenčni elektroni nahajajo
- 16 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
v prostorsko omejenih veznih orbitalah, se ne morejo prosto gibati po snovi, zato so snovi, v kateri prevladuje kovalentna vez, električni izolatorji. Pri nastanku kovalentne vezi vsak atom teži, da bi dosegel elektronsko zgradbo naslednjega žlahtnega plina, zato je število vezi enako 8 – S, kjer je S skupina periodnega sistema, v kateri se nahaja atom (ogljik lahko tvori štiri, kisik dve in klor eno vez).
Slika 2.7:
A
Prikaz čelne (σ) in bočne (π) vezi.
Hibridizacija orbital
Pri elementih, ki tvorijo kovalentne vezi, se zelo pogosto pojavi hibridizacija orbital. Najbolj značilen primer je hibridizacija zunanjih orbital v atomu ogljika. V osnovnem energijskem stanju ima ogljik naslednjo elektronsko zgradbo:
C: 1s 2 2s 2 2 p1x 2 p1y 2 pz0 :
1s 2
2s 2
2 p1x 2 p1y 2 pz0
V tem primeru sta delno zasedeni le dve p-orbitali, s katerima lahko ogljik tvori vezi z drugimi atomi; torej je dvovalenten. Običajno pred tvorbo vezi preide elektron iz orbitale 2s v prosto 2pz-orbitalo:
1s 2
2s 2
2 p1x 2 p1y 2 p1z
in postane štirivalenten. Za to je potrebna določena energija, ki je precej manjša od energije, ki se sprosti pri tvorbi dveh novih vezi. S prekrivanjem teh orbital lahko nastanejo nove orbitale. Pojav imenujemo hibridizacija orbital. Najbolj pogoste so sp-, sp2- in sp3-hibridizacija. Pri sp-hibridizaciji nastaneta iz 2s- in ene 2p-orbitale dve povsem enaki orbitali, ki ležita na skupni premici. Med orbitalama je kot 180°. Takšne vezi so v acetilenu C2H2. Ogljikova atoma sta povezana s σvezjo med dvema sp-orbitalama ter z dvema π-vezema med dvema p-orbitalama. Pri sp2-hibridizaciji nastanejo iz orbitale 2s in dveh 2p-orbital tri enakovredne sp-orbitale, ki ležijo v isti ravnini. Kot med orbitalami je 120°. V etenu C2H4 se pojavlja sp2-hibridizacija. Tudi v grafitu imajo atomi ogljika sp2-hibridizacijo. V najgosteje zasedeni ravnini je vsak atom povezan s tremi sosednjimi ogljikovimi atomi. Vezi v teh ravninah so močne, medtem ko med različnimi ravninami delujejo le šibke van der Waalsove sile. Zato lahko osnovne ravnine z lahkoto drsijo druga preko druge, kar daje grafitu dobre mazalne lastnosti. Pri sp3-hibridizaciji nastanejo iz vseh štirih orbital v drugem energijskem nivoju štiri enakovredne sporbitale, ki ležijo v prostoru pod kotom 109,5°. Takšno hibridizacijo imajo ogljikovi atomi v metanu CH4 in tudi v diamantu. V diamantu je vsak ogljikov atom obdan s štirimi atomi, ki so razmaknjeni za 109,5° (glej poglavje Kovalentni kristali). Hibridizirane sp-orbitale sosednjih atomov se čelno prekrivajo (torej s σ-vezmi). Ker so razdalje med ogljikovimi atomi zelo majhne, je vezalna sila zelo velika. Posledica tega sta izredno velika trdota in visoko tališče diamanta.
2. Zgradba atoma in kemijske vezi
17
2.4.6 Kovinska vez Kovinsko vez tvorijo elektropozitivni elementi. Ko se kovinski atomi močno približajo, se lahko začnejo šibko vezani valenčni elektroni premikati od enega k drugemu atomu: nastane skupen elektronski oblak. Elektroni se ne nahajajo v vezi med dvema atomoma, temveč se lahko bolj ali manj prosto gibljejo po celotni kovini. Iz tega izhaja velika električna in toplotna prevodnost kovin. Kovinska vez ni usmerjena, zato se atomi poskušajo obdati s čim večjim številom sosedov. Tako nastanejo najbolj gosto zasedene kristalne zgradbe, ki jih bomo obravnavali v naslednjem poglavju (Razporeditev atomov v trdnih snoveh).
Slika 2.8:
Kovinska vez. Vsak atom odda enega ali več elektronov v skupen elektronski oblak. Prosti elektroni povezujejo katione med seboj in dajejo kovinam odlično električno in toplotno prevodnost.
2.4.7 Dejanske vezi med atomi – značaj vezi Na značaj vezi, ki nastane med dvema atomoma, izredno močno vplivata njuna elektronska zgradba in elektronegativnost. Razen v izjemnih primerih (npr. pri diamantu) ne moremo nobene vezi opredeliti kot čiste ionske, kovalentne ali kovinske. Nekateri govorijo o »mešani vezi« , vendar je boljše, če govorimo o »značaju vezi«. Navadno je tako, da je vez najbolj podobna enemu od osnovnih tipov vezi. Npr. v prehodnih kovinah (volframu) dobršen del vezalne energije prispeva kovinska vez (elektronski oblak povezuje katione), toda zaradi prekrivanja usmerjenih d-orbital, v katerih elektroni niso prosto gibljivi, ima vez tudi kovalentni značaj. V keramičnem gradivu, npr. aluminijevem oksidu Al2O3, lahko najdemo tako značilnosti kovalentne kot tudi ionske vezi. Prav zaradi raznovrstnosti vezi med atomi, njihovega različnega značaja, se lastnosti snovi med seboj močno razlikujejo. Povzetek Gradiva, kakor tudi vse snovi, so sestavljena iz atomov. Atomi niso nedeljivi, temveč so v njih še manjši delci
protoni, nevtroni in elektroni. V atomskem jedru so pozitivni protoni in nevtralni nevtroni, ki jih povezuje močna jedrska sila. Vsa atomska jedra niso stabilna, temveč pod vplivom šibke jedrske sile razpadajo (radioaktivnost). Gradiva vsebujejo stabilne izotope elementov, kar je eden izmed osnovnih pogojev za njihovo uporabo. Na lastnosti večine gradiv podrobna notranja zgradba atomskega jedra nima vpliva, mnogo pomembnejša je elektronska zgradba atoma, saj iz nje izvira kemično obnašanje elementov in številni pojavi. Pozitivno jedro atoma privlači elektrone, ki pod vplivom elektrostatične sile krožijo okoli njega. Bohr je postavil model, v katerem elektroni krožijo okoli atomskega jedra po krožnih tirnicah s točno določeno energijo, podobno kot planeti okoli Sonca. Elektron se pri nekaterih naravnih pojavih obnaša kot delec, pri drugih pa kot valovanje (dualnost – dvojnost elektrona). V valovni mehaniki opredelimo energijsko stanje elektrona s štirimi kvantnimi števili: glavnim n, stranskim l, magnetnim m in spinskim s. V kvantnomehanskem modelu elektroni zaradi Heisenbergovega načela nedoločljivosti ne krožijo po točno določenih tirnicah, temveč so v verjetnostnem prostoru, ki ga imenujemo orbitala. V vsaki orbitali sta lahko le dva elektrona, ki se razlikujeta v spinu (Paulijevo izključitveno načelo).
- 18 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Med atomi delujejo privlačne in odbojne sile. Na večjih razdaljah prevladuje privlačna, pri majhnih razdaljah pa odbojna sila. V ravnovesni legi sta privlačna in odbojna sila enaki. Pri približevanju atomov do ravnovesne lege se energija sprošča, med njim pa nastanejo atomske ali kemijske vezi. Za ponovno razbitje vezi, to je za razstavitev molekule ali trdne snovi na atome, je potrebno energijo dovajati. Čim močnejša je vez med atomi, tem večji je njihov modul elastičnosti E, tem višje je tališče Tt in tem manjši je temperaturni
razteznostni koeficient α. Narava kemijske vezi in posledično tudi številne lastnosti snovi so odvisne od razlike v elektronegativnosti atomov, ki v vezi sodelujejo. Atomi si lahko elektrone med seboj delijo, tako da tvorijo skupne elektronske pare (kovalentna vez; med močno elektronegativnimi nekovinskimi elementi). V ionskih vezeh elektronegativnejši element odvzame elektron elektropozitivnejšemu (prvi postane anion, drugi pa kation), atoma se privlačita z elektrostatično silo. Pri kovinski vezi vsak atom prispeva enega ali več valenčnih elektronov v skupni elektronski oblak, ki povezuje atome v celoto (vez med elektropozitivnimi elementi).
2.5 Razmisli, odgovori, reši 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6
2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15
Razmisli o osnovnem pomenu pojma atom in njegovi veljavnosti! Kakšna je razlika med atomom, kationom in ionom? Katere lastnosti snovi izvirajo iz zgradbe atomskega jedra in katere iz zgradbe elektronske ovojnice? Katere so temeljne razlike med Bohrovim in valovnomehanskim modelom atoma? V kakšni zvezi so pojmi »Heisenbergovo načelo nedoločljivosti«, »Paulijeve izključitveno načelo« in »Hundovo pravilo«? V primernem Periodnem sistemu elementov poišči elektronsko zgradbo železa! Ali je potrebno pri razlagi njegove elektronske zgradbe upoštevati tudi Hundovo pravilo? Ali železo spada med prehodne kovine? Odgovor utemelji! Od kod izvirajo odbojne in privlačne sile med atomi? Zakaj se na krivulji za celotno potencialno energijo med atomi pojavi minimum? Podajte temeljne razlike med primarnimi in molekulskimi vezmi? Zakaj kovinske in ionske vezi niso usmerjene, kovalentne pa so? Katere so bistvene razlike med ionsko, kovalentno in kovinsko vezjo? Klor je mnogo bolj elektronegativen kot natrij! Pojasnite, kaj se bo zgodilo, če se bosta atoma dovolj približala! V molekuli CO2 je kot med atomoma kisika, ki sta vezana na ogljik, 180°. Katero vrsto hibridizacije ima atom ogljika? Na silicijev atom v SiO2 so vezani štirje kisikovi atomi. Kot med njimi je ~109,5°. Katero vrsto hibridizacije ima atom silicija? Volframov karbid WC je zelo trda in krhka snov, ki ima tudi dobro električno prevodnost. Kakšen je po vašem mnenju značaj vezi med W in C?
2.6 Dodatna literatura k poglavju 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7
Davies, D. A.: Waves, Atoms and Solids, Logman, London New York, 1978 Glavič, Peter: Gradiva, Maribor : Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, 2001 Glavič, Peter: Mednarodni sistem merskih enot in znakov, 2. popravljena in dopolnjena izdaja, ponatis, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, Maribor 1997. Kladnik, Rudolf: Osnove fizike, II. del, Državna založba Slovenije, Ljubljana 1985 Koller, Jože: Struktura atomov in molekul, Državna založba Slovenije, Ljubljana 1987 Lazarini, Franc; Brenčič, Jurij: Splošna in anorganska kemija, 3. natis. – Ljubljana, Državna založba Slovenije, 1992 (To knjigo priporočava za poglobljen študij snovi tega poglavja.) Zupanič, Franc: Gradiva: Zbirka nalog in tabel, Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo, Maribor, 2006. (To gradivo je komplementarno tej študijski literaturi. V njem so naloge, ki so namenjene uporabi znanja v tem poglavju. Vsebuje tudi razpredelnice s podatki o kemijskih elementih.)
3
Razporeditev atomov v trdnih snoveh
Kaj bomo izvedeli? Kako razdelimo trdne snovi glede na urejenost? V čem se razlikujejo lastnosti kristalnih in amorfnih snovi? Katere vrste kristalne simetrije poznamo? Kako označujemo kristalne smeri in ravnine? Kakšne so značilnosti kovinskih, kovalentnih, ionskih in polimernih kristalov? Equation Section 3
3.1 Razdelitev trdnih snovi glede na urejenost in njihove značilnosti V prejšnjem poglavju smo spoznali, da lahko atomi zmanjšajo svojo energijo tako, da se drug drugemu približajo na ravnovesno razdaljo r0. Pri tem nastane trdno telo. Atomi so praviloma periodično razporejeni v prostoru in izoblikujejo pravilno tridimenzijsko ureditev; takšne snovi so kristalne. Te imajo pri absolutni ničli (0 K) najmanjšo prosto energijo G (glej poglavje Osnove termodinamike materialov) in največjo urejenost. Z višanjem temperature se povečuje toplotna energija v snovi, ki povzroča vedno večjo neurejenost: najprej močnejše nihanje atomov okoli ravnovesne lege, raztezanje snovi ter nastanek določenih kristalnih napak, nato pa prehod v tekoče in na koncu v plinsko agregatno stanje. Čeprav ima kristalno stanje snovi najmanjšo možno prosto energijo G, lahko v trdnem stanju dosežemo tudi amorfno in kvazikristalno stanje. V nadaljevanju si bomo ogledali nekaj razlik med njimi. Zgradba trdnih snovi ni nikoli povsem neurejena. Neurejeni so le plini, kjer so atomi ali molekule naključno razporejeni v prostoru. Tekočine niso več tako neurejene, saj lahko v njih ugotovimo red kratkega dosega. Vsak atom v tekočini ima podobno, vendar ne povsem enako okolico. Kratki red se razteza le na razdalji nekaj medatomskih razdalj. Tako v plinih kakor tudi v tekočinah se medsebojna razporeditev gradnikov (atomov, molekul) relativno hitro spreminja s časom, kajti v teh stanjih so atomi zelo gibljivi. Trdne snovi so lahko steklaste (amorfne) ali kristalne. V steklastem stanju snovi je red kratkega dosega, ki je omejen le na najbližje sosede. Njihova zgradba je zelo podobna zgradbi tekočin. Kratki red ponazarja slika 3.1 a na primeru spojine A3B2. Vsak temen krožec (B) je obdan s tremi svetlimi krožci (A), vsak svetel pa z dvema temnima. Vsak istovrstni krožec ima podobno okolico, ne pa enake. Razdalje med krožci in koti med vezmi se namreč razlikujejo in ni reda dolgega dosega. Steklasto zgradbo imajo številni materiali: npr. kremenovo steklo, večina polimerov (razen delno kristalnih plastomerov) ter zlasti nekatere kovine in zlitine (kovinska gradiva), ki so z ustreznimi postopki amorfizirana. Osnovna značilnost kristalnih snovi je njihova urejena notranja zgradba. Danes ločimo periodične in neperiodične kristale. V periodičnih kristalih so njihovi gradniki (atomi, ioni, molekule) pravilno in periodično razporejeni v prostoru. Tak red se razteza čez območja, ki so zelo velika v primerjavi z medatomskimi razdaljami, zato ga imenujemo red dolgega dosega (slika 3.1 b). Jasno je tudi, da lahko obstaja red kratkega dosega brez reda dolgega dosega, ne pa red dolgega dosega brez reda kratkega dosega. Leta 1984 so odkrili kvazikristalne snovi, ki spadajo med neperiodične kristale. Čeprav je položaj vsakega gradnika v njih natančno določen, tako da imajo tudi red dolgega dosega, njihova zgradba ni periodična, temveč kvaziperiodična.
- 19 -
- 20 -
Slika 3.1:
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Prikaz razporeditve atomov v a) steklasti (amorfni), b) kristalni in c) kvazikristalni snovi s pripadajočimi elektronskimi uklonskimi vzorci
Kristale ločimo od stekel po več značilnostih. Prva izmed njih je uklonska slika, ki jo dobimo pri presevanju tankih folij z elektroni v transmisijskem (presevnem) elektronskem mikroskopu (TEM).* Za steklaste snovi so značilni zelo široki koncentrični kolobarji, ki kažejo, da razdalje med atomi niso povsem enake, temveč bolj ali manj razpršene okoli neke srednje razdalje. Pri presevanju posameznega kristala nastane pravilna in periodična dvodimenzijska mreža uklonskih lis. Tudi pri uklonu elektronov na kvazikristalih nastane oster uklonski vzorec, kar dokazuje, da so ti bolj podobni kristalom kot amorfnim snovem. Po najnovejši definiciji so kristali snovi, ki imajo oster uklonski vzorec; torej med nje spadajo tudi kvazikristali.
Slika 3.2:
Spreminjanje a) viskoznosti in b) gostote amorfne in kristalne snovi. Za kristalne snovi je značilna ostra in nenadna sprememba pri tališču Tt. Po drugi strani viskoznost amorfne snovi zvezno narašča z nižanjem temperature. Pod Tt je podhlajena talina. Pod stekliščem Tg (temperaturo steklastega prehoda) je viskoznost že tako velika, da se snov obnaša kot trdno telo: lahko prenaša strižne obremenitve.
Amorfne snovi nimajo urejene zgradbe, vendar je ta v povprečju enako neurejena v vseh smereh. Zato so njihove lastnosti v vseh smereh enake – izotropne. Nasprotno pa so lastnosti posameznih kristalov anizotropne – neenake v različnih smereh, vendar se v določenih smereh ponavljajo (slika 3.4). Neenake so zato, ker se razdalje med atomi v različnih smereh razlikujejo, ponavljajo pa se zato, ker ima vsak kristal določene simetrijske elemente.
* Kot smo že omenili, se elektroni včasih obnašajo kot delci, včasih kot valovanje. Pri prehodu skozi tanke folije se elektroni uklanjajo na atomih kot valovanje. Med uklonjenimi elektroni poteka interferenca. Če so valovi različnih elektronov v fazi: to pomeni, da se vrhovi in doline različnih elektronskih valov skladajo, se valovanje ojači in na uklonskem posnetku je svetla točka. Če valovi niso v fazi, se med seboj izničijo: točka je temna.
3. Razporeditev atomov v trdnih snoveh
Slika 3.3:
21
Prehod iz stanja z redom kratkega dosega v stanje z redom dolgega dosega v SiO2. V SiO2 je osnovni gradnik tetraeder SiO44–. Ti so lahko med seboj povezani v oglišču, na robu ali na ploskvi. V tekočem stanju so možne vse tri variante. Pri prehodu iz tekočega v kristalno stanje morajo biti tetraedri povezani samo v ogliščih.
Druga bistvena razlika je v spreminjanju viskoznosti in gostote s temperaturo (slika 3.2). Čista snov kristalizira pri konstantni temperaturi – tališču Tt, pri tem iz reda kratkega dosega nastane red dolgega dosega. Viskoznost se nenadoma močno poveča. Talino, ki ne more prenašati strižnih obremenitev, zamenja toga trdna snov. V nasprotju s tem se viskoznost amorfne snove zvezno povečuje ob zniževanju temperature. Talina pod tališčem Tt se imenuje podhlajena talina. Pri steklišču Tg (bolj pogosta, vendar daljša izraza sta »temperatura steklastega prehoda« ali »temperatura vitrifikacije«) se viskoznost toliko poveča, da se atomi v talini ne morejo več premikati drug proti drugemu in snov lahko prenaša strižne obremenitve. Iz podhlajene taline dobimo amorfno stanje, za katero je prav tako kot za talino značilen red kratkega dosega. Tukaj si lahko zastavimo vprašanje, kako sploh lahko nastane amorfno stanje, če je kristalno bolj stabilno in bi glede na to pričakovali, da bo tudi vselej nastalo? Razlog za to je v tem, da se morajo atomi pri prehodu iz tekočega v kristalno stanje preurediti, saj se red kratkega zamenja z redom dolgega dosega. Za to pa je potreben čas. Če ohlajamo dovolj hitro, lahko preprečimo kristalizacijo. Za čiste kovine je potrebna ohlajevalna hitrost okoli 109 K/s, za večino zlitin okoli 106 K/s, za sodobne amorfne zlitine nekaj K/s, še bolj počasno ohlajanje pa zadostuje za steklasto strjevanje termoplastov in SiO2 (slika 3.3), kjer so večji in bolj zapleteno grajeni gradniki težje gibljivi in je za preurejanje potrebno več časa.
Slika 3.4:
Smerna odvisnost lastnosti v a) amorfnih in b) kristalnih snoveh. Amorfne snovi imajo v vseh smereh enake – izotropne – lastnosti, medtem ko se lastnosti kristalnih snovi praviloma spreminjajo z orientacijo. Neka lastnost se pri zasuku za polni kot lahko večkrat ponovi. To je odvisno od simetrije kristala.
Navedite temeljne razlike med amorfno in kristalno zgradbo? Ali lahko dosežemo spontan prehod (poteka sam od sebe) iz kristalnega v amorfno stanje? Kaj pa nasprotno?
3.2 Simetrija in kristalni sistemi Po nekoliko starejši definiciji (Slovar slovenskega knjižnega jezika, str. 454) je kristal telo s pravilno notranjo zgradbo in ravnimi mejnimi ploskvami. Ravne mejne ploskve imenujemo tudi fasete. V kristalih se pogosto pojavljajo fasete kot vzporedni pasovi na diametralno nasprotni strani kristala. Če ima v kristalu vsaka faseta na nasprotni strani kristala geometrijsko enako in vzporedno faseto, potem vsebuje kristal simetrijsko ali inverzno središče. Kocka ima simetrijsko središče v svojem središču. Drugi
- 22 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
simetrijski element je zrcalna ravnina. Imajo ga kristali, ki jih z namišljeno ravnino lahko razdelimo na dva dela tako, da je polovični kristal na eni strani ravnine zrcalna slika kristala z druge strani ravnine. Kocka ima več zrcalnih ravnin (slika 3.5 b)
Slika 3.5:
Simetrijski elementi v kocki. a) Simetrijsko središče v središču celice, skozi središča nasprotnih ploskev potekajo tri štirištevne osi, skozi nasprotna oglišča štiri trištevne osi ter skozi središča nasprotnih robov šest dvoštevnih osi. b) Diagonalna (vseh je šest) in navpična (skupaj so tri) zrcalna ravnina.
Tretji simetrijski element je simetrijska (sučna) os. Simetrijsko os imajo kristali, ki pri vrtenju za polni krog večkrat zavzamejo položaj, ki je geometrijsko povsem identičen (enak) začetnemu položaju. Če vrtimo kocko okoli osi, ki poteka skozi središči nasprotnih ploskev, dosežemo pri rotaciji za 90° položaj, ki je geometrijsko povsem enak začetnemu položaju. Pri polnem zasuku se to zgodi štirikrat: 360°/90° = 4. Ta os je 4-števna. V kristalih so možne 1-, 2-, 3-, 4- in 6-števne osi, v kvazikristalih pa so do sedaj ugotovljene 5-, 8-, 10- in 12-števne osi.
Slika 3.6:
Nekaj osnovnih celic v dvodimenzijskem vzorcu. Najprimernejša je osnovna celica označena z B, ker je to najmanjša možna celica z najvišjo stopnjo simetrije danega vzorca – ima štirištevno sučno os.
Razpredelnica 3.1: kristalni sistem triklinski
monoklinski ortorombični tetragonalni heksagonalni kubični
Kristalni sistemi in njihove značilnosti značilne simetrijske osi samo 1-števne osi, nima rotacijske simetrije ena 2-števna os tri 2-števne osi ena 4-števna os ena 6- oziroma ena 3-števna* os štiri 3-števne osi
značilnosti osnovne celice a ≠ b ≠ c; α ≠ β ≠ γ ≠ 90° a ≠ b ≠ c; α = β = 90° in γ ≠ 90° a ≠ b ≠ c; α = β = γ = 90° a = b ≠ c; α = β = γ = 90° a = b ≠ c; α = β = 90°, γ = 120° a = b = c; α = β = γ = 90°
* Nekateri avtorji uvrščajo kristale z eno 3-števno osjo v poseben kristalni sistem: romboedrični (a = b = c; α = β = γ ≠ 90°). Na osnovi n-števnosti simetrijskih osi lahko vse kristale razdelimo le v šest kristalnih sistemov (razpredelnica 3.1). V vsakem od teh kristalnih sistemov lahko definiramo osnovno obliko celice, ki je v
3. Razporeditev atomov v trdnih snoveh
23
splošnem paralelepiped†. Osnovna celica je definirana s tremi enotnimi vektorji a, b in c v smeri koordinatnih osi x, y in z. Dolžine vektorjev so a, b in c, koti med njimi pa α, β in γ. Za splošen paralelepiped, ki je tudi osnovna celica triklinskega sistema, velja: a ≠ b ≠ c; α ≠ β ≠ γ ≠ 90°. S premikom (translacijo) osnovne celice za celoštevilčne večkratnike enotnih vektorjev a, b in c lahko zgradimo poljubno velik kristal. Načeloma lahko v poljubnem kristalu definiramo izredno veliko osnovnih celic, toda med temi izberemo tisto, ki je najprimernejša za obravnavo konkretnega primera (Primer za izbiro osnovne celice v dvodimenzijskem vzorcu je prikazan na sliki 3.6). Najpogosteje je to celica z enim ali več pravimi koti med osmi; oziroma celica, ki odraža največjo simetrijo kristalne mreže. Vsakemu kristalnemu sistemu pripada ena primitivna osnovna celica. To je celica, v kateri so osnovni gradniki razporejeni le v ogliščih paralelepipeda. Mednarodna oznaka za primitivno celico je P. Poleg primitivne, obstajajo še nekatere centrirane mreže, kjer so gradniki lahko tudi: (1) v središču paralelepipeda (telesno ali prostorsko centrirana, oznaka I), (2) v središčih vseh ploskev (ploskovno centrirana, oznaka F) in (3) v središčih le dveh nasproti ležečih ploskev (oznaka C). Bravais (izg. Bravè) je že leta 1848 ugotovil, da obstaja le štirinajst osnovnih mrež, zato se po njem imenujejo Bravaisove mreže (slika 3.7).
Slika 3.7:
Štirinajst Bravaisovih kristalnih mrež. P – primitivna mreža, I – telesno centrirana, C – atoma sta v središču dveh nasprotnih ploskev, F – ploskovno centrirana, R – romboedrična. Bravaisove mreže razdelimo v šest kristalnih sistemov. Nekateri uvrščajo kristale z eno 3-števno osjo v sedmi romboedrični kristalni sistem.
Katere simetrijske elemente ima kvader, če so dolžine vseh stranic različne?
3.3 Označevanje leg atomov, kristalnih smeri in ravnin Lego gradnikov v osnovnih celicah označujemo z relativnimi legami. V primitivnih osnovnih celicah zasedajo gradniki le lego 0,0,0; kajti vsak ogliščni atom npr. atom v legi 1,1,1 lahko s translacijo za celoštevilčno dolžino osnovnih translacijskih vektorjev prenesemo v koordinatno izhodišče. V telesno (prostorsko) centrirani osnovni celici ima atom v središču paralelepipeda koordinate (½, ½, ½), medtem ko so koordinate središč ploskev ploskovno centrirane osnovne celice (0, ½, ½); (½, 0, ½) in (½, ½, 0) (slika 3.8 a).
†
Paralelepiped je pravilno geometrijsko telo, ki ima šest ploskev, vsaka od njih pa je paralelogram.
- 24 -
Slika 3.8:
GRADIVA – Visokošolski učbenik
a) Lege atomov v ploskovno centrirani celici, b) prikaz smeri [1 2 1], prikaz ravnin c) (3 2 6) in d) (3 1 0)
Smer v kristalni mreži lahko opišemo s poljubnim vektorjem izmed neskončnega števila vektorjev, ki pripadajo isti smeri. Od teh je najugodneje izbrati vektor, ki izhaja iz koordinatnega izhodišča in sega do točke P na izbrani smeri (slika 3.8 b). Postopek ugotavljanja Millerjevih indeksov smeri je naslednji: Ugotovimo koordinate vektorja V1 (slika 3.8 b): ½ a, b, ½ c. Koordinate vektorja delimo z dolžinami osnovnih translacijskih vektorjev in dobimo:
1 a 1 c 2 , b , 2 = 1 ,1, 1 . Ta števila pomnožimo z najmanjšim a b c 2 2
skupnim imenovalcem. Dobljena števila 1, 2, 1 postavimo v oglat oklepaj: [1 2 1]. To se Millerjevi indeksi smeri. Tukaj je potrebno poudariti, da bi dobili enake Millerjeve indekse smeri ne glede na dolžino izbranega vektorja. Enake Millerjeve indekse smeri ima tudi katera koli premica, ki je vzporedna tej premici. Nasprotna smer (to bi dobili, če bi bil vektor V1 obrnjen v nasprotno smer) ima Millerjeve indekse [1 2 1] . Pri tem črtica nad številko pomeni negativni predznak. Enakovredne smeri spadajo v skupno družino. Na primer robovi osnovne celice v kubičnem sistemu [1 0 0], [01 0], [0 0 1], [1 0 0], [01 0], [0 01] spadajo v isto družino, ki jo označimo z <1 0 0>.
V heksagonalnem sistemu lahko namesto treh uporabimo štiri indekse [U V T W], ki jih imenujemo Miller-Bravaisovi indeksi. Če poznamo Millerjeve indekse, jih izračunamo na naslednji način: 1 1 U = (2u − v); V = (2v − u ); T = −(U + V ) in W = w. 3 3 Pri ugotavljanju Millerjevih indeksov ravnine (primer za ravnino na sliki 3.8 c) naprej poiščemo presečišča s koordinatnimi osmi: 2/3 a, b, 1/3 c, delimo z dolžino osnovnih translacijskih vektorjev: 2 / 3 a b 1/ 3 c 2 1 3 = ,1, ; izračunamo obratne vrednosti: , , ,1,3 , pomnožimo z najmanjšim skupnim a b c 3 3 2 imenovalcem (številom 2): 3, 2, 6. To trojico števil postavimo v okrogli oklepaj in dobimo Millerjeve indekse ravnine: (3 2 6). Tudi pri označevanju ravnin v heksagonalnem sistemu uporabljamo štiri Miller-Bravaisove indekse (h k i l). Pri teh velja naslednja zveza: h + k = -i. Tudi določene ravnine v kristalih so enakovredne, ker imajo enako gostoto zasedenosti z atomi, razporeditev in razdalje med atomi, zato spadajo v isto družino. V družino ravnin {1 0 0} spadajo naslednje ravnine: (1 0 0), (0 1 0), (0 0 1), (1 0 0), (0 1 0), (0 0 1). To so dejansko ploskve kocke. Če opisujemo zunanje ploskve kristala (njegov habitus), ki je obdan z ravninami iz družine {1 0 0} (to je npr. lahko kristal kuhinjske soli), potem je smiselna uporaba vseh šestih posebnih ravnin. Ravnina (1 0 0) je sprednja ploskev kocke, ravnina (1 0 0) pa zadnja. Tako skupaj potrebujemo za opis zunanjih ploskev kocke šest posebnih ravnin. Kadar opisujemo ravnine v kristalu, ugotovimo, da ni nobene razlike med ravninama (1 0 0) in (1 0 0), zato lahko vzamemo, da spadajo v družino ravnin {1 0 0} le tri ravnine, saj pri isti ravnini lahko dobimo pozitiven ali negativen indeks v odvisnosti od tega, kje izberemo koordinatno izhodišče.
3. Razporeditev atomov v trdnih snoveh
25
Ali v tetragonalnem sistemu spadata ravnini (1 0 0) in (0 1 0) v isto družino? Zakaj? Kaj pa smeri [1 1 0] in [0 1 1]?
3.4 Teoretična gostota snovi Če poznamo velikost osnovne celice in število atomov, ki se nahajajo v njej, lahko izračunamo teoretično gostoto kristalne snovi. Gostota snovi ρ je definirana kot masa m v prostornini V:
ρ=
m V
(3.1)
Pri izračunu teoretične gostote iz kristalografskih podatkov je masa m enaka masi atomov v osnovni celici, prostornina V pa prostornina osnovne celice. Masa posameznega atoma mi:
mi = Ar i u =
Mi NA
(3.2)
kjer je Ari relativna atomska masa elementa i, u osnovna enota mase, NA Avogadrova konstanta in Mi molska masa elementa i. V osnovnih celicah je lahko več atomov. Njihovo število v osnovni celici označimo z Z. Prostornino V v splošnem izračunamo z mešanim produktom a . b × c, v kubičnem sistemu je seveda enak a3. Če vse to združimo, dobimo za teoretično gostoto v kubičnem sistemu dve enakovredni enačbi:
ρ=
Z ⋅ Ai ⋅ u Z ⋅ Mi ali ρ = 3 3 a a ⋅ NA
(3.3)
Kolikšna je prostornina osnovne celice v tetragonalnem in ortorombičnem kristalnem sistemu?
3.5 Kovinski kristali V kovinskih kristalih prevladuje kovinska vez. Kovinske katione, ki imajo obliko krogel, povezujejo prosti elektroni. Kovinska vez deluje v vse smeri enako močno in vsak atom se želi obdati s čim večjim številom sosedov. Kovinski kristali navadno dosežejo stabilno stanje (najmanjša prosta energija G), ko so atomi razporejeni najgosteje, kar je možno. V tem primeru ima vsak atom 12 sosedov. To se doseže v dveh kristalnih zgradbah: ploskovno centrirani kubični (PCK) in heksagonalni gosto zloženi (HGZ). Le nekoliko manj gosta je razporeditev atomov v telesno centrirani kubični mreži (TCK). Značilnosti teh najgosteje zasedenih kristalnih zgradb si bomo ogledali v nadaljevanju. 3.5.1 Najgostejši zlog Predstavljajmo si, da je najgosteje zasedena prostorska zgradba sestavljena iz zloga najgostejših ravnin. V taki ravnini je vsak atom obdan s šestimi sosedi (slika 3.9). Položaje atomov v tej ravnini označimo z A. Med vsako trojico atomov je vdolbina. Ločimo dve vrsti vdolbin, ki ju označimo z B in C. Okoli vsakega položaja B so trije enako oddaljeni položaji C. Temu sledi šest nekoliko bolj oddaljenih položajev B. Zakaj sta potrebna dva položaja vdolbin, bomo takoj pojasnili. Če položimo atom v drugi plasti na položaj B, ne moremo naslednjega atoma položiti na sosednji položaj C, ker je premalo prostora. Naslednje atome lahko položimo na šest najbližjih položajev B. Če nadaljujemo zlaganje atomov na enak način, bodo vsi atomi v drugi plasti zasedali položaje B, vsak atom pa bo imel šest najbližjih sosedov, torej bo druga ravnina povsem enaka prvi.
- 26 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
a)
Slika 3.9:
b)
c)
Prikaz najgostejšega zloga atomov v kovinah. a) Najgosteje zložena ravnina. Vsak atom ima šest sosedov, ki se ga dotikajo. b) Atome v drugi plasti položimo na položaje B. Zaradi velikosti atomov ostanejo položaji C nezasedeni. c) Atome v tretji plasti lahko položimo ali na položaj A ali položaj C. Če so atomi v položaju A, nastane zaporedje zloženih ravnin ABABA..., ki je značilno za heksagonalno gosto zloženo kristalno zgradbo (HGZ). Če so v položaju C, dobimo zaporedje ravnin ABCABC..., ki je značilno za ploskovno centrirano kubično kristalno zgradbo (PCK).
Atome v tretji ravnini lahko položimo ali v položaj A ali C. Če jih položimo v položaj A, so atomi točno nad atomi v prvi vrsti. S ponavljanjem dobimo zaporedje najgosteje zasedenih ravnin ABABAB…, ki je značilno za heksagonalno gosto zloženo kristalno zgradbo (HGZ – heksagonalni gosti zlog). Druga možnost je položaj C, v tem primeru dobimo zaporedje najgostejših ravnin ABCABCABC… To je zaporedje v ploskovno centrirani kubični kristalni zgradbi (PCK). V vsaki od teh kristalnih zgradb ima atom v najgosteje zasedeni ravnini šest sosedov, tri v ravnini pod njim ter tri v ravnini nad njim: torej 12 najbližjih sosedov. To število imenujemo koordinacijsko število. Kadar so atomi enako veliki, večjega koordinacijskega števila ne moremo doseči. V HGZ in PCK je tudi največji delež prostora zaseden z atomi: 74 %. Večina kovin ima najgostejši zlog pri absolutni ničli (0 K). Tudi povečevanje tlaka favorizira nastanek gosto zloženih kristalnih zgradb. Navedite sorodnosti in razlike med kristalnima zgradbama PCK in HGZ?
3.5.2
Slika 3.10:
Ploskovno centrirana kubična kristalna zgradba (PCK)
Osnovna celica ploskovno centrirane kubične kristalne zgradbe (PCK). Atomi so v ogliščih in središčih ploskev. Celici pripada 1/8 vsakega ogliščnega atoma in polovica atoma na ploskvi.
Ploskovno centrirana kubična kristalna zgradba (PCK) ima naslednje značilnosti. Vsi robovi kocke imajo enako dolžino a = b = c, zato označimo vse robove z a; koti med robovi so enaki 90°: α = β = γ = 90°. To je značilnost vseh kubičnih kristalnih zgradb – kubičnega kristalnega sistema. Atomi zasedajo vsa oglišča in središča ploskev (slika 3.10). Število oglišč in s tem število ogliščnih atomov je enako 8. Vendar atom v oglišču ne pripada v celoti samo eni celici. Ogliščni atom si deli osem sosednjih celic (v oglišču se namreč dotika osem kock), zato samo 1/8 ogliščnega atoma pripada eni celici. Tako je skupno število ogliščnih atomov no, ki pripadajo celici:
3. Razporeditev atomov v trdnih snoveh
27 1 no = 8 ⋅ = 1 8
(3.4)
Atom, ki leži v središču ploskve, si delita dve sosednji celici, torej eni celici pripada ½ atoma. Ker je teh atomov 6, je skupno število ploskovnih atomov np: np = 6 ⋅
1 =3 2
(3.5)
Število atomov, ki pripadajo osnovni celici ploskovno centrirane kubične kristalne zgradbe, je:
Z = no + n p = 1 + 3 = 4
Slika 3.11:
(3.6)
a) Razporeditev atomov v ravnini (1 0 0) in b) najgosteje zasedena ravnina in smer v PCK
Iz slike 3.10 osnovne celice je razvidno, da se atomi dotikajo vzdolž ploskovne diagonale – to je v smereh iz družine <1 1 0>. Razdalja med najbližjima atomoma – to je med središčema dveh sosednjih atomov - je enaka dvema atomskima polmeroma R ali polovici ploskovne diagonale: dobimo povezavo med atomskim polmerom in robom osnovne celice: a =
4R 2
a 2 . Iz tega 2
. Najgosteje zasedene
ravnine spadajo v družino {1 1 1}. PCK ima štiri takšne ravnine: (111), (1 11), (1 1 1) in (1 1 1) , katerih ploskovna zasedenost je malo večja kot 90 %. Ker imajo atomi obliko podobno kroglam, ne morejo zapolniti celotnega prostora. Prazen prostor med atomi imenujemo vrzeli ali intersticije. Glede na število atomov, ki obdajajo posamezno vrzel, ločimo tetraedrske vrzeli (število obdajajočih atomov ali koordinacijsko število je 4) in oktaedrske vrzeli (število obdajajočih atomov ali koordinacijsko število je 6). Tukaj moramo poudariti, da vrzeli ali intersticije niso napake v kristalu!
Oktaeder je pravilno geometrijsko telo z osmimi enakimi ploskvami, ki ima šest oglišč. V osnovni celici PCK dobimo oktaeder, če povežemo s črtami vseh šest atomov v središču ploskev. V središču oktaedra je največji prazen prostor, ki ga imenujemo oktaedrska vrzel ali intersticija. Ta vrzel ima koordinate ½, ½, ½. Poleg te vrzeli je še dvanajst dodatnih oktaedrskih vrzeli na središčih robov, tako da 1 4
eni celici PCK pripadajo: 1 + 12 = 4 oktaedrske vrzeli. Po dogovoru je velikost oktaedrske vrzeli enaka premeru včrtanega kroga v prostoru med šestimi atomi oktaedra. Polmer vrzeli r je 0,4142 R (kjer je R polmer atoma). Oktaedrske vrzeli zasedejo brez nastanka velikih notranjih napetosti samo atomi, ki so precej manjši od atomov, ki tvorijo kristalno zgradbo PCK. Tak element je običajno le vodik, medtem ko sta polmera C in N večja kot 41 % R, zato njuni atomi povzročijo velike notranje napetosti v materialih in s tem prispevajo k povečanju napetosti tečenja in trdote.
- 28 -
Slika 3.12:
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Položaj in velikost a) oktaedrskih in b) tetraedrskih vrzeli (intersticij) v PCK
Tetraeder je pravilno geometrijsko telo s štirimi enakimi ploskvami. V osnovni celici PCK konstruiramo tetraeder tako, da povežemo med seboj središče ogliščnega atoma s središči treh najbližjih ploskovnih atomov. Med temi štirimi atomi je prazen prostor, ki se imenuje tetraedrska vrzel ali intersticija. Njeno središče je na četrtini telesne diagonale. Telesna diagonala povezuje nasprotni oglišči kocke. Vsaki celici pripada osem tetraedrskih vrzeli. Te so manjše kot oktaedrske, saj njihov polmer znaša le r = 0,224 R. 3.5.3 Heksagonalna gosto zložena kristalna zgradba (HGZ) Za osnovno celico v HGZ navadno izberemo šeststrano prizmo (slika 3.13), ki je sestavljena iz treh najmanjših osnovnih celic. Najgosteje zasedena ravnina je le osnovna (bazna) ravnina, v kateri je okoli vsakega atoma šest sosedov. Atomi zgornje ploskve so točno nad atomi spodnje (zaporedje ABA). MillerBravaisovi indeksi osnovne ravnine so (0 0 0 1). Rob osnovne celice je a, in v tej smeri se atomi tudi dotikajo med seboj, zato je a = 2R. Miller-Bravaisovi indeksi najgosteje zasedenih smeri so [1 0 1 0].
Višino prizme označimo s c. V idealnem HGZ kristalu je c = 1,633 a. Celici pripada 6 atomov. Število najbližjih sosedov (koordinacijsko število) je 12, prostorska zasedenost z atomi pa 74 %. Velikosti oktaedrskih in tetraedrskih vrzeli so enake kot v PCK: 0,4142 R in 0,224 R.
Slika 3.13:
3.5.4
Osnovna celica HGZ je šeststrana prizma.
Telesno ali prostorsko centrirana kubična kristalna zgradba (TCK)
Atomi so razporejeni v ogliščih in središču kocke. Vsaki celici pripadata 1 + 8 . 1/8 = 2 atoma. Vsak atom ima osem najbližjih sosedov. Atomi se dotikajo v smereh <1 1 1>, razdalja med njimi je polovica telesne diagonale. Najgosteje so zasedene ravnine iz družine {1 1 0}, vendar so zasedene manj gosto kot najgosteje zasedene ravnine v PCK in HGZ. Tudi zasedenost prostora z atomi je manjša: 68 %. TCK ima več tako oktaedrskih (6) kot tudi tetraedrskih vrzeli (12), vendar so manjše. Polmer oktaedrske vrzeli r = 0,155 R, tetraedrske pa 0,29 R.
3. Razporeditev atomov v trdnih snoveh
29
Slika 3.14:
a) Osnovna celica TCK. Atomi so v ogliščih in središču osnovne celice. Vsak atom ima osem najbližjih sosedov. Najgosteje je zasedenih šest ravnin iz družine {1 1 0}. Atomi se dotikajo vzdolž telesne diagonale, to je v smereh <1 1 1>. b) Razporeditev atomov v ravnini (1 1 0). Najkrajša razdalja med atomoma je polovica telesne diagonale.
Slika 3.15:
Položaj a) oktaedrskih in b) tetraedrskih vrzeli v TCK. Oktaedrske vrzeli so v središčih šestih ploskev in razpoloviščih 12 robov. Na vsaki ploskvi so tudi štiri tetraedrske vrzeli.
Zakaj v nobeni kristalni zgradbi ne moremo v celoti zasesti prostora z atomi? Kakšna je velikost vrzeli v primerjavi z velikostjo atomov? Poiščite, v katerih poglavjih tega študijskega gradiva, je še omenjen pojem »vrzel«!
3.6 Ionski kristali Ionski kristali so sestavljeni iz kationov in anionov. Prostorsko zgradbo ionskih kristalov določata dva kriterija: 1)
elektronevtralnost kristala in
2)
razmerje polmerov ionov.
Prvi kriterij določa razmerje števila kationov in anionov v osnovni celici oziroma določa kemijsko formulo snovi. V kuhinjski soli NaCl (slika 3.16) ima Na valenco +1, Cl pa –1. Da dosežemo nevtralnost, mora biti v osnovni celici enako število atomov Na in Cl. Odtod tudi kemijska formula NaCl. V aluminijevem oksidu je valenca Al enaka 3+, kisika pa –2. Iz tega sledi, da mora biti razmerje NAl/NO = 2/3 in formula Al2O3. Le v tem primeru je kristal nevtralen: NAl. (+3) + NO . (-2) = 2 . (+3) + 3 . (-2) = 0. Drugi kriterij določa koordinacijsko število; to je število anionov, ki obdajajo kation (razpredelnica 3.2). Koordinacijsko število je tem večje, čim manjša je razlika v velikosti aniona in kationa. Kot primer
- 30 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
poglejmo kristal NaCl (kuhinjske soli). Ionska polmera Na+ in Cl– sta RNa+ = 102 pm in RCl– = 181 pm. R + 102 pm = 0,564. Zato je razmerje Na = RCl − 181 pm
Iz razpredelnice 3.2 ugotovimo, da je pri tem razmerju velikosti ionov koordinacijsko število enako šest; vsak ion obdaja šest nasprotnih ionov. Ker so anioni praviloma večji kot kationi (v tem primeru je ion klora mnogo večji od kationa natrija), si zgradbo NaCl predstavljamo tako, da anioni Cl- zasedajo položaje atomov v PCK, kationi Na+ pa so v vseh oktaedrskih vrzelih.
Slika 3.16:
Osnovna celica NaCl. Vidno je, da je najbližji sosed anionu Cl– kation Na+. Vsak atom klora ima 6 najbližjih sosedov: koordinacijsko število je 6.
Razpredelnica 3.2:
Odvisnost koordinacijskega števila od razmerja polmerov kationa in aniona razmerje Rk/Ra
koordinacijsko število
0,155-0,225 0,225-0,414 0,414-0,732 0,732-1,000 1,000
3 4 6 8 12
razporeditev anionov okoli kationa trikotnik tetraeder oktaeder kocka kocka
Ugotovite, kolikšno je koordinacijsko število v CsCl! Katere podatke potrebujete za to?
Slika 3.17:
Osnovna celica diamanta z označenimi položaji atomov. Osnovna celica ima skladno s kubično simetrijo vse stranice enako dolge, koti med njimi so 90°. Atomi, ki so v položaju 0, 0, 0, zasedajo vseh osem oglišč celice, medtem ko atomi, ki zasedajo položaje tipa 0, ½, ½, zasedajo središča vseh šestih ploskev kristala. Preostali štirje atomi so znotraj osnovne celice. Ležijo na ¼ dolžine telesne diagonale. Na vsaki diagonali je le en atom ogljika.
3.7 Kovalentni kristali Kovalentna vez je usmerjena, zato je prostor precej manj zaseden z atomi kot v ionskih in kovinskih kristalih. Poleg tega je število vezi, ki jih tvori posamezen atom, enako 8 – S (S je skupina periodnega sistema, v katero spada posamezen atom). Iz tega izhaja, da je število vezi in s tem število najbližjih
3. Razporeditev atomov v trdnih snoveh
31
sosedov omejeno. Kot primer si poglejmo diamant, ki ga sestavljajo le atomi ogljika. Ogljik v diamantu ima sp3-hibridizacijo, tako da so koti med ogljikovimi orbitalami 109,47°. Vsaka orbitala atoma se prekriva z orbitalo sosednjega atoma, zato je število najbližjih sosedov (koordinacijsko število) enako štiri.
3.8 Polimerni kristali Polimerna gradiva so sestavljena iz polimernih verig. Kristalizacija je možna le takrat, kadar polimerne verige niso povezane med seboj (nezamrežena polimerna gradiva – termoplasti) ter ko so tudi same polimerne verige urejene. Zato so polimeri le izjemoma kristalni, pa še tedaj je kristalizacija le delna. (Več v poglavju Polimerna gradiva).
Slika 3.18:
Zgradba termoplasta (plastomera) v tekočem in trdnem amorfnem stanju. Makromolekule so prepletene med seboj, niso pa povezane (a), urejanje polimernih verig v delno kristalnem termoplastu (b) in neurejena zgradba zamreženega polimernega gradiva (npr. elastomera – gume)
Slika 3.19:
Odsek urejene verige PVC (polivinil klorida). PVC je nezamreženo polimerno gradivo, torej spada v skupino termoplastov (plastomerov). Kristalizira lahko le tedaj, če je celotna veriga urejena.
Povzetek Razporeditev atomov v trdnih snoveh in narava vezi med atomi močno vpliva na lastnosti gradiv. Atomi v trdnih snoveh niso nikoli povsem neurejeno razporejeni. V njih so okolice vseh atomov podobne, zato obstaja vsaj red kratkega dosega, ki se razteza nekaj medatomskih razdalj. Če je v trdni snovi le red kratkega dosega, potem je ta snov steklasta ali amorfna. Praviloma so atomi v večini trdnin urejeno razporejeni, tako da obstaja red dolgega dosega, še več: razporeditev atomov je navadno periodična – te trdne snovi imenujemo kristali. Številne lastnosti materiala, ki je sicer sestavljen iz enakih atomov, so v steklastem stanju bistveno drugačne kot v kristalnem. S periodično razporeditvijo atomov so povezane različne simetrije: translacijska, rotacijska in zrcalna simetrija ter simetrijsko središče. V periodičnih kristalih lahko definiramo osnovno celico; z zlaganjem osnovnih celic v vseh smereh prostora lahko zgradimo poljuben kristal. V kristalih lahko definiramo kristalne smeri in kristalne ravnine.
- 32 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Za kovinske kristale je značilno, da atomi pogosto tvorijo najgostejši možni zlog. Dobimo heksagonalno gosto zloženo in kubično ploskovno centrirano kristalno zgradbo. Ker so atomi podobni kroglam, nikoli ne morejo v celoti zapolniti prostora, zato med njimi ostane nezaseden prostor, ki ga imenujemo vrzeli ali intersticije. Tudi v ionskih kristalih želijo kationi in anioni čim bolj zasesti prostor, poleg tega pa morajo biti v takšnem medsebojnem razmerju, da je kristal električno nevtralen. Vsaj delno urejena zgradba je možna tudi v termoplastičnih polimernih gradivih, ki so sestavljena iz dolgih, vendar urejenih polimernih verig.
3.9 Razmisli, odgovori, reši 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15
Katere so temeljne razlike v lastnostih kristalnih in amorfnih snovi? Zakaj lahko steklasto stanje navadno dosežemo le s hitrim ohlajanjem? Zakaj lažje dosežemo steklastno stanje v polimerih kot v kovinah? Kaj pomeni pojem viskoznost? Kje ga uporabljamo v vsakdanjem življenju? Katere definicije kristala so navedene v tem učbeniku? Kaj imajo skupnega in v čem se razlikujejo? Poišči podobnosti in razlike v zgradbi kovinskih, ionskih in kovalentnih kristalov! Nariši osnovno celiko kristalne zgradbe PCK in vriši ravnino (1 1 0) ter smeri [1 1 0] in [1 1 1]! Z uporabo slike 3.16 pokaži, da je razmerje atomov Na in Cl v NaCl enako 1 : 1! Izračunaj teoretično gostoto Al, če je molska masa MAl = 27 g/mol in mrežna stalnica a = 0,404 nm! V katerih značilnostih sta si kristalni zgradbi HGZ in PCK podobni in v katerih se razlikujeta? Zakaj prostor v trdnih snoveh ni povsem zapolnjen z atomi? Ali bi bil možen ionski kristal LiF2? Odgovor utemljite! Katere pogoje mora izpolnjevati polimer, da lahko kristalizira? Ugotovite, kateri od predmetov, ki jih uporabljate v vsakdanjem življenju, so amorfni in kateri kristalni! V kakšnem stanju je med po točenju? Kaj se z njim zgodi, če ga dolgo ne porabimo? Kako se pri tem spremenijo njegove lastnosti? Navedite podobnosti in razlike med kovinskimi, kovalentnimi, ionskimi in polimernimi kristali!
3.10 Dodatna literatura k poglavju 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6
Glavič, Peter: Gradiva, Maribor : Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, 2001 Glavič, Peter: Mednarodni sistem merskih enot in znakov, 2. popravljena in dopolnjena izdaja, ponatis, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, Maribor 1997 Zupanič, Franc: Gradiva, Zbirka nalog in tabel, Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo, Maribor, 2006 Marinković, Velibor: Fizikalna metalurgija II, Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehniška fakulteta, Oddelek za materiale in metalurgijo, Ljubljana 1999 Kosovinc, Ivan: Metalografija, tretja izdaja, Univerza Edvarda Kardelja v Ljubljani, Fakulteta za naravoslovje in tehnologijo, Ljubljana 1983 Spaić, Savo: Fizikalna metalurgija, Zgradba kovinskih materialov, Strjevanje kovinskih talin, Ljubljana: Oddelek za materiale in metalurgijo, Naravoslovnotehniška fakulteta, Univerza v Ljubljani, Ljubljana, 2002
4
Realna zgradba gradiv
Kaj bomo izvedeli? Kakšna je razlika med idealno in realno zgradbo gradiv? Katere so osnovne značilnosti točkastih, črtnih, ploskovnih in prostorskih napak v gradivih? Katere napake omogočajo premikanje atomov v trdnini? Katere napake bistveno olajšajo plastično deformacijo kovin? Kakšen je vpliv napak na lastnosti gradiv? Katere napake povečajo trdnost in katere žilavost materialov?
Equation Section (Next)
4.1 Uvod V idealno grajenem kristalu se njegovi gradniki periodično razporejeni v prostoru, zato je okolica vsakega gradnika enaka. V realnem kristalu lahko najdemo krajevna odstopanja od idealne zgradbe, toda kljub temu se ohranijo osnovne značilnosti njegove kristalne zgradbe. Kristalne napake navadno delimo glede na njihovo razsežnost: • ničdimenzijske ali točkaste napake (praznine, lastni in tuji intersticijski atomi, substitucijski atomi), • enodimenzijske ali črtne napake (robne in vijačne dislokacije), • dvodimenzijske ali ploskovne napake (malo- in velikokotne kristalne meje, dvojčične meje) ter • tridimenzijske ali prostorske napake (skupki praznin, mikrorazpoke). Definicija idealnega stekla je težja, ker ne poznamo idealne razporeditve atomov v tem stanju. Idealno steklo ima v vsaki točki enake lastnosti (je homogeno) in njegove lastnosti so v vseh smereh enake (je izotropno). Odstopanja od takšne zgradbe predstavljajo predvsem tridimenzijske napake, kot so kristalizirana področja, pore in razpoke.
4.2 Točkaste napake
Slika 4.1:
Točkaste napake v kristalni mreži kovin. a) Idealna mreža, b) praznina – manjkajoč atom na mrežnem mestu, c) lastni intersticijski atom, d) tuj intersticijski atom, e) tuj substitucijski atom, f) Frenkelov par (praznina in lasten intersticijski atom).
Praznina je nezasedeno mrežno mesto v kristalu, ki ga v idealnem kristalu zaseda atom(slika 4.1 b). Praznine so termodinamsko ravnotežne napake. Njihov ravnotežni delež je odvisen od temperature. Če delež praznin povečamo npr. s plastično deformacijo, se bo po določenem času znova vzpostavilo ravnotežno stanje; v kristalu bo ponovno ravnotežni delež praznin. Iz tega izhaja, da so v kristalu viri in ponori praznin. Viri praznin so mesta, kjer praznine nastajajo, ponori pa mesta, kjer izginjajo. Takšna mesta so navadno druge kristalne napake, kot so dislokacije, kristalne meje, površine ipd. Ravnotežni delež praznin se s temperaturo močno spreminja. Pri absolutni ničli (0 K) je enak nič, ob naraščanju temperature pa se močno poveča. Pri tališču večine kovin je ravnotežni delež praznin med 10–3 do 10–4 (1 praznina na 1000 do 10 000 mrežnih mest). Navzočnost praznin omogoča difuzijo – premikanje lastnih
- 33 -
- 34 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
atomov ter tujih atomov v substitucijskih trdnih raztopinah. Brez njih bi bila toplotna obdelava kovin v mnogih primerih nemogoča. Pri nastanku praznine se zmanjša prosta energija* kristala. Praznina nastane npr. tako, da atom preide iz notranjosti kristala na njegovo površino. Pri tem se prekine določeno število vezi med atomi, za kar potrebujemo energijo ht, ki jo imenujemo aktivacijska entalpija za nastanek praznine. Čim večja je, tem teže ustvarimo praznino. Ob nastanku praznine se poveča nered v kristalu. Mera za nered je entropija. Pri nastanku ene praznine se entropija spremeni za st – aktivacijska entropija za nastanek praznine. Več bo praznin, večji bo nered. Ker procesi v naravi potekajo v smeri večanja nereda, bo imel kristal težnjo k ustvarjanju čim večjega števila praznin. Toda pri tem se mu poveča entalpija, ki nasprotuje nastanku novih praznin. Z ustrezno izpeljavo dobimo, da je ravnotežni številski delež praznin: xp =
Np
⎛s = exp ⎜ t N ⎝k
⎞ ⎛ ht ⎞ ⎟ exp ⎜ − kT ⎟ ⎠ ⎝ ⎠
(4.1)
kjer je Np število praznin, N število mrežnih mest (skupno število zasedenih in nezasedenih mest), st in ht sta tvorbena entropija in entalpija praznine ter k je Boltzmannova konstanta (1,26 × 10-23 J/K). V tej knjigi uporabljava pojem številski delež praznin† (P. Glavič: Mednarodni merski sistem enot in znakov). To je razmerje med številom praznin in skupnim številom mrežnih mest v kristalu, enota je ena, lahko ga izrazimo tudi v odstotkih. V poglavju Kemijske vezi smo izvedeli, da je tališče snovi sorazmerno vezalni energiji med atomi. Na osnovi tega podatka ugotovite, ali bo pri 500 °C delež praznin večji v aluminiju ali volframu!
Slika 4.2:
a) Enojna in dvojna praznina v kristalni mreži. b) Temperaturna odvisnost deleža enojnih praznin v aluminiju.
V ionskih kristalih se praznine pojavljajo paroma. Če je praznina na kationskem mestu, mora biti tudi na anionskem, kajti kristal mora biti električno nevtralen. Takšna napaka, ki je sestavljena iz kationske in anionske praznine, se imenuje Schottkyjev par (slika 4.3 a). Nastanek praznin povzroči tudi vgradnja ionov, katerih valenca se razlikuje od valence osnovnega iona (npr. vgradnja Fe3+ v MgO), v kristalno mrežo (slika 4.3 b).
* To je del celotne energije, ki se lahko pretvori v delo (za podrobnosti glej poglavje Osnove termodinamike materialov). V ravnotežnem stanju ima sistem najmanjšo možno prosto energijo. Procesi v naravi potekajo spontano (sami od sebe) v smeri zmanjšanja proste energije. † Drugi avtorji pogosto uporabljajo v istem pomenu izraz »koncentracija praznin«. To ni pravilno, saj koncentracija pomeni npr. število atomov, maso oziroma množino snovi na enoto prostornine (1020 atomov/m3; 10 g/l; 2 mol/dm3…).
4. Realna zgradba gradiv
Slika 4.3:
35
Točkaste napake v ionskih kristalih: a) Schottkyjev par v MgO. b) Nastanek kationske praznine v MgO ob prisotnosti Fe3+
Naslednja napaka so lastni intersticijski atomi. Če ponovimo, vrzeli ali intersticije so majhni prostori med atomi, ki ostanejo nezasedeni tudi v idealnem kristalu, ker atomov (krogel) ni mogoče zložiti tako, da bi zasedli ves prostor. Če se v vrzel vrine lastni atom, povzroči močno popačenje kristalne mreže in velike notranje napetosti. Zato je energija za nastanek lastnih intersticijskih atomov v kovinskih kristalih zelo velika in njihova koncentracija je nekaj velikostnih redov manjša kot koncentracija praznin v enakih razmerah. V ionskih kristalih so vrzeli precej večje, zato je tudi lastnih intersticijskih atomov precej več. Pogosto se pojavljajo tudi pari intersticijski atom – praznina. Ta napaka se imenuje Frenkelov par. Med točkaste napake prištevamo tudi tuje intersticijske in substitucijske atome, če niso dodani namerno. Intersticijski atomi se vrinejo v vrzeli ali intersticije. Da se to lahko zgodi, morajo biti intersticijski atomi precej manjši od osnovnih atomov, njihov polmer je lahko le do 0,6 R (R je polmer atoma osnove). Substitucijski atomi zamenjajo atome na mrežnih mestih. Pogosto imenujemo kristale, ki vsebujejo tuje intersticijske in substitucijske atome, še posebej če jih dodamo namerno, trdne raztopine ali bolj pravilno zmesni kristali, saj gre za primešanje tujih atomov v snov s kristalno zgradbo. Glede na medsebojno razporeditev atomov topila (osnove) in topljenca ločimo neurejene, urejene in razmešane trdne raztopine (slika 4.4). Katere vrste raztopina bo nastala, je odvisno od entalpije mešanja (glej poglavje Osnove termodinamike materialov). Entalpija mešanja neurejene trdne raztopine je enaka nič, zato so atomi obeh komponent med seboj naključno pomešani. Entalpija mešanja urejene trdne raztopine je negativna, zato se vsak atom želi obdati predvsem z nasprotnimi atomi. Entalpija mešanja razmešane raztopine je pozitivna, zato se atomi iste vrste združujejo med seboj. V Krautovem strojniškem priročniku ali v Gradiva – Zbirka nalog in tabel poišči velikosti atomov železa in dušika. Ugotovite, ali je dušik raztopljen v železu substitucijsko ali intersticijsko!
Slika 4.4:
Trdne raztopine: a) neurejena intersticijska trdna raztopina, b) neurejena substitucijska trdna raztopina, c) urejena substitucijska trdna raztopina, d) razmešana substitucijska trdna raztopina
Točkaste napake zelo močno povečajo električno upornost, zato jih mora biti v dobrih električnih prevodnikih čim manj. Zaradi napetosti, ki jih povzročajo v svoji okolici, povečajo trdoto in trdnostne lastnosti (slika 4.5). Praviloma se z večanjem deleža intersticijskih in substitucijskih atomov v trdni raztopini povečuje trdnost (raztopinsko utrjanje ali utrjanje trdne raztopine).
- 36 -
Slika 4.5:
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Povečanje deformacijske strižne napetosti z večanjem deleža Zn in Cd v magneziju. Cinkov atom se bolj razlikuje od velikosti magnezijevega atoma kot kadmijev, zato povzroča večjo utrditev trdne raztopine. (Namesto pojma »množinski delež« se pogosto uporabljata pojma: »molski oziroma atomski delež«. Množina snovi je ena od osnovnih veličin v mednarodnem sistemu enot SI; enota je mol.)
Aluminiju dodate 1 % Si in 1 % Zn. Kateri od njiju bo povzročil večjo utrditev trdne raztopine? Zakaj?
4.3 Črtne (linijske) napake – dislokacije Že v tridesetih letih prejšnjega stoletja so fiziki izračunali, da je teoretična strižna trdnost τt, to je napetost, ki povzroči plastično deformacijo idealnega kristala, zelo velika. Znašala naj bi med G/15 < τt < G/5 (G je strižni modul), kar pomeni, da bi se kovine preoblikovale pri napetostih nekaj 1000 MPa‡. Toda izmerjene napetosti tečenja§ so bile bistveno manjše, le okoli 1 MPa. Iz tega izvira, da morajo biti v materialu črtne napake – dislokacije, ki omogočajo plastično deformacijo kovin pri tako majhnih napetostih. 4.3.1 Robne in vijačne dislokacije V kristalu brez črtnih napak potekajo vse kristalne ravnine neprekinjeno od ene površine kristala do druge (slika 4.6 a). Zamislimo si, da se ena od ravnin, ki se začne na zgornji površini kristala, ne nadaljuje do spodnje površine, temveč se konča nekje v kristalu (slika 4.6 b). Če pogledamo razporeditev atomov dovolj daleč pod ali nad mestom, kjer se ta nepopolna ravnina konča, ugotovimo, da se ne razlikuje od tiste v idealnem kristalu. Toda v okolici roba nepopolne ravnine so atomi premaknjeni iz svojih ravnovesnih leg. Nad robom ravnine so njihove medsebojne oddaljenosti manjše od ravnovesne razdalje, zato tam delujejo tlačne napetosti, pod robom ravnine pa so njihove razdalje večje od ravnovesne razdalje, zato tam delujejo natezne napetosti. Iz tega sledi, da dislokacija ni celotna dodatna ravnina, temveč samo njen rob. Zato jo imenujemo robna dislokacija. Pozitivna robna dislokacija je rob ravnine, ki sega od zgoraj navzdol. Označimo jo z znakom ⊥, medtem ko negativno označimo z znakom y.
Drugo vrsto črtne napake dobimo na naslednji način: Kristal razdelimo na štiri dele in ga na ploskvi med deloma I in II prerežemo (slika 4.7 a). Četrtino, označeno z II, strižno premaknemo v smeri puščice za majhno razdaljo ter oba dela ponovno združimo med seboj. Črta HG je vijačna dislokacija. Če je premik enak nekemu translacijskemu vektorju v kristalni mreži, potem je kristalna zgradba nekoliko stran od črte AB enaka kot pred premikom (sliki 4.7 b in c). Značilnost vsake dislokacije je njen Burgersov vektor b. To je vektor, ki kaže smer in dolžino osnovnega translacijskega koraka (v katero smer in za koliko se dislokacija premakne pri enem koraku). Pri robni dislokaciji je Burgersov vektor pravokoten na dislokacijsko črto (na tangentni vektor dislokacije), pri vijačni pa je z njo vzporeden. Postopek ugotovitve Burgersovega vektorja za robno in
‡
MPa = 106 N m–2 = 1 N mm–2
§
Napetost tečenja je tista, pri kateri se začne material plastično preoblikovati
4. Realna zgradba gradiv
37
vijačno dislokacijo je prikazan na slikah 4.6 c in 4.7 d. Pri popolni dislokaciji je Burgersov vektor enak translacijskemu vektorju kristalne mreže, zato se pri drsenju dislokacije ne spremenita niti zaporedje zloga ravnin (v PCK ostane ABCABC…) niti kristalna zgradba. V nasprotju s tem pri delni dislokaciji Burgersov vektor ni enak translacijskemu vektorju, zato se lokalno spremeni zaporedje zloga in kristalna zgradba (glej poglavje Martenzitna premena).
Slika 4.6:
a) Del kristala brez napak, b) Ena od ravnin se konča sredi kristala, njen rob je robna dislokacija. Če okoli dislokacije napravimo toliko korakov kot v idealnem kristalu, se krog ne zaključi. Razlika je Burgersov vektor b, ki je ena najpomembnejših lastnosti dislokacije. c) Dislokacija CD loči zdrseli del kristala (ABCD) od nezdrselega. Na površini kristala nastane drsna stopnica, katere velikost je enaka dolžini Burgersovega vektorja. Dislokacija CD je vzporedna osi z, pod vplivom strižne napetosti τxy pa drsi v smeri osi x.
Slika 4.7:
Vijačna dislokacija: a) Nastane, če četrtino označeno z II premaknemo v smeri delovanja strižne napetosti τyx glede na del I. Dislokacijska črta je med točkama H in G, ki loči zdrseli del EFGH od nezdrselega dela kristala. Premik v smeri delovanja strižne napetosti mora biti enak medatomski razdalji (translacijskemu vektorju), da se kristalna zgradba ne spremeni. b) Pogled na vijačno dislokacijo od zgoraj. Polni krožci so atomi nad drsno ravnino, prazni pa pod njo. Nekoliko stran od dislokacije HG so atomi razporejeni enako kot v idealnem kristalu.
Dislokacije ločijo zdrseli ali deformiran del kristala (na slikah 4.6 c in 4.7 a je prikazan osenčeno) od nezdrselega ali nedeformiranega dela. Dislokacija se ne more začeti oziroma končati znotraj kristala, ampak se lahko konča na njegovi površini ali na kristalni meji. Možno je tudi, da znotraj kristala tvori zaključeno krivuljo npr. dislokacijsko zanko. Pri tem imajo nekateri deli obroča roben, drugi vijačen, večina pa mešan značaj. Dislokacije niso toge, temveč gibke črte, ki se lahko upogibajo. Vzdolž dislokacijske črte deluje črtna napetost (sila na enoto dolžine), ki preprečuje upogibanje dislokacije. Če na dislokacijo ne deluje napetost, se skrči na najmanjšo možno dolžino. Med dvema poljubnima točkama bo dislokacija takrat ravna črta. Toda ob povečevanju napetosti se bo dislokacija med točkama, med katerima je vpeta, ukrivila, ob razbremenitvi pa se bo ponovno zravnala. Atomi okoli dislokacijske črte so premaknjeni iz svojih ravnotežnih leg, zato tam delujejo elastične napetosti. Okoli vijačne dislokacije je čisto strižno napetostno polje, medtem ko robne dislokacije povzročajo tako strižno kot hidrostatično napetostno polje. Slednje povzroča tlačne napetosti
- 38 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
nad dodatno ravnino in natezne napetosti pod njo. Napetost, ki jo povzroča dislokacija, pojema z večanjem oddaljenosti od njih. Ker so atomi premaknjeni iz svojih ravnovesnih leg, imajo tudi večjo energijo. Energija dislokacijske črte je sorazmerna Gb2 (G – strižni modul, b – dolžina Burgesovega vektorja), zato je prosta energija kristala z dislokacijami večja kot brez njih. Dislokacije so torej termodinamsko neravnotežne napake. To pomeni, da dislokacije v kristalu same od sebe ne morejo nastajati, vendar pa lahko izginjajo (npr. če kristal segrejemo na dovolj visoko temperaturo). Energija kristala se namreč zmanjša, če se gostota dislokacij zmanjša. Gostota dislokacij je enaka številu dislokacij, ki prebodejo enoto površine (enota m–2), ali skupna dolžina dislokacijskih črt v enoti prostornine (m m–3). Ugotovi razlike in podobnosti med robno in vijačno dislokacijo!
4.3.2 Premikanje dislokacij Pri plastični deformaciji kristala brez dislokacij, se morajo vsi atomi v drsni ravnini hkrati premakniti za en korak v smeri drsenja glede na atome v spodnji ravnini, zato je potrebna velika strižna napetost τ. Če so v njem dislokacije, se morajo pri enem drsnem koraku premakniti le atomi, ki so v neposredni okolici dislokacijske črte. Delež teh atomov je v primerjavi s celotnim številom atomov v drsni ravnini majhen in temu ustrezno je manjša tudi potrebna napetost.
Osnovni način premikanja dislokacij je drsenje. Ugotovljeno je bilo, da dislokacije ne drsijo po poljubnih ravninah in smereh, temveč le po določenih. Kombinacijo drsne ravnine in smeri drsenja imenujemo drsni sistem. Dislokacija lahko začne drseti, ko strižna napetost v njenem drsnem sistemu preseže mrežno trenje. (Mrežno trenje je upor proti drsenju dislokacije. Pogosto ga imenujemo PeierlsNabbarrova napetost τPN.) Mrežno trenje je najmanjše v najgosteje zasedenih ravninah, ki so med seboj tudi najbolj oddaljene, ter v smereh, ki so najgosteje zasedene z atomi. Potrebno je poudariti, da napetost za drsenje pojema z višanjem temperature, vendar se povečuje z večanjem hitrosti drsenja dislokacij. Dislokacije drsijo hitreje, kadar jih je malo in kadar je hitrost deformacije velika. Ploskovno centrirane kovine imajo veliko drsnih sistemov (kombinacij drsnih ravnin in smeri, v katerih je mrežno trenje najmanjše in v katerih začno dislokacije drseti pri najmanjši zunanji napetosti.), zato so dobro preoblikovalne; ravno nasprotno velja za kovine, ki kristalizirajo v heksagonalnem gostem zlogu (HGZ). V PCK so štiri drsne ravnine iz družine {1 1 1}, v vsaki so tri najgosteje zasedene smeri iz družine <1 1 0>, kar daje 12 drsnih sistemov. V HGZ je pri navadnih temperaturah energijsko ugodno le drsenje v eni drsni ravnini, ki vsebuje tri drsne smeri: ti trije drsni sistemi so smeri robov heksagonalne prizme na osnovni ravnini (0 0 0 1)/. V TCK je navadno aktivnih šest drsnih ravnin iz družine {1 1 0}, v vsaki sta dve drsni smeri iz družine <1 1 1>, torej dvanajst drsnih sistemov. V HGZ in TCK lahko postane pri povišanih temperaturah energijsko ugodno tudi drsenje v drugih drsnih sistemih, tako da se število možnih drsnih sistemov poveča. Vse dislokacije v kristalu ne morejo drseti. Drsijo lahko le tiste, ki ležijo v drsnih ravninah, v njih pa mora ležati tudi njihov Burgersov vektor. Druge ne morejo drseti, so nedrsljive ali sesilne. Tudi vse drsljive dislokacije ne začnejo drseti hkrati pri isti zunanji napetosti. Pri poljubno usmerjeni zunanji obremenitvi strižne napetosti v različnih drsnih sistemih niso enake. Zato lahko najprej začnejo drseti tiste dislokacije, ki so v drsnem sistemu, v katerem deluje največja strižna napetost. Glede na smer zunanje obremenitve se lahko začne drsenje le v enem drsnem sistemu, lahko pa tudi v več drsnih sistemih hkrati (glej podpoglavje Plastična deformacija). Narišite najgosteje zasedeno ravnino in smer v PCK! Izberite takšno kombinacijo, ki predstavlja drsni sistem!
4. Realna zgradba gradiv
39
Slika 4.8:
Drsenje a) robne in b) vijačne dislokacije. Prikazan je Burgersov vektor.
Slika 4.9:
Frank-Readov vir dislokacij. Del dislokacije je vpet v točkah B in C. Ko na dislokacijo ne deluje napetost, je dislokacijska črta med točkama B in C ravna. Ob povečevanju napetosti se upogiba. Upogibanju nasprotuje linijska napetost. Največja napetost je potrebna, ko je polmer ukrivljenosti enak polovični razdalji med točkama B in C, in ta je tem večja, čim bliže sta si točki B in C. Za nadaljnje širjenje dislokacije ni potrebno povečati napetosti. V točkah c in c' sta nasprotni dislokaciji, ki se izničita. Ostane dislokacijski obroč ter del dislokacije BC, iz katerega lahko ponovno nastane dislokacijska zanka.
Dislokacije drsijo skozi kristal v smeri Burgersovega vektorja, ki je navadno najkrajši translacijski vektor v neki kristalni zgradbi: npr. a/2[1 1 0] v PCK. Če v kristalu ni ovir, kjer bi se ustavile, zdrsijo do površine in izstopijo iz kristala. Na površini nastane drsna stopnica.. Pri tem dislokacija izgine. Če bi vse dislokacije zdrsele na površino, bi prišli do stanja, ko v kovini ne bi bilo več dislokacij; napetost potrebna za nadaljnje drsenje pa bi bila enaka teoretični strižni trdnosti τt. Vendar se to ne zgodi, kajti pri plastični deformaciji se dislokacije pomnožujejo. Najbolj znan mehanizem nastajanja dislokacij je Frank-Readov vir (slika 4.9). Tukaj ga ne bomo podrobno obravnavali, poenostavljeno si lahko predstavljamo, da FrankReadov vir dislokacij razdeli popolno ravnino na dva dela. Rob zgornje nepopolne ravnine bo pozitivna, rob spodnje pa negativna robna dislokacija. Strižna napetost potiska ta dva dela v nasprotni smeri, zato pozitivna dislokacija izstopi na eni, negativna pa na drugi strani kristala. 4.3.3 Plezanje robne in prečno drsenje vijačne dislokacije Poleg drsenja v osnovnih ravninah lahko robne dislokacije tudi plezajo pravokotno na drsno ravnino. To je možno le pri povišanih temperaturah. Za plezanje je namreč potrebna difuzija atomov in navzočnost praznin (slika 4.10 a, b). Po drugi strani pa lahko vijačne dislokacije s prečnim drsenjem prehajajo iz ene drsne ravnine na drugo drsno ravnino (slika 4.11). Ker je v prečni drsni ravnini dejanska strižna napetost manjša kot v osnovni, se prečno drsenje prične pri ustrezno povečani zunanji napetosti. Prečno drsenje je možno v kristalih, ki imajo več enakovrednih drsnih ravnin, torej navadno ni mogoče v HGZ. Zakaj robna dislokacija ne more prečno drseti, vijačna pa plezati? Ali lahko vijačne dislokacije drsijo v HGZ, če poteka drsenje samo v osnovni ravnini?
- 40 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Slika 4.10:
Plezanje robne dislokacije. a) Dislokacija pleza v smeri osi y. Za plezanje je nujna navzočnost praznin in dovolj visoka temperatura, da se lahko atomi (praznine) premikajo. Na slikah od a1 do a3 dislokacija spleza za en korak navzgor. b) Dislokacija se lahko s plezanjem izogne oviri na drsni ravnini.
Slika 4.11:
Prečno drsenje vijačne dislokacije.
4.3.4 Sile med dislokacijami Okoli vsake dislokacije je elastično napetostno polje, ki pojema z oddaljenostjo od dislokacije. Poglejmo si vpliv napetostnega polja dislokacije na sosednje dislokacije – npr. kakšna je interakcija (medsebojno delovanje) dveh robnih dislokacij. Sila, s katero deluje ena dislokacija na drugo, je odvisna od medsebojne razdalje ter od kota med njima. Podrobnosti o interakcijah robnih dislokacij so prikazane na sliki 4.12, povzamemo pa lahko naslednje: Pri nizkih temperaturah lahko dislokacije drsijo le v osnovni drsni ravnini (vodoravni smeri), pri povišanih pa lahko tudi plezajo (drsenje v vodoravni smeri, plezanje v navpični). Pri nizkih temperaturah se dve istovrstni dislokaciji odbijata, če je kot med njima manjši od 45°, ter privlačita, če je večji od 45°. Pri povišanih temperaturah se pri vseh kotih razen pri 0° postavita ena nad drugo. Ta proces je pomemben pri popravi, ko na ta način nastanejo malokotne meje (Glej podpoglavje Rekristalizacijsko žarjenje.).
Pri nizkih temperaturah se lahko dve robni dislokaciji nasprotnega predznaka izničita (anihilirata), če sta v isti drsni ravnini. Če nista v isti ravnini, se razporedita tako, da oklepata kot 45°. Pri povišani temperaturi, ko je možno plezanje, se v vsakem primeru izničita. Na ta način se zmanjšuje gostota dislokacij v kristalu. To je pomembno pri popravi, kakor tudi pri lezenju.
4. Realna zgradba gradiv
Slika 4.12:
41
Interakcija istovrstnih in raznovrstnih robnih dislokacij pri nizki in visoki temperaturi ter pri različni medsebojni razporeditvi
4.3.5 Združevanje in cepitev dislokacij Dve dislokaciji se lahko tudi združita. Burgersov vektor nove dislokacije je vsota Burgersovih vektorjev dislokacij, ki se združujeta.
Primer: V PCK se dislokaciji a = a/6 [112] , ki leži v ravnini (111) , in b = a/6 [211] , ki leži v ravnini (111), združita v novo dislokacijo c: c = a + b = a [211] + a [112] = a [101] . Pri tem je pomembno, da je pri 6 6 6 tem iz dveh drsljivih dislokacij nastala nedrsljiva dislokacija, kajti njen Burgersov vektor ne leži v nobeni drsni ravnini iz družine {1 1 1}. S tem se lahko število drsljivih dislokacij zmanjša, nedrsljiva dislokacija pa predstavlja oviro za drsenje drugih dislokacij. To je eden izmed razlogov za deformacijsko utrjanje.
- 42 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Možen je tudi nasproten proces, ko se dislokacija razcepi na dve novi. To je možno le takrat, če se energija pri tem zmanjša: Gb22 + Gb32 < Gb12 . Primer: Dislokacija z Burgersovim vektorjem b1 = a [0 11] se lahko razcepi v dve delni dislokaciji z 2 a Burgersovima vektorjema b2 = [1 2 1] in b3 = a [11 2] , ker je energija novonastalih dislokacij 6 6 2 a a2 a2 a2 manjša od energije osnovne dislokacije: G (1 + 4 + 1) + G (1 + 1 + 4) = G < G . Področje med 36 36 3 2 novonastalima dislokacijama se imenuje napaka zloga – to pa je že ploskovna napaka v kristalu. Razcepljena robna dislokacija ne more več plezati. Zakaj razcepljena robna dislokacija ne more več plezati?
Slika 4.13:
Pri drsenju popolne dislokacije se atomi premaknejo na sosednjo, kristalografsko enakovredno mesto. Na sliki a) je prikazano, da lahko to dosežejo v enem koraku: premik iz lege B v sosednjo lego B ali v dveh korakih: najprej iz lege B v lego C in nato iz lege C v lego B. b) Desna delna dislokacija premakne atome v lego C, leva pa na kristalografsko enakovredno mesto B. Med delnima dislokacijama je napaka zloga.
Napaka zloga predstavlja odmik od pravilnega zaporedja kristalnih ravnin. Npr. v PCK si sledijo ravnine v naslednjem zaporedju: ABCABCABCABC. Pri napaki zloga se to zaporedje spremeni zaradi cepitve popolne dislokacije v dve delni ali parcialni. Zamislimo si, da pri zgoraj zapisanem zaporedju ravnin dislokacija drsi po peti ravnini z leve. V tisti ravnini atomi zasedajo lege B. Popolna dislokacija bi premaknila vse atome iz ene lege B v sosednjo lego B. Za razliko jih delna dislokacija premakne iz lege B v lego C. Zaradi tega dobimo naslednje zaporedje kristalnih ravnin: AB – CACA – BCABCA. Kot vidimo nastane v PCK kristalni zgradbi zaporedje CACA, ki je značilno za HGZ (heksagonalni gosti zlog). Napaka zloga je tem širša, čim manjša je energija napake zloga. 4.3.6 Dislokacijsko ali deformacijsko utrjanje V idealnem kristalu je napetost potrebna za plastično preoblikovanje enaka teoretični strižni trdnosti τt. Ob povečanju gostote dislokacij se trdnost močno zmanjša, toda ko se njihova gostota poveča nad približno 103 cm–2, se pričnejo dislokacije ovirati med seboj in trdnost se začne ponovno povečevati (slika 4.14 a). Ta pojav imenujemo dislokacijsko ali deformacijsko utrjanje. Strižna napetost se povečuje skladno z naslednjo enačbo:
τ k = τ 0 + A ρD
(4.2)
kjer sta τ0 in A konstanti. Razlogov za deformacijsko utrjanje je več. Prvega smo omenili že prej: združevanje drsljivih dislokacij v nedrsljive. Če se gostota dislokacij v materialu med preoblikovanjem povečuje, ker dislokacije, ki nastanejo npr. z delovanjem Frank-Readov vira, ne morejo zapustiti kristala, mora vsaka
4. Realna zgradba gradiv
43
drsljiva dislokacija premagovati vedno močnejše napetostno polje, ki ga povzročajo druge dislokacije. Če se dislokacije ustavijo ob ovirah, nastanejo tam dislokacijska nakopičenja, katerih napetost nasprotuje zunanji napetosti. Za nadaljnje drsenje moramo povečati zunanjo napetost (To je tudi mehanizem utrjanja s kristalnimi mejami. Glej poglavje o ploskovnih napakah). Ali lahko material utrdimo z vročim ali hladnim preoblikovanjem?
Slika 4.14:
a) vpliv gostote dislokacij na napetost tečenja, b) drsenje dislokacije A skozi napetostno polje drugih dislokacij, c) nastanek dislokacijskega nakopičenja na neprehodni oviri (npr. na kristalni meji).
Slika 4.15:
Rezanje dislokacij. a) Pri drsenju dislokacija D1 premakne vse atome pred drsno ravnino za Burgersov vektor b1 navzdol; tako tudi sprednji del dislokacije D2. Na dislokaciji D2 nastane nov odsek (segment), ki ne leži v drsni ravnini dislokacije D2. Imenujemo ga prag. b) V tem primeru nastane nov dislokacijski odsek na obeh dislokacijah, ki leži v njuni drsni ravnini. To je koleno.
Drsno ravnino sekajo tako drsljive kot tudi nedrsljive dislokacije. Te mora dislokacija prerezati. Pri tem lahko nastajajo na dislokacijah novi odseki (segmenti), ki se imenujejo pragovi ali kolena (slika 4.15). Pri kolenu leži novi odsek v drsni ravnini dislokacije (slika 4.15 b), pri pragovih pa ne (slika 4.15 a). Ena dislokacija prereže drugo tedaj, če njen Burgersov vektor ni vzporeden z dislokacijsko črto druge dislokacije. Prag nastane takrat, kadar Burgersov vektor prve dislokacije ni vzporeden z ravnino, po kateri drsi druga. Pomembni so pragovi na vijačnih dislokacijah, saj jih ovirajo pri drsenju in s tem prispevajo k deformacijskemu utrjanju. Na sliki 4.15 a1 spremeni dislokacijo D1 iz robne v vijačno! Ali bo v tem primeru po rezanju na dislokaciji D2 prag ali koleno?
4.4 Ploskovne napake Med dvodimenzijske ali ploskovne napake kristalne mreže prištevamo napake zloga (te nastanejo npr. s cepitvijo dislokacije), cone praznin, malokotne kristalne meje, dvojčične meje, velikokotne kristalne meje, antifazne meje in cone tujih (primesnih) atomov. 4.4.1 Kristalne meje Večine kristalnih snovi ne sestavlja samo en kristal – monokristal, temveč so sestavljena iz več kristalnih zrn, ki so med seboj ločena s kristalnimi mejami. Na kristalnih mejah se spremeni orientacija enega kristalnega zrna v orientacijo drugega (slika 4.16 a). Njihova debelina je okoli 2-3 medatomske razdalje. Kristalna zrna so navadno poliedri; telesa, ki so obdana z ravnimi ploskvami (slika 4.16 b).
- 44 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
a) Slika 4.16:
b)
a) Sprememba orientacije kristalnih ravnin na kristalni meji (posneto s TEM) in b) prostorska oblika kristalnih zrn. Vir: . M. Allen, E. L. Thomas: The Structure of Materials, John Willey & Sons, Inc, 1999
Kristalne meje so lahko nagibne ali vzvojne. Glede na kot zasuka ločimo malokotne (kot je manjši od 15°) in velikokotne. Energija kristalne meje narašča s kotom zasuka pri malokotnih mejah in je skoraj konstantna pri velikokotnih mejah. Kristalne meje so termodinamsko neravnotežne napake v materialu. Material lahko zmanjša svojo energijo tako, da zmanjša skupno površino kristalnih mej. To se lahko zgodi, če kristalna zrna postajajo večja. Idealno stanje je monokristal, ki nima kristalnih mej. Navadno nastane metastabilno ravnotežje, ko so vsa kristalna zrna približno enako velika, v prečnem prerezu pa ima vsako zrno šest sosedov. Kristalna zrna lahko rastejo le, če material segrejemo na dovolj visoko temperaturo, da postane difuzijska hitrost dovolj velika; to je nekje nad 0,4 Tt. Pri tem zrna, ki imajo več kot šest sosedov, rastejo, medtem ko zrna z manj kot šestimi sosedi izginjajo. Zrna, ki imajo točno šest sosedov niti ne rastejo niti se ne zmanjšujejo. Pri njih je namreč vsako stičišče med tremi kristalnimi zrni v mehanskem ravnotežju. Kot med vsemi tremi kristalnimi mejami je v tem primeru enak 120°, tako da je rezultanta sil na stičišču enaka nič. Velikost kristalnih zrn ima pomemben vpliv na mehanske lastnosti. Kristalne meje so neprehodne ovire za dislokacije, zato se v kovinskih materialih ob zmanjšanju velikosti kristalnih zrn poveča napetost tečenja skladno s Hall-Petchovo enačbo: R p 0,2 = σ 0 + k / D
(4.3)
kjer sta σ0 in k konstanti. Poleg tega se poveča tudi žilavost in to ne samo pri kovinskih, temveč tudi pri keramičnih gradivih.
Slika 4.17:
a) Rast kristalnih zrn. Vpliv velikosti kristalnih zrn na b) napetost tečenja in žilavost ter c) na hitrost deformacije z lezenjem.
Kaj se bo zgodilo s kristalnim zrnom, ki ima tri sosede? Kaj pa z zrnom, ki ima deset sosedov?
Pri višjih temperaturah postajajo kristalne meje področja, kjer se močno prenaša snov. Zato je hitrost deformacije** tem večja, čim manjša so kristalna zrna. Materiale z zelo majhnimi kristalnimi zrni lahko pri visokih temperaturah preoblikujemo s superplastično deformacijo, ki je zelo počasna, vendar se
4. Realna zgradba gradiv
45
dosežejo velike stopnje deformacije – tudi nekaj 100 %. Če nek material uporabljamo kot konstrukcijski material pri povišanih temperaturah, mora biti hitrost deformacije čim manjša, to pa je mogoče le, če so zrna zelo velika ali imamo le eno kristalno zrno – monokristal. Koliko kristalnih zrn sme nastati v tekoči kovini, da dobimo po strjevanju monokristal?
Slika 4.18:
Ponazoritev nagibne malokotne meje z razporeditvijo dislokacij.
4.4.2 Malokotna meja Na malokotni meji je razlika v orientaciji med sosednjimi zrnoma zelo majhna – nekje do 15°. Predstavljamo si, da so nagibne malokotne kristalne meje sestavljene iz istovrstnih robnih dislokacij, ki so razporejene ena nad drugo. Tako se razporedijo istovrstne robne dislokacije, če jih segrejemo na temperaturo, kjer lahko tudi plezajo. Malokotne kristalne meje lahko razdelijo posamezno kristalno zrno na več podzrn. Njihova energija je sorazmerna kotu zasuka Θ in je manjša od energije velikokotnih mej. Na sliki 4.18 je malokotna meja. Poiščite robne dislokacije in jih preštejte!
4.4.3 Dvojčična meja V kristalu PCK si najgosteje zasedene ravnine sledijo v zaporedju ABCABCA. Toda če atomi v peti plasti zasedejo lege C namesto leg B, dobimo zaporedje ABCACBA. Opazimo lahko, da je četrta ravnina, v kateri atomi zasedajo lege B, zrcalna ravnina. To ravnino imenujemo dvojčična meja (slika 4.19). Ta meja je povsem skladna, saj atomi v njej pripadajo obema deloma kristala. Dvojčične meje lahko nastanejo pri žarjenju nekaterih zlitin (žarilni dvojčki) ali pri plastični deformaciji (deformacijski dvojčki).
Slika 4.19:
Shematičen prikaz dvojčične meje in dvojčične meje v polikristalni bakrovi zlitini.
4.4.4 Fazne meje Kadar je nek material sestavljen iz več snovi – faz††, takrat so med njimi fazne meje. Če se vse ravnine iz ene faze neprekinjeno nadaljujejo skozi drugo fazo, potem so meje koherentne (skladne). Če je ujemanje obeh faz popolno, ni na meji nobenih napetosti; če pa skladanje ni popolno, vendar se še vedno vse ravnine nadaljuje iz ene faze v drugo, nastanejo koherenčne napetosti. Kadar se nekatere ravnine **
Pri višjih temperaturah se lahko material deformira z lezenjem. To je povečevanje deformacije s časom pri konstantni obremenitvi.
††
Faza je homogeno področje snovi z enakimi mehanskimi in fizikalnokemijskimi lastnostmi. Na fazni meji se lastnosti spremenijo.
- 46 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
končajo na fazni meji, so meje semikoherentne (delno skladne). Na sliki 4.20 b lahko vidimo, da se ena od ravnin osnove konča na fazni meji, rob te ravnine je robna dislokacija. Kadar se ravnine osnove ne nadaljujejo skozi drugo fazo zaradi prevelike razlike v kristalnih zgradbi ali mrežnih konstantah, so med njimi nekoherentne (neskladne) meje. Te imajo tudi največjo energijo.
a) Slika 4.20:
b)
c)
Fazne meje: a) koherentne ali skladne, b) delno koherentne ali delno skladne in c) nekoherentne ali neskladne.
Kje na sliki 4.20 b je robna dislokacija? Ali bi v primeru skladne fazne meje lahko dislokacija neprekinjeno drsela skozi obe fazi?
4.5 Prostorske napake Med prostorske ali tridimenzijske napake spadajo izločki, disperzni delci (disperzoidi), vključki, mikrorazpoke ter mikropore in pore. Nekateri avtorji ne govorijo o tridimenzijskih napakah, temveč o elementih mikrostrukture. Npr. izločki in disperzoidi prekinejo pravilno kristalno mrežo osnovnega kristalnega zrna, vendar so tudi sestavni del materiala. V nadaljevanju se bomo omejili na obravnavo razpok ter izločkov in disperznih delcev, ki lahko bistveno spremenijo fizikalne in mehanske lastnosti gradiv. Zelo pomembne napake v materialih, predvsem krhkih, so razpoke (slika 4.21) . Navzoče so tako v kristalnih kot amorfnih snoveh. Če v materialu ne bi bilo razpok, bi se material porušil pri teoretični lomni napetosti (kohezijski trdnosti) σt, ki znaša okoli E/10 (E je modul elastičnosti). Dejanski materiali se porušijo pri znatno manjši napetosti. Vzrok za to so razpoke, kajti na koncih razpok se pojavijo koncentracije napetosti (slika 4.21 b). Tam so napetosti mnogo večje, kot je srednja napetost v celotnem materialu. Zato je za napredovanje razpoke dovolj, da napetost le ob konici razpoke preseže σt. To pri krhkih materialih vodi do trenutne porušitve. Koncentracija napetosti ob konici razpoke je tem večja, čim daljša je razpoka; zato je lomna napetost obratno sorazmerna velikosti razpoke (slika 4.21 c). Izločke in disperzoide navadno nimamo za kristalne napake. Izločki nastanejo pri izločanju iz trdne raztopine pri najrazličnejših toplotnih obdelavah (npr. pri izločevalnem utrjanju). Disperzoide lahko izdelamo tudi s postopki metalurgije prahov (mešanje prahov Al in Al2O3, hladno stiskanje, sintranje). Vpliv izločkov/disperzoidov na mehanske lastnosti je odvisen od njihovega prostorninskega deleža, velikosti in skladnosti faznih mej. V vsakem primeru predstavljajo oviro za drsenje dislokacij. Podrobneje bomo to obravnavali v podpoglavju: Izločevalno utrjanje.
4. Realna zgradba gradiv
Slika 4.21:
47
a) Definicija pojmov v zvezi z razpoko. b) Koncentracija napetosti od razpoki. c) Vpliv velikosti razpoke na lomno napetost.
Fazne meje imajo določeno energijo. Material jo želi zmanjšati. Zmanjša se lahko tako, da delci v materialu rastejo, saj se s tem zmanjša celotna površina faznih mej. Če vzamemo, da so delci na začetku ploščice, se velikost ploščic pri žarjenju na temperaturi, ko postane difuzija dovolj velika, povečuje, prav tako pa tudi razdalja med njimi. Dodatno zmanjšanje je možno, če delci dobijo okroglo obliko, kajti krogla ima pri dani prostornini najmanjšo površino, material pa najmanjšo površinsko energijo.
Slika 4.22:
Izločki (disperzoidi) so delci druge faze, ki so enakomerno izločeni v osnovni fazi. Pri žarjenju pri temperaturi, kjer poteka difuzija, se njihova velikost povečuje, dobivajo pa tudi okroglo obliko.
Povzetek V realnih kristalih se krajevno pojavljajo odstopanja od idealne zgradbe. Ta odstopanja imenujemo kristalne napake, ki jih glede na razsežnost delimo na točkaste, črtne, ploskovne in prostorske. Kljub temu da je delež atomov, ki so v napaki ali njeni neposredni okolici, razmeroma majhen, je vpliv napak na lastnosti gradiv izredno velik. Točkaste napake v kristalni mreže imajo mere atoma. Med njimi je izredno pomembna praznina (manjkajoč atom na mrežnem mestu), ki močno vpliva na prenos snovi v trdnem stanju. Črtne napake (dislokacije) omogočajo plastično deformacijo kovin pri mnogo manjši napetosti od teoretične trdnosti. Z drsenjem skozi kristalno mrežo se namreč deli kristala premikajo drug proti drugemu. Robne dislokacije lahko pri povišanih temperaturah tudi plezajo. Pri plastični deformaciji se gostota dislokacij povečuje, kar v tehničnih kovinskih gradivih vodi do utrjevanja. Poleg tega imajo dislokacije velik vpliv na lom kovinskih gradiv. Med
ploskovnimi napakami so najpomembnejše kristalne meje, ki ločijo eno kristalno zrno od drugega. Pri nizkih temperaturah so gradiva z manjšimi kristalnimi zrni trdnejša ter bolj žilava kot gradiva z velikimi kristalnimi zrni, medtem ko pri višjih temperaturah drobna zrna pospešijo deformacijo z lezenjem (deformacija pri konstantni obremenitvi). Tridimenzijske napake, kot so nekovinski vključki, mikrorazpoke (te lahko že prištevamo k elementom mikrostrukture) neugodno vplivajo na mehanske lastnosti, medtem ko lahko z zelo majhnimi tridimenzijskimi delci (izločki, disperzoidi) kovine utrdimo.
- 48 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
4.6 Razmisli, odgovori, reši 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14
Katere vrste napak v gradivih poznaš? Zakaj so praznine termodinamsko ravnotežne napake, dislokacije in kristalne meje pa ne? V poglavju Difuzija poišči, kako praznine vplivajo na premikanje atomov v trdnini? Zakaj se v ionskih kristalih točkaste napake pojavljajo paroma? Zakaj je pri isti temperaturi delež lastnih intersticijskih atomov mnogo manjši kot delež praznin? Pojasni razliko med drsenjem in plezanjem robne dislokacije? Ali lahko v kristalni zgradbi HGZ vijačne dislokacije prečno drsijo? V tem učbeniku poišči primere, kjer nastopajo točkaste napake skupaj s črtnimi in ploskovnimi napakami! Kako vplivajo kristalne meje na drsenje dislokacij? Ali prispevajo k zmanjšanju ali povečanju gostote dislokacij? Zakaj želijo kristalna zrna rasti? Zakaj dobijo delci pri žarjenju obliko kroglic? Kako napake vplivajo na lastnosti gradiv? Pojasni, zakaj se v navzočnosti razpok lomna napetost gradiv močno zmanjša! Poišči v učbeniku teme, kjer so opisane kristalne napake?
4.7 Dodatna literatura k temu poglavju 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5
4.6 4.7 4.8
Glavič, Peter: Gradiva, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, Maribor, 2001 Glavič, Peter: Mednarodni sistem merskih enot in znakov, 2. popravljena in dopolnjena izdaja, ponatis, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, Maribor 1997 Kosovinc, Ivan: Metalografija, tretja izdaja, Univerza Edvarda Kardelja v Ljubljani, Fakulteta za naravoslovje in tehnologijo, Ljubljana 1983 Marinković, Velibor: Fizikalna metalurgija II, Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehniška fakulteta, Oddelek za materiale in metalurgijo, Ljubljana 1999 (Priporočava za poglobljen študij.) Spaić, Savo: Fizikalna metalurgija, Zgradba kovinskih materialov, Strjevanje kovinskih talin, Ljubljana: Oddelek za materiale in metalurgijo, Naravoslovnotehniška fakulteta, Univerza v Ljubljani, Ljubljana, 2002 (Priporočava za poglobljen študij.) Zupanič, Franc: Gradiva, Zbirka nalog in tabel, Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo, Maribor, 2006 Cahn R. W. in Haasen P. (urednika): Physical Metallurgy, tretja izdaja, North-Holland Physics Publishing, 1992 Allen, M., Thomas, E. L.: The Structure of Materials, John Willey & Sons, Inc, 1999
5
Mikrostruktura gradiv
Kaj bomo izvedeli? Kaj je mikrostruktura? Kaj so faze in katere vrste faz nastopajo v različnih gradivih? Katere so značilnosti enofaznih in dvofaznih mikrostruktur? Katere so najpogostejše metode, s katerimi lahko ugotovimo mikrostrukturo gradiv? Zakaj je ločljivost pomembnejša od povečave mikroskopa? Equation Section (Next)
5.1 Definicija mikrostrukture Po starejši definiciji je mikrostruktura zgradba, ki jo lahko vidimo s svetlobnim mikroskopom. Glede na njegove omejene zmožnosti so to v glavnem le kristalna zrna in delci, katerih velikost presega nekaj desetink mikrometra. Po novejši definiciji zajema mikrostruktura vse značilnosti, ki jih lahko razločimo s katerim koli mikroskopom od atomskih dimenzij navzgor.
Slika 5.1:
Elementi mikrostrukture
Mikrostruktura kristalnih snovi je sestavljena iz kristalne zgradbe s kristalnimi napakami (slika 5.1). Idealen kristal nima mikrostrukture, prav tako pa tudi ne »idealna« amorfna snov. Idealni kristal ima le kristalno zgradbo, idealna amorfna zgradba pa še tega ne. Najbližje idealnemu kristalu je monokristal ali enovit kristal, ki nima kristalnih mej, vsebuje pa nič- in enodimenzijske napake, od dvodimenzijskih pa morebiti le napake zloga, ki nastanejo s cepljenjem dislokacij; torej ima mikrostrukturo. Ostala gradiva so polikristalna, sestavljena iz velikega števila kristalnih zrn, ki so med seboj ločena s kristalnimi mejami. Posamezna kristalna zrna vsebujejo dislokacije, praznine, intersticijske in substitucijske atome, dvojčične meje, malokotne meje, itd. Polikristalna enofazna gradiva vsebujejo samo kristalna zrna ene faze, dvo- ali večfazna gradiva pa še na različne načine razporejena kristalna zrna drugih faz. Njihove velikosti lahko v različnih gradivih segajo od nekaj desetink nanometra (1 nm = 10-9 m; to so npr. zelo drobni izločki, ki nastanejo pri izločevalnem utrjanju) do nekaj deset centimetrov (zrna pri usmerjenem strjevanju). Pojem faza pomeni homogeno* področje snovi z enakimi mehanskimi ter fizikalno-kemijskimi lastnostmi. Različne faze so med seboj ločene s faznimi mejami (glej poglavje Kristalne napake, slika 4.20). Za opazovanje mikrostrukture se uporabljajo različne metode: svetlobna mikroskopija, vrstična in presevna elektronska mikroskopija, itd.
*
Homogena snov: snov, ki ima v vseh točkah enako kemično sestavo in lastnosti; gradivo, ki ima le eno fazo.
- 49 -
- 50 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Kristalne napake in vrste faznih mej smo spoznali že v prejšnjem poglavju, zato bomo v nadaljevanju obravnavali le vrste faz, ki se pojavijo v mikrostrukturi. Razmisli, zakaj mikrostrukture!
tako
idealna
kristalna
mreža
kot
tudi
˝idealna˝
amorfna
zgradba
nimata
5.2 Vrste faz Faze, ki jih lahko raziskujemo, so navadno v trdnem agregatnem stanju, čeprav tudi opazovanje snovi v tekočem agregatnem stanju ni več nobena posebnost. Pri kovinskih gradivih so faze, zgrajene iz čistih kemijskih elementov, redkost. Najpogosteje imamo opraviti s trdnimi raztopinami, v katerih so atomi elementov pomešani med seboj. Kovine večinoma topijo le malo bora, ogljika in dušika, zato so v zlitinah, ki vsebujejo te elemente, v kovinski osnovi navzoči boridi, karbidi in nitridi. Poleg tega tvorijo kovinski elementi med seboj intermetalne faze (vmesne spojine). Teh je več vrst (geometrijske faze, elektronske spojine, Lavesove faze) in so podrobneje opisane v S. Spaić: Fizikalna metalurgija. Boridi, karbidi, nitridi in intermetalne spojine so lahko stehiometrični ali nestehiometrični. Pri stehiometričnih je razmerje med komponentami natančno določeno: npr. v cementitu Fe3C je razmerje med Fe in C točno 3 : 1. Pri nestehiometričnih pa razmerje med komponentami ni natančno določeno, temveč se lahko spreminja v ožjem ali širšem koncentracijskem območju. Za podrobnosti glej poglavje Fazni diagrami. Kakšna je razlika v elektronegativnosti med kovinama, ki tvorita intermetalno spojino?
Pri keramičnih gradivih predstavljajo osnovo spojine, kot so oksidi, nitridi, karbidi (glej poglavje Keramična gradiva). Tudi ti so lahko stehiometrični (npr. Al2O3) ali nestehiometrični. Katere vrste kemijskih vezi prevladujejo v keramičnih gradivih?
5.3 Vrste mikrostruktur Vrste mikrostruktur, ki jih bomo obravnavali v nadaljevanju, so značilne predvsem za polikristalne kovine, keramiko in kompozite. Večinoma jih lahko razločimo že s svetlobnim mikroskopom. Mikrostruktura termoplastov (plastomerov) bo predstavljena v poglavju Polimerna gradiva. 5.3.1 Enofazna mikrostruktura Enofazna gradiva so lahko mono- ali polikristalna. Za kristale je značilno, da se razdalje med atomi v različnih smereh razlikujejo med seboj, zato so tudi njihove lastnosti v različnih smereh različne anizotropne. Pri polikristalnih gradivih so lahko kristalna zrna enakoosna ali usmerjena, lastnosti pa so lahko izotropne ali anizotropne. Mikrostruktura ima anizotropne lastnosti, kadar je večina kristalnih zrn podobno kristalografsko orientiranih (sliki 5.2 b, d); v tem primeru govorimo o teksturi. Pri opazovanju s svetlobnim mikroskopom praviloma ne moremo ugotoviti kristalne orientiranosti (teksture), z lahkoto pa odkrijemo usmerjenost kristalnih zrn. Kristalna zrna so usmerjena, če je njihova dolžina je v kaki smeri mnogo večja kot v drugih (sliki 5.2 c in d). Enakoosna zrna (sliki 5.2 a in b) imajo približno enako velikost v vseh smereh; na sliki 5.2 a so tudi naključno orientirana, tako da so lastnosti materiala v vseh smereh enake. Govorimo o izotropnih lastnostih. Pravilnejši izraz je kvaziizotropija, kajti izotropne lastnosti izmerimo le na vzorcih, ki so precej večji od srednje velikosti kristalnih zrn. Namreč, če je analizna prostornina manjša kot kristalno zrno, so lastnosti ponovno smerno odvisne - anizotropne.
5. Mikrostruktura gradiv
Slika 5.2:
51
Polikristalna enofazna gradiva: a) enakoosna kristalna zrna z naključno kristalno orientacijo, b) enakoosna kristalna zrna s podobno kristalno orientacijo, c) usmerjena kristalna zrna z naključno kristalno orientacijo, d) usmerjena kristalna zrna s podobno kristalno orientacijo.
Pri enofaznih mikrostrukturah prikazanih na sliki 5.2 so kristalna zrna homogena; njihova kemijska sestava je enaka po celotni prostornini. Pri strjevanju enofaznih zlitin navadno nastanejo nehomogena kristalna zrna. 5.3.2 Dvofazna mikrostruktura Večina sodobnih gradiv je heterogenih. To pomeni, da so sestavljena iz dveh ali več faz, ki se med seboj razlikujejo v kemični sestavi in/ali kristalni zgradbi. Dvofazna gradiva lahko delimo v tista z neusmerjeno ali z usmerjeno mikrostrukturo. Osnovni tipi neusmerjenih dvofaznih mikrostruktur so: disperzna, mrežasta, dupleksna in dualna (slika 5.3). Osnovna faza je α, ki je sestavljena iz enakoosnih kristalnih zrn, v njej pa je lahko na različne načine razporejena druga faza β.
V disperzni mikrostrukturi so delci faze β bolj ali manj enakomerno porazdeljeni v fazi α (slika 5.3 a). Nahajajo se tako v zrnih α kot tudi po mejah zrn. Prostorninski delež faze β je 0 ~ Vβ < 0.8. Površina mej med delci faze β je Aββ ~ 0, obstajajo le meje α/α in α/β.
Slika 5.3:
Osnovni tipi izotropnih dvofaznih mikrostruktur: a) disperzna - faza β je razporejena tako v zrnih faze α kot tudi na kristalnih mejah, b) mrežasta – faza β je razporejena po kristalnih mejah faze α, c) dupleksna – prostorninski delež obeh faz je približno enak, kristalna zrna so razporejena naključno in d) dualna - faza β je prednostno razporejena na stičiščih treh kristalnih zrn faze α.
Ugotovi, katero od mikrostruktur želimo doseči pri izločevalnem utrjanju!
V mrežasti mikrostrukturi se faza β izloča pretežno po mejah zrn faze α in jih obda z bolj ali manj neprekinjeno plastjo (slika 5.3 b). V idealni mrežasti mikrostrukturi je zato Aαα = 0, obstajajo le meje med zrni β in α/β. Mrežasta mikrostruktura je običajno neželena, še posebej, če je faza β trda in krhka ter predstavlja prednostno pot za napredovanje razpok. V dualni mikrostrukturi je delež faze β: Vβ = 0,2…0,3. Zrna faze β se nahajajo na stičišču treh zrn faze α (slika 5.3 d). V idealni dualni mikrostrukturi je Aββ = 0. V dupleksni mikrostrukturi je prostorninski delež faz α in β približno enak: Vα = Vβ = 0,5. Zrna α in β so enako velika in statistično (naključno) razporejena, zato velja: 2Aαα ≈ 2Aββ ≈ Aαβ (slika 5.3 c).
- 52 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Pri vseh teh štirih tipih mikrostrukture sta fazi α in β naključno orientirani. Obstajajo tudi usmerjene dvofazne mikrostrukture. Značilni sta lamelna in palična mikrostruktura, ki ju lahko dosežemo pri usmerjenem evtektičnem strjevanju, pogosti pa sta tudi v kompozitih (sliki 5.4 a, b).
Slika 5.4:
Anizotropne dvofazne mikrostrukture: a) lamelna, b) palična in c) gradientna.
5.4 Osnovne materialografske raziskovalne metode Za opazovanje zgradbe materialov uporabljamo različne materialografske metode. Makrostrukturo materialov lahko opazujemo že s prostim očesom ali s povečevalnim steklom. O mikrostrukturi govorimo, ko so elementi mikrostrukture veliki nekaj μm ali manjši. Pri raziskavah želimo dobiti podatke o: -
geometrijskih značilnostih faz – vizualna materialografija,
-
kemični sestavi faz – mikrokemična materialografija in
-
kristalni zgradbi – strukturna materialografija.
Pri raziskavi uporabljamo vzorce. Če je le možno, jih izberemo tako, da so značilni (reprezentativni) predstavniki celotnega materiala. Če to ni mogoče, moramo izbrati več vzorcev. Vzorce moramo pred preiskavo primerno pripraviti. Vsaka metoda zahteva poseben pristop. V vsakem primeru se mikrostruktura materiala ne sme spremeniti – to pomeni, da moramo ohraniti pristnost (avtentičnost) vzorca. 5.4.1 Svetlobna mikroskopija (SM) Svetlobna mikroskopija je osnovna metoda, s katero preiskujemo površino materialov. Njena prednost je v tem, da dobimo pregleden vtis o celotni preiskovani površini, torej o celotni mikrostrukturi vzorca. Svetlobna mikroskopija spada k vizualni materialografiji. Z njo namreč dobimo vpogled v obliko, velikost in razporeditev mikrostrukturnih sestavin; neposredno pa ne dobimo podatkov o njihovi kemijski sestavi, kristalni zgradbi in kristalni orientaciji. Običajni svetlobni mikroskopi zahtevajo ravno, gladko ter kontrastno preiskovano površino, ki jo dosežemo z brušenjem, poliranjem in jedkanjem. S stereomikroskopi lahko opazujemo tudi hrapave površine, kot so prelomnine, vendar praviloma le pri manjših povečavah.
A
Zgradba svetlobnega mikroskopa
Svetlobni mikroskopi so sestavljeni iz vira svetlobe, steklenih leč in prizem, polprepustnih zrcal, objektiva, okularja in sistema filtrov. Svetlobni snop potuje od svetlobnega vira skozi sistem leč, ki usmerijo curek vzporedno z optično osjo. Filter prepušča samo svetlobo določene barve (npr. modro). Z aperturno zaslonko reguliramo količino svetlobe za osvetljevanje, ki jo prilagajamo opazovanemu vzorcu, da dosežemo optimalno ostrino in kontrast slike. S poljsko zaslonko povečamo ali zmanjšamo vidno polje. Z zmanjšanjem polja omejimo količino svetlobe, ki pada na vzorec. S tem zmanjšamo segrevanje vzorca ter popačenje slike. Od polprepustnega zrcala se del svetlobe odbije v smeri proti objektivu in pade na vzorec. Od vzorca se svetloba odbije nazaj skozi objektiv. Objektiv je sestavljen iz sistema leč, ki sliko preiskovane površine poveča od 5- do 100-krat. Prizma preusmeri svetlobni curek v okular, ki sliko dodatno poveča za 5-10-krat. To sliko lahko opazujemo neposredno s prostim očesom, preusmerimo na medlico mikroskopa ali pa posnamemo na fotografski film.
5. Mikrostruktura gradiv
Slika 5.5:
53
Svetlobni mikroskop v prerezu (iz prospekta firme Carl Zeiss Jena).
Zakaj pri viru svetlobe 1 uporabljamo polprepustno zrcalo? Ali lahko svetlobo preusmerimo le z zrcalom?
B
Povečava, ločljivost in globinska ostrina svetlobnega mikroskopa
Povečava svetlobnega mikroskopa je produkt povečave objektiva in povečave okularja. Pri mikroskopiranju je od same povečave slike bistveno pomembnejši podatek ločljivost (ali razločljivost) mikroskopa d. Ločljivost definiramo kot najmanjši razmik dveh točk na vzorcu, ki ju lahko razločimo (slika 5.6). Ločljivost svetlobnega mikroskopa omejuje valovna dolžina svetlobe. Če uporabimo modro svetlobo, ki ima valovno dolžino okoli 450 nm, bo v najboljšem primeru ločljivost svetlobnega mikroskopa okoli 0,2 μm. Če vzamemo, da je ločljivost človeškega očesa okoli 0,2 mm, potem moramo sliko povečati za 1000-krat, da lahko točke, ki jih razloči optični sistem, razločimo tudi mi.
Slika 5.6:
Pojasnitev ločljivosti (razločljivosti) svetlobnega mikroskopa. Če je razdalja med dvema točkama manjša od ločljivost svetlobnega mikroskopa, ju ni mogoče razločiti tudi pri poljubno veliki povečavi.
Globinska ostrina je lastnost optičnih sistemov, da lahko vidimo ostro predmete, ki se nahajajo na različnih razdaljah. Globinska ostrina svetlobnega mikroskopa je majhna, nekaj desetink mikrometra. Zato je toliko bolj razumljivo, zakaj je za opazovanje nujna optično gladka površina vzorca. Razmislite (in preskusite), na kateri razdalji od vaših oči je ločljivost največja! Dajte si roko pred oči. Ali lahko hkrati jasno razločite prstne odtise in črke v knjigi? Če ne, zakaj?
- 54 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
5.4.2 Vrstični elektronski mikroskop (SEM) Pri nas ga tudi imenujemo rastrski† elektronski mikroskop. Vrstični se imenuje zato, ker elektronski curek tipa raziskovano površino po vzporednih črtah. Pogosto uporabljamo kratico SEM, ki izhaja iz njegovega angleškega poimenovanja: Scanning Electron Microscope.
Vrstični elektronski mikroskop je sestavljen iz elektronske puške, v kateri nastane snop pospešenih elektronov; elektronskih leč za fokusiranje in odklanjanje elektronskega snopa; detektorjev za sprejemanje elektronov in elektromagnetnih valovanj, ki nastanejo pri interakciji elektronskega snopa z vzorcem ter krmilja za optimiranje pogojev dela in prikaz elektronske slike (slika 5.7 a). Poleg tega je potrebna tudi vakuumska enota, ki zagotavlja v komori nizke tlake od 10–4 Pa do 10–5 Pa. V novejših izvedbah je lahko v komori z vzorcem tudi tlak 10-1000 Pa. To omogoča bistveno enostavnejšo raziskavo medicinskih, bioloških in polimernih vzorcev.
Slika 5.7:
Shematičen prikaz delovanja vrstičnega elektronskega mikroskopa (a). Interakcija med elektronskim snopom in vzorcem (b)
Ali bi lahko elektronski mikroskop sploh deloval, če ne bi bilo v njem primernega vakuuma (vsaj na razdalji od vira elektronov do zaslonke)?
Pri delovanju elektronskega mikroskopa se po raziskovani površini pomika elektronski snop. Njegov najmanjši premer je okoli 1 nm. Ob trku elektronskega snopa s površino vzorca nastanejo odbiti, sekundarni in Augerjevi (Ožerevi) elektroni ter elektromagnetni valovi v ultravijoličnem in rentgenskem delu spektra. Odbiti elektroni so tisti, ki pri vstopu v vzorec doživijo več trkov, pri čemer se jim smer gibanja spremeni za okoli 180°, tako da lahko zapustijo vzorec. Sekundarni elektroni so tisti, ki so bili v vzorcu, pa so jih primarni elektroni pri neelastičnih trkih izbili iz vzorca. V vsaki točki, na katero je usmerjen elektronski snop, nastajajo različne vrste elektronov in elektromagnetna valovanja. Intenziteta teh t.i. produktov interakcije med elektronskim snopom in vzorcem je odvisna od kemične sestave vzorca na tem mestu in tudi od stanja površine. Število odbitih elektronov je sorazmerno vrstnemu številu elementa. Področja, kjer je vrstno število večje, bo svetlejše kot področje z manjšim vrstnim številom. V aluminijevi osnovi so kroglice svinca. Ali so kroglice svetlejše ali temnejše od aluminijeve osnove?
Kovinske vzorce, ki niso vloženi v maso, pripravljamo na enak način kot vzorce za svetlobno mikroskopijo. Prelomne ploskve kovinskih materialov lahko opazujemo brez kakršne koli priprave. Pri delu v visokem vakuumu moramo kovinske vzorce, ki so vloženi, in vzorce neprevodnih snovi (keramika, beton, polimeri...) prevleči s tanko plastjo prevodne snovi, katere debelina doseže nekaj desetink nanometra (Običajno jih naparevamo z ogljikom ali pa napršujemo z zlatom, srebrom ali katero drugo dobro prevodno kovino). Če imamo na razpolago mikroskop z nizkim vakuumom, dodatna priprava površine ni potrebna.
†
Raster je črtasta ali pikčasta pravilna mreža.
5. Mikrostruktura gradiv A
55
Nastanek elektronske slike
Elektronski snop se pomika po površini vzorca po 1000 med seboj enako razmaknjenih vrsticah. V vsaki vrstici se ustavi na l000 med seboj enako oddaljenih točkah. Torej zaporedoma potipa l000 x 1000 točk. Usklajeno z gibanjem elektronskega snopa po površini vzorca se pomika tudi elektronski snop po monitorju. Če je elektronski snop v točki (l, 1) na vzorcu, je tudi elektronski snop na monitorju v točki (1, 1) – to je v levem zgornjem kotu (slika 5.8). Pri interakciji snopa z vzorcem nastane določeno število npr. odbitih elektronov. Ustrezen detektor te elektrone zajame, tako da nastane v detektorju električni signal, ki ga ojačimo, z njim pa krmilimo jakost elektronskega curka na monitorju. Čim večji je tok odbitih elektronov, tem svetlejša je točka na monitorju. Celotna elektronska slika ne nastane naenkrat, temveč z zaporednim premikanjem elektronskega curka po raziskovani površini.
Slika 5.8:
Predstavitev nastanka elektronske slike
Zakaj je boljše, da je elektronski curek pri povečavi M1 večji kot pri M2?
Če hočemo v vrstičnem elektronskem mikroskopu razločiti dva delca, mora biti premer elektronskega snopa manjši od razdalje med njima. Najmanjša razdalja med delcema, ki ju še lahko razločimo, je enaka najmanjšemu premeru elektronskega snopa, ta pa je okoli 1 nm. S človeškim očesom ju lahko razločimo, če sliko povečamo za okoli 200 000-krat (0,2 mm / 1 nm). To pomeni, da je ločljivost in s tem največja povečava 100-krat večja kot v svetlobnem mikroskopu. Primerjajte značilnosti svetlobnega in vrstičnega elektronskega mikroskopa! Ugotovite temeljne sorodnosti in razlike. Poizvedite, kdaj so izumili svetlobni in kdaj vrstični elektronski mikroskop.
Slika 5.9:
Trije posnetki z vrstičnim elektronskim mikroskopom. (a) Tri faze v zlitini Al-B. Svetla: trdna raztopina na osnovi aluminija, siva: AlB2 in črna AlB12. Uporabljeni so bili odbiti elektroni. (b) Več usmerjenih dendritov (sekundarni elektroni). (c) Jamičast lom jekla (sekundarni elektroni).
Vrstični elektronski mikroskop ima tudi dobro globinsko ostrino, tudi do 0,5 mm, kar je 1000-krat več kot v svetlobnem mikroskopu, zato lahko opazujemo hrapave površine (npr. prelomnine, globoko jedkane vzorce). Poleg tega se lahko elektronski mikroskop opremi z dodatnimi detektorji za ultravijolične in rentgenske žarke (to omogoča mikrokemično analizo) ter z detektorji za ugotavljanje orientacije kristalnih zrn. Zaradi tega se njegova uporaba uveljavlja na številnih področjih (materiali, medicina, biologija,
- 56 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
geologija...) kot pomembno raziskovalno orodje. Nepogrešljiv je v elektronski industriji pri preverjanju kakovosti elektronskih elementov. 5.4.3 Presevna (transmisijska) elektronska mikroskopija TEM Pri presevni ali transmisijski elektronski mikroskopiji elektronski snop preseva vzorce. To je možno le, če so tanjši kot 100 nm. Iz tega izvira, da moramo vzorce pripraviti na poseben način, pri čemer je še posebej pomembno, da ohranimo njihovo avtentičnost (pristnost). Poleg tega je raziskovano področje zelo majhno. Podajte predlog, kako bi izdelali dovolj tanek vzorec za TEM!
Slika 5.10:
a) Mikroposnetek izločkov γ'-Ni3(Al,Ti) v osnovi γ nikljeve superzlitine IN 713C. b) Uklonski vzorec. Velike točke so ukloni tako od osnove γ kot tudi izločkov γ'. Male točke so le ukloni od izločkov γ'. Uklonska slika ima štirištevno sučno os v središču. To pomeni, da je bila smer elektronskega snopa vzporedna robu osnovne celice kubičnega kristala. Sovpadanje uklonskih točk faz γ in γ', kaže, da imata obe podobno kristalno zgradbo, enaki mrežni konstanti in enako orientirano osnovno celico.
TEM ima ločljivost pod 1 nm. Zato postajajo smiselne tudi povečave nad 1 000 000-krat. Pri visokoločljivem TEM lahko vidimo tudi razvrstitev atomov (glej sliko kristalne meje 4.16). Dislokacije so vidne kot črne črte. Dobro lahko razločimo tudi različno velike izločke (slika 5.10 a). Elektroni se obnašajo kot valovanje, zato se pri prehodu skozi snov uklanjajo. Iz uklonskih slik lahko dobimo podatke o kristalni zgradbi. Na sliki 5.10 b sta uklonski sliki dveh faz: osnove in izločkov, ki se prepletata. Uklonski vzorec ima štirištevno sučno os. Iz tega izhaja, da ima tudi kristal štirištevno sučno os, ki jo najdemo le v kubični (os je pravokotno na ploskev kocke) in tetragonalni kristalni zgradbi (os je vzporedno s c-osjo). Obe fazi imata enako orientacijo. Ker nekatere točke sovpadajo, lahko sklepamo, da imata tudi enako mrežno konstanto, tako da je njuna fazna meja koherentna ali skladna. Primerjajte obe vrsti elektronske mikroskopije!
5.4.4 Mikrokemijska analiza S pospešenimi elektroni povzročimo prehod elektronov z notranjih orbital atomov na višje energijske nivoje. Pri preskoku elektronov v nižje stanje navadno nastane rentgensko sevanje. Rentgenski spekter vsebuje poleg črt (vrhov) značilnih za posamezen element, ki so primerne za kvalitativno‡ in kvantitativno§ analizo, tudi nespecifično zavorno sevanje.
Elektronska mikroanaliza je najbolj pogosta metoda za lokalno mikrokemično analizo trdnin. Elektronski curek vzbudi atome v zelo majhni prostornini, ki meri v premeru od 1 - 30 μm. Rentgensko sevanje razstavimo glede na energijo ali valovno dolžino (podobno kot razstavi prizma belo vidno svetlobo v svetlobni spekter – mavrico) ter ga kvalitativno in kvantitativno analiziramo. Mikrokemijsko analiziramo v SEM in TEM.
‡ Kvalitativna analiza: ugotavljamo, kateri elementi so v vzorcu. § Kvantitativna analiza: ugotavljamo deleže ali koncentracije posameznih elementov. Za ugotavljanje deležev ali koncentracij se v analizni kemiji uporablja skrajšan izraz določevanje.
5. Mikrostruktura gradiv
57
Slika 5.11:
Točkovna elektronska mikroanaliza
Slika 5.12:
a) Črtna porazdelitev elementov. Elektronski snop se pomika po črti na sliki desno spodaj. Kjer je nekega elementa malo, je njegovo intenziteta šibka. b) Ploskovna porazdelitev elementov. Kjer je nekega elementa veliko, je področje svetlo; kjer ga ni, je črno.
Ugotovi temeljne razlike in podobnosti WDS- in EDS-metode mikrokemijske analize!
Za analizo rentgenskega spektra uporabljamo dve vrsti spektrometrov - valovnodolžinski spektrometer WDS (wave-length dispersive spectrometer): rentgenski spekter razstavimo glede na valovno dolžino in dobimo diagram intenziteta – valovna dolžina in - energijskodisperzijski spektrometer EDS (energy dispersive spectrometer): rentgenski spekter razstavimo glede na energijo ter dobimo diagram intenziteta – energija (slika 5.11). Značilnosti obeh spektrometrov se med seboj precej razlikujejo. Z EDS lahko celotni spekter posnamemo že v minuti, medtem ko je za spekter WDS potrebna skoraj cela ura. Pri EDS težko ločimo elemente s podobno energijo rentgenskih žarkov (težko ločimo S in Mo), medtem ko ima WDS odlično spektralno ločljivost. Pri uporabi WDS je nujna velika intenziteta primarnega elektronskega snopa, ki pa lahko povzroči močno toplotno obremenitev vzorca in ga tudi poškoduje (to posebej velja za polimerna gradiva). WDS je primerna za kvantitativno analizo, medtem ko je EDS za to primerna le pogojno ob uporabi ustreznih programov. Pri analizi EDS lahko kvalitativno identificiramo element, če je njegova koncentracija večja kot 10–2 %, medtem ko ga pri analizi WDS zasledimo že pri koncentraciji 10–4 %.
- 58 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Za identifikacijo in kvantitativno ugotovitev kemijskih elementov v izbranem področju vzorca usmerimo elektronski curek na izbrano analizno mesto – to je točkovna analiza (slika 5.11). Za ugotovitev koncentracijskega profila izbranega elementa pomikamo elektronski curek vzdolž določene črte – linijska ali črtna analiza (slika 5.12 a). Pri pomikanju elektronskega snopa po izbranem področju dobimo ploskovno porazdelitev elementov (slika 5.12 b). 5.4.5 Rentgenska difrakcija Valovanje se uklanja na ovirah, katerih velikost je enakega reda velikosti kot valovna dolžina valovanja. Velikost osnovnih gradnikov kristala – predvsem atomov in ionov – je približno 10-10 m. Na takšnih ovirah se uklanjajo rentgenski žarki, hitri elektroni in nevtroni. Danes se za ugotavljanje kristalne zgradbe snovi največ uporablja difraktometrska metoda. Pri tej metodi obseva rentgenski žarek površino vzorca pod kotom θ. Med obratovanjem se vzorec sinhrono vrti s polovično hitrostjo detektorja, tako da je kot med virom žarkov in vzorcem vedno enak kotu med vzorcem in detektorjem. Pri vsakem kotu θ se rentgenski žarki "odbijejo" od površine. Če je fazni zamik med različnimi rentgenskimi žarki enak večkratniku valovne dolžine (vrh enega vala sovpada z vrhom drugega vala), se žarki okrepijo, drugače pa izničijo. Kote Θ, pri katerih se pojavijo ojačitve, izračunamo z Braggovo enačbo:
2d sin Θ = nλ
(5.1)
kjer je d medmrežna razdalja (razdalja med ravninami {h k l}), λ je valovna dolžina rentgenskih žarkov, n pa je red odboja (n je naravno število, zato ima lahko naslednje vrednosti 1, 2, 3, 4…). V kubičnem kristalu izračunamo medmrežno razdaljo d: d=
a h2 + k 2 + l 2
(5.2)
Ko vstavimo izraz (5.2) v enačbo (5.1) dobimo: sin Θ =
h2 + k 2 + l 2 nλ 2a
(5.3)
V primitivnih kristalnih zgradbah se pojavijo ojačitve pri uklonu od vseh možnih ravnin, medtem ko se pri centriranih kristalnih zgradbah pojavijo le od nekaterih. To določa strukturni faktor. V PCK se pojavijo okrepitve, ko so Millerjevi indeksi ravnine ali vsi sodi npr. (2 0 0) ali vsi lihi (1 1 1): PCK : h, k , l vsi sodi ali vsi lihi
(5.4)
V TCK se pojavijo okrepitve, če je vsota Millerjevih indeksov ravnine (h k l) soda npr. (1 1 0), (2 0 0), (3 1 0): h + k + l = 2n
(n = 1, 2,3, 4...)
(5.5)
5. Mikrostruktura gradiv
Slika 5.13:
59
a) Shema naprave za rentgensko difrakcijo. b) Difraktogram. Ukloni od ravnin se pojavijo pri določenih kotih. Z merjenjem kotov lahko ugotovimo kristalno zgradbo in mrežne stalnice osnovne celice. Iz intenzitet uklonov od kristalnih ravnin lahko dobimo podatke o tem, katera mesta v osnovni celici zasedajo določeni atomi.
Pojasnite razliko med uklonom in lomom valovanja! Ali lahko dobimo uklon od ravnin (3 1 1) v TCK? Analizirajte uklonski diagram na sliki 5.13 b. Ali ima faza TCK ali PCK kristalno zgradbo?
Povzetek Mikrostruktura gradiv je kristalna zgradba z napakami, ki jih lahko razločimo s primernimi mikroskopi. V materialih lahko s svetlobnim mikroskopom vidimo kristalna zrna. Kristalna zrna so po obliki enakoosno ali usmerjena. V dvofaznih materialih ločimo štiri značilne neusmerjene mikrostrukture: disperzno, mrežasto, dupleksno in dualno ter dve usmerjeni: paličasto in lamelno. Mikrostrukturo materiala lahko opazujemo z različnimi mikroskopi, med temi so zelo pomembni: svetlobni mikroskop (SM), vrstični elektronski mikroskop (SEM), presevni elektronski mikroskop (TEM). Ločljivost mikroskopa je najmanjša razdalja med delcema, pri kateri ju še lahko razločimo. Ta znaša okoli 0,2 μm za SM, 1 nm za SEM in 0,01 nm za TEM. SEM ima še odlično globinsko ostrino; sposobnost, da vidimo ostre objekte, ki so na različnih razdaljah. Z metodami mikrokemijske analize (EDS in WDS) lahko kvalitativno in kvantitativno ugotovimo kemijsko sestavo mikrostrukturnih sestavih. Kristalno zgradbo snovi navadno ugotavljamo z rentgensko difrakcijo (XRD), ki temelji na uklonu rentgenskih žarkov. Ugotovimo jo tudi na osnovi uklona elektronov v SEM (EBSD – electron backscattered diffraction; uklon povratno sipanih elektronov) in TEM (npr. SAED – selected area diffraction pattern; uklonska slika izbranega področja).
5.5 Pomisli, odgovori, reši 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7
Kako je definirana mikrostruktura? Opišite vrste mikrostruktur enofaznega gradiva! Katere so osnovne dvofazne mikrostrukture? Poišči podobnosti in razlike med njimi! Katere mikrostrukture so anizotropne? V katerih smereh? S katerimi metodami lahko opazujemo mikrostrukturo? V preostalem delu učbenika poišči slike mikrostruktur in ugotovi, h kateremu tipu spadajo! Kaj pomeni pojem ločljivost (razločljivost) mikroskopa in v kakšni zvezi je z največjo smiselno povezavo mikroskopa?
- 60 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Od česa je odvisna ločljivost svetlobnega mikroskopa in od česa ločljivost vrstičnega elektronskega mikroskopa? Kakšna je razlika med odbitimi in sekundarnimi elektroni? Primerjaj globinsko ostrino svetlobnega ter vrstičnega in presevnega elektronskega mikroskopa! S katerimi metodami lahko izvedemo mikrokemijsko analizo? Kakšne so prednosti in slabosti teh metod? S katerimi metodami lahko ugotovimo kristalno zgradbo materialov?
5.6 Dodatna literatura k temu poglavju 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7
Glavič, Peter: Gradiva, Maribor : Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, 2001 Kosovinc, Ivan: Metalografija, tretja izdaja, Univerza Edvarda Kardelja v Ljubljani, Fakulteta za naravoslovje in tehnologijo, Ljubljana 1983 Paulin, Andrej: Mala slovenska enciklopedija metalurgije in materialov, Rudarsko-metalurški zbornik, Letnik 44, št. 1-2, Ljubljana julij 1997 Spaić, Savo: Fizikalna metalurgija, Zgradba kovinskih materialov, Strjevanje kovinskih talin, Ljubljana: Oddelek za materiale in metalurgijo, Naravoslovnotehniška fakulteta, Univerza v Ljubljani, Ljubljana, 2002 Spaić, Savo: Metalografska analiza, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za naravoslovje in tehnologijo, Oddelek za montanistiko, Ljubljana 1993 (Temeljno delo v slovenskem jeziku za to področje!) Zupanič, Franc: Gradiva Praktikum. Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo, Maribor 1999 Zupanič, Franc: Gradiva, Zbirka nalog in tabel, Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo, Maribor, 2006
6
Difuzija
Kaj bomo izvedeli? Kaj je difuzija? Kakšna je razlika med stacionarno in nestacionarno difuzijo? Kaj je intersticijska in kaj je substitucijska difuzija? Kaj je difuzijski koeficient? Kako nanj vpliva temperatura? Zakaj kristalne napake prispevajo k hitrejšemu premikanju atomov?
Equation Section (Next)
6.1 Uvod Atomi v trdnih snoveh se lahko premikajo! Prenos snovi poteka le z difuzijo, ki jo definiramo kot premikanje posameznih atomov v trdnini. Da lahko atom preide iz enega mesta na drugo potrebuje energijo. Za difuzijo pravimo, da je toplotno aktiviran proces. Njegov temeljni vir je toplotna energija, ki se veča z višanjem temperature, s tem pa postaja difuzija intenzivnejša. Običajno postane difuzija zaznavna pri temperaturah nad 0,3 Tt (tališče kovine ali zlitine).
6.2 Makroskopski opis difuzije 6.2.1 Stacionarna difuzija Difuzijski tok J je v stacionarnem stanju (koncentracije se ne spreminjajo s časom) podan s 1. Fickovim zakonom:
J = − AD
∂C ∂x
kjer je A difuzijski prerez, D difuzijski koeficient, C koncentracija in x prostorska koordinata. Izraz
(6.1) ∂C je ∂x
koncentracijski gradient, ki pove, kako hitro se spreminja koncentracija z razdaljo. Znak minus v enačbi (6.1) določa, da poteka difuzijski tok v nasprotni smeri koncentracijskega gradienta, torej v smeri od večje k manjši koncentraciji (slika 6.1).
Slika 6.1:
Stacionarna difuzija poteka v nasprotni smeri koncentracijskega gradienta (a). Ko je koncentracijski gradient pozitiven (koncentracija narašča z razdaljo) poteka difuzija v negativni smeri. (b) Shematičen prikaz difuzije vodika skozi tanko ploščico iz paladija (p je parcialni tlak vodika).
Katera mesta v kristalni zgradbi paladija zasedajo atomi vodika? Kako se lahko premikajo skozi njegovo kristalno mrežo?
Difuzijski koeficient D je navadno podan z naslednjo enačbo:
D = D0 exp (− E / RT ) - 61 -
(6.2)
- 62 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
kjer je D0 difuzijska konstanta, E je aktivacijska energija za difuzijo, R je plinska konstanta in T je temperatura v K. Eksponentni člen v enačbi kaže, da je difuzija zelo močno odvisna od temperature. 6.2.2 Nestacionarna difuzija Pri nestacionarni difuziji se koncentracije spreminjajo s časom. Tipičen primer je difuzijski spoj bakra in niklja. Na eni strani difuzijskega spoja je čisti baker, na drugi pa nikelj. Baker in nikelj tvorita sistem popolne topnosti v trdnem in tekočem stanju (glej poglavje: Fazni diagrami), zato se lahko pri poljubni temperaturi popolnoma pomešata med seboj. Če sta baker in nikelj pri sobni temperaturi spojena neskončno dolgo, se med seboj ne bosta pomešala, ker je difuzijska hitrost zanemarljivo majhna. Šele s segretjem na dovolj visoko temperaturo bo začel baker prehajati v nikelj in obratno. Po zelo dolgem času bi se vzpostavilo stacionarno stanje, ko bi bili koncentraciji niklja in bakra po celotnem vzorcu enaki (Slika 6.2).
Pri nestacionarni difuziji opisuje spreminjanje koncentracije naslednja parcialna diferencialna enačba (2. Fickov zakon): ∂C ∂ 2C =D 2 ∂t ∂x
(6.3)
Ta enačba je analitično rešljiva za nekatere robne pogoje in enostavne oblike, drugače jo rešujemo numerično. Uporabljamo jo tudi pri ugotavljanju difuzijskega koeficienta D. Spremembo koncentracije lahko napovemo iz koncentracijskega poteka. Kjer je krivulja koncentracija – razdalja konveksna (izbočena), se koncentracija s časom zmanjšuje, kjer pa je konkavna, se koncentracija povečuje.
Slika 6.2:
Difuzijski par baker/nikelj pri času t = 0. Spodnja slika kaže, kako se spreminja koncentracija bakra s časom. Tam, kjer je krivulja konveksna (izbočena navzgor), se koncentracija s časom zmanjšuje, kjer pa je konkavna (izbočena navzdol), se z časom povečuje. Po zelo dolgem žarjenju je koncentracija bakra povsod enaka.
Ali je ogljičenje jekla stacionarna difuzija?
6.3 Mehanizem difuzije Če opazujemo difuzijo v atomskem merilu, potem ločimo dva osnovna mehanizma: - intersticijski in - substitucijski. 6.3.1 Intersticijska difuzija Intersticijska difuzija poteka v intersticijskih trdnih raztopinah. Atomi preskakujejo iz ene vrzeli (intersticije) v drugo. Ker je koncentracija intersticijskih atomov običajno majhna, je skoraj vselej število prostih intersticijskih mest enako številu sosednjih vrzeli - vse sosednje vrzeli so nezasedene. Pri intersticijski difuziji lahko atom preskoči v sosednjo vrzel, če je njegova energija E večja od migracijske
6. Difuzija
63
energije Em, ki je definirana kot energija, ki je potrebna za preskok iz ene vrzeli na drugo. Slika 6.3 kaže, da mora atom, ki preskakuje razmakniti atome osnovne kovine, za kar potrebuje migracijsko energijo Em.
Slika 6.3:
Prikaz intersticijske difuzije. Intersticijski atom preskoči iz ene vrzeli v drugo. Pri tem mora razmakniti atome osnovne kovine, za kar je potrebna energija. Na sosednje mesto lahko preskoči le, če ima dovolj energije.
Difuzijski koeficient D za intersticijsko difuzijo je podan z enačbo D = D0 exp (− Em / kT )
(6.4)
kjer je D0 difuzijska konstanta. 6.3.2 Substitucijska difuzija Pri substitucijski difuziji lahko atom preskoči na sosednje mrežno mesto le, ko je to prazno in ko ima dovolj veliko energijo. Za nastanek praznine je potrebna energija Et (tvorbena energija praznine), za preskok pa migracijska energija Em. Skupna aktivacijska energija E za preskok atoma je vsota obeh energij. Iz tega dobimo enačbo za substitucijsko difuzijo:
D = D0 exp (−( Et + Em ) / kT )
(6.5)
Iz tega izhaja, da je hitrost substitucijske difuzije pri konstantni temperaturi praktično vedno manjša kot hitrost intersticijske difuzije. Primerjajte difuzijo ogljika in niklja v avstenitu pri isti temperaturi?
V splošnem velja, da postane difuzija pomembna pri temperaturah okoli 0,25-0,30 absolutne temperature tališča kovine (T > 0,25-0.3 Tt). Pri konstantni temperaturi T se hitreje premikajo elementi z nižjim tališčem. Difuzijska hitrost je tudi večja v fazi, ki ima več praznega prostora. Ali bo pri isti temperaturi nikelj difundiral hitreje v feritu ali avstenitu?
Če poznamo difuzijski koeficient D, lahko izračunamo frekvenco preskokov: Γ=
D pα 2
(6.6)
kjer je p verjetnost za preskok v določeni smeri ordinatne osi. Pri prostorski difuziji (v kristalni mreži) lahko atomi preskakujejo v vseh koordinatnih smereh, zato je verjetnost za preskok v smeri +x enaka p = 1/6. Pri difuziji po kristalni meji je p = ¼, pri difuziji vzdolž dislokacije pa ½. Difuzijska razdalja α je navadno razdalja med najbližjimi atomi v kristalni mreži. Kolikšna je difuzijska razdalja v PCK?
Na pomemben vpliv temperature na hitrost difuzije naj opozori še naslednji primer: Pri 800 °C je lastni difuzijski koeficient bakra D = 5 × 10-9 m2/s, kar pomeni, da je frekvenca preskokov 5 × 105 s-1, medtem ko je pri 20 °C difuzijski koeficient D = 1×10-34 m2/s in atom bakra preskoči le enkrat v 1012 letih!
- 64 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Slika 6.4:
6.4
Prikaz substitucijske difuzije. Difuzija lahko poteka le, če so v kristalni mreži praznine – nezasedena mrežna mesta. Na praznino lahko skočijo le najbližji atomi (V PCK je 12 takšnih atomov, na tej dvodimenzijski sliki pa štirje), pa še to zgolj takrat, ko imajo dovolj veliko energijo. Puščici kažeta smer preskokov atomov.
Difuzija po kristalnih napakah
V kristalni mreži so atomi zelo gosto razporejeni, zato je aktivacijska energija za difuzijo velika in difuzija postane intenzivna šele pri visokih temperaturah. Ob napakah v kristalni mreži, kot so dislokacije in kristalne meje, je prostor manj zaseden z atomi. Aktivacijska energija za difuzijo je manjša in atomi lahko difundirajo že pri nižjih temperaturah. Vendar je ta difuzija pomembna le takrat, kadar je število napak veliko. Na primer, eden od mehanizmov lezenja* je Coblejevo lezenje, ki ga omogoča difuzija po kristalnih mejah. Ta mehanizem je pomemben v drobnozrnatih materialih, v monokristalnih pa ga ni. Povzetek Atomi se lahko premikajo tudi v trdnem stanju. Proces imenujemo difuzija. Difuzija je tem hitrejša, čim višja je temperatura. V stacionarnih razmerah se difuzijski tok s časom ne spreminja. V nestacionarnih razmerah se s časom spreminjajo koncentracije komponent na različnih mestih. V kristalnih snoveh ločimo substitucijsko in intersticijsko difuzijo. Pri substitucijski difuziji lahko atom, ki ima dovolj veliko energijo, skoči na sosednje mesto, če je to prazno. Pri intersticijski difuziji atomi preskakuje iz vrzeli v vrzel kristalne mreže, če imajo dovolj energije. Pri isti temperaturi je intersticijska difuzija hitrejša kot substitucijska. Difuzija je hitrejša v fazah, ki so manj gosto zasedene z atomi. Napake v kristalni mreži (dislokacije, kristalne meje) difuzijo močno pospešijo.
6.5 Razmisli, odgovori, reši 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9
6.10
Na kakšen način se lahko atomi premikajo v trdnem stanju? Katere skupne značilnosti imata intersticijska in substitucijska difuzija? V avstenitu s kristalno zgradbo PCK so raztopljeni atomi ogljika in mangana. Kateri od teh elementov bo hitreje difundiral v avstenitu pri poljubni temperaturi? Odgovor utemeljite! Poiščite teme v tem učbeniku, kjer je prav tako omenjena difuzija! Primerjajte aktivacijsko energijo za difuzijo na malokotni in velikokotni kristalni meji ter dvojčični meji! Katera vrsta difuzije je pomembna pri plezanju robne dislokacije? Kakšen je pomen difuzije pri lezenju, difuzijskem varjenju in sintranju? Izračunajte difuzijski koeficient ogljika pri temperaturi ϑ = 1000 °C, če je D0 = 1,0 × 10-5 m2 s-1 in E = 136 kJ mol-1. Kolikšna je frekvenca preskokov atomov aluminija pri samodifuziji (difuzija v lastni kristalni zgradbi PCK) pri temperaturi ϑ = 600 °C. Podatki: D0 = 170 mm2 s-1 = 170 × 10-6 m2 s-1, E = 142 kJ mol-1 (aktivacijska energija za samodifuzijo), a = 0,405 nm = 0,405×10-9 m. Difuzijska koeficienta mangana v zlitini železa z 2,97 % Mn pri dveh temperaturah sta podana v naslednji razpredelnici.
* Lezenje je povečevanje deformacije s časom pri konstantni obremenitvi. Napetost je manjša od napetosti tečenja, temperatura pa je višja kot 0,3 Tt.
6. Difuzija
65 Temperatura / °C
Difuzijski koeficient D / m2 s-1
900
1,485 × 10-15
1200
1,479 × 10-13
Izračunajte difuzijski koeficient mangana pri 1000 °C!
6.6 Dodatna literatura k temu poglavju 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6
Glavič, Peter: Gradiva, Maribor : Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, 2001 Zupanič, Franc: Gradiva, Zbirka nalog in tabel, Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo, Maribor, 2004 Marinković, Velibor: Fizikalna metalurgija II, Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehniška fakulteta, Oddelek za materiale in metalurgijo, Ljubljana 1999 (Priporočava za poglobljen študij.) Kosovinc, Ivan: Metalografija, tretja izdaja, Univerza Edvarda Kardelja v Ljubljani, Fakulteta za naravoslovje in tehnologijo, Ljubljana 1983 Spaić, Savo: Fizikalna metalurgija, Zgradba kovinskih materialov, Strjevanje kovinskih talin, Ljubljana: Oddelek za materiale in metalurgijo, Naravoslovnotehniška fakulteta, Univerza v Ljubljani, Ljubljana, 2002 Zupanič, Franc: Gradiva Praktikum. Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo, Maribor 1999
7
Osnove termodinamike materialov
Kaj bomo izvedeli? Kateri so osnovni termodinamski zakoni? Kako je definirano termodinamsko ravnotežje? Katere so najpomembnejše funkcije stanja? Značilnosti faznega ravnotežja v enokomponentnih sistemih! Zakaj so raztopine stabilnejše od čistih snovi? Značilnosti faznega ravnotežja v dvokomponentnih sistemih! Equation Section (Next)
7.1 Uvod Termodinamika materialov se ukvarja z ravnotežnimi stanji sistema in z zunanjimi dejavniki, ki vplivajo na njih. Termodinamsko stanje sistema definiramo s spremenljivkami stanja. Spremenljivke stanja so lahko intenzivne ali ekstenzivne. Vrednosti intenzivnih spremenljivk stanja so neodvisne od velikosti sistema (tlak p, temperatura T), medtem ko so ekstenzivne (notranja energija U, prostornina V) odvisne od njegove velikosti. Termodinamski sistem je lahko odprt ali zaprt. Odprt sistem izmenjuje snov z okolico, zaprt pa ne (množina snovi v njem se ne spreminja). Sistem je lahko toplotno izoliran ali neizoliran. V vedi o materialih navadno sistem ni nič drugega kot kos materiala, ki ga segrevamo, ohlajamo, ipd. Kadar obravnavamo procese v materialu pri neki toplotni obdelavi, navadno predstavlja kos materiala zaprt sistem. Po drugi strani pa je kos jekla pri ogljičenju odprt sistem, saj izmenjuje z okolico snov: njegova površina se bogati z ogljikom, ki prihaja iz okoliške atmosfere. Homogena področja sistema z enakimi fizikalno-kemijskimi lastnostmi imenujemo faza. Sistem lahko sestavlja ena ali več faz. Enofazni sistem je homogen, večfazni pa heterogen. Faze se lahko nahajajo v treh agregatnih stanjih: plinastem, tekočem in trdnem. V ravnotežju ima sistem najmanjšo možno prosto energijo; to je količino energije, ki se lahko pretvori v delo. Procesi v naravi potekajo spontano (sami od sebe) v smeri zmanjševanja proste energije. Kos jekla žarimo v vakuumu. Če ta kos jekla obravnavamo kot termodinamski sistem, kako bi ga opisali?
7.2 Osnovni termodinamski zakoni 7.2.1 0. zakon termodinamike Če sta telesi A in B ter telesi A in C v toplotnem ravnovesju, potem sta v toplotnem ravnovesju tudi telesi B in C. 7.2.2 1. zakon termodinamike Notranja energija U je toplota, ki jo sistem prejme pri konstantni prostornini.
U = Q − pΔV
(7.1)
kjer je Q toplota, p je zunanji tlak in ΔV je sprememba prostornine. Toplota, ki vstopa v sistem, ima pozitiven predznak, prav tako pa tudi delo, ki ga sistem opravi. Ko sistemu dovedemo toploto Q ali opravimo delo (ΔV < 0), se notranja energija snovi poveča. To povečanje se izrazi z zvišanjem temperature. Temperatura je mera za kinetično energijo, zato se gradniki snovi intenzivneje gibljejo. Ali poznaš še kakšno drugo vrsto dela, ki telesu poveča notranjo energijo?
- 66 -
7. Osnove termodinamike materialov
67
7.2.3 2. zakon termodinamike Drugi zakon termodinamike definira entropijo. Entropija je definirana kot toplota, ki jo sistem odda ali absorbira pri konstantni temperaturi. To pomeni, da se temperatura ne spremeni. Dovedena toplota poveča zgolj nered sistema: atomom se poveča potencialna energija. Nimajo več potencialne energije, ki ustreza dnu potencialnega lonca (slika 2.5). Entropijo definiramo tudi kot merilo za nered. 7.2.4 3. zakon termodinamike (Nernstovo pravilo) Entropija urejenih kristalnih snovi se enako hitro ali celo hitreje približuje vrednosti nič kot temperatura. Iz tega sledi, da je vrednost entropije pri T = 0 K enaka nič. Pri absolutni ničli so kristalne snovi povsem urejene.
7.3 Termodinamsko ravnotežje Definiramo lahko stabilno, metastabilno in nestabilno ravnotežje. Sistem je v stabilnem ravnotežju, ko ima najmanjšo možno prosto energijo G. Prosta energija G je del energije, ki se lahko pretvori v delo. V metastabilnem ravnotežju ima sistem energijo, ki ustreza lokalnemu minimumu, vendar ta minimum ni pri najmanjši možni prosti energiji. Vsak majhen odmik od metastabilnega ravnotežja povzroči povečanje proste energije in povzroči vrnitev nazaj v metastabilno ravnotežje (slika 7.1). Dovolj velik odmik od metastabilnega ravnotežja lahko povzroči prehod v stabilno ravnotežje, za kar je potrebna neka aktivacijska energija . V nestabilnem ravnotežju vsak najmanjši odmik povzroči prehod v bolj stabilno stanje.
Slika 7.1:
a) Prikaz stanj z različno prosto energijo G. Ravnotežno stanje je tisto z najmanjšo prosto energijo (točka 3). V metastabilnih ravnotežjih je dosežen krajevni minimum proste energije (točki 1 in 5), ne pa globalni. Nestabilno ravnotežje je v točkah 2 in 4. b) Pri prehodu iz metastabilnega v stabilno stanje se pojavljajo prehodna stanja z večjo energijo. Razlika med energijo metastabilnega in vmesnega stanja se imenuje aktivacijska energija. Pravokotnik na obeh skicah ponazarja mehansko analogijo ravnotežnih in neravnotežnih stanj.
Opiši stanje vode pri -20 °C!
7.4 Funkcije stanja Spoznali bomo entalpijo H, entropijo S in Gibbsovo prosto energijo G, ki jih ugotavljamo pri konstantnem tlaku p. Pri procesih, ki potekajo počasi in reverzibilno, je sprememba funkcij stanja odvisna le od začetnega in končnega stanja sistema in ne od poti, po kateri poteka. 7.4.1 Specifična toplota cp Specifična toplota cp je toplota, ki je potrebna, da se snov pri konstantnem tlaku p segreje za 1 K. Specifična toplota cp se s temperaturo spreminja, njeno vrednost pa izračunamo z enačbo:
c p = a + bT + cT −2
(7.2)
kjer so a, b in c koeficienti, ki so odvisni od vrste snovi. Specifična toplota narašča s temperaturo. To pomeni, da potrebujemo pri višji temperaturi več toplote, da segrejemo snov za 1 K.
- 68 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Kako označimo specifično toploto pri konstantni prostornini? Katera je večja? Pojasni razliko med njima!
7.4.2 Entalpija H Entalpija H je toplota, ki jo sistem sprejme pri konstantnem tlaku. Absolutne vrednosti entalpije ne moremo ugotoviti, ker lahko merimo le razliko med različnimi stanji. Zato velja dogovor, da kot primerjalno vrednost uporabimo vrednost entalpije H pri standardnih razmerah: T = 298,15 K in p = 1 bar (1 bar = 105 Pa). Entalpija stabilnih faz čistih elementov je po dogovoru pri teh razmerah enaka nič. Spreminjanje entalpije čiste snovi s temperaturo izračunamo: T
∫ c dT
H Τ = H 298 +
p
(7.3)
298
Ali je v standardnih razmerah entalpija α-Fe ali entalpija γ-Fe enaka nič?
7.4.3 Entropija S Ker je entropija pri 0 K enaka nič, poznamo absolutno vrednost entropije. Vendar zaradi lažjega računanja uporabljamo vrednosti entropije pri standardnih razmerah, ki so v razpredelnicah različnih zbirk termodinamskih podatkov. T
cp
298
T
ST = S298 + ∫ 7.4.4
dT
Gibbsova prosta energija G GT = H T − TST
(7.4)
(7.5)
7.5 Sprememba funkcij stanja G, S in H med faznimi prehodi in kemijskimi reakcijami Transformacija nizkotemperaturnih faz v visokotemperaturne (alotropske premene, taljenje, izparevanje, sublimacija) je povezana z absorpcijo latentne toplote. Pri taljenju je talilna toplota definirana: H t = H Tlt − H Tst
(7.6)
Tt - tališče; l - likvidus (tekoče); s - solidus (trdno). To pomeni, da je talilna toplota razlika v entalpiji taline in trdnine pri tališču. Pri kemijskih reakcijah se toplota porablja ali sprošča, torej se spremeni entalpija:
Δ H = Δ H RP − Δ H R
(7.7)
kjer je ΔHRP entalpija reakcijskih produktov (snovi, ki pri reakciji nastanejo) in ΔHR reaktantov (snovi, ki so pri reakciji reagirale in so se porabile). Podobno velja za spremembo entropije pri taljenju:
S t = H t / Tt
(7.8)
Talilna entropija je enaka kvocientu toplote, ki jo je snov absorbirala pri taljenju, in temperature tališča. Pri enostavnih kovinah s podobnimi kristalnimi zgradbami in podobnimi zgradbami talin je St ~ 8 - 16 J/K - to je znano pod imenom Richardsovo pravilo. Pri izparevanju velja:
Si = H i / Ti
(7.9)
Za enostavne kovine velja Trutonovo pravilo: Si = 88Ti. Entropijska razlika pri kemijskih reakcijah je:
ΔS = ΔSRP − ΔS R Sprememba proste energije pri taljenju:
(7.10)
7. Osnove termodinamike materialov
69
ΔG = H t - Tt S t = H t - Tt H t / Tt = 0
(7.11)
*
Pri alotropskih premenah , taljenju, izparevanju čistih snovi je sprememba proste energije enaka nič ali z drugimi besedami: prosti energiji npr. tekoče in trdne faze sta enaki. Pri kemijskih reakcijah je: ΔG = ΔGRP − ΔGR =ΔH RP − TS RP − (ΔH R − TS R )
(7.12)
Kemijske reakcije, kakor tudi vse ostale premene potekajo spontano (same od sebe) le, če je ΔG < 0. Ali lahko nek proces poteka sam od sebe, tudi če je sprememba entalpije pozitivna? Utemelji odgovor!
Slika 7.2:
Spreminjanje specifične toplote, entalpije, entropije in proste energije s temperaturo. Prehod iz α v β imenujemo alotropska premena, prehod iz β v l je taljenje, prehod iz l v g pa izparevanje.
7.6 Fazna ravnotežja v enokomponentnih sistemih Komponente so navadno kemijski elementi (Al, Cu…) ali spojine (H2O, C2H5OH…). V odvisnosti od temperature in tlaka so lahko komponente v različnih agregatnih stanjih: trdnem, tekočem ali plinastem. V trdnem stanju je možnih neskončno različnih faz, ki se med seboj razlikujejo v zgradbi. Obstojne so le tiste, ki imajo v danih razmerah najmanjšo prosto energijo. Ravnotežne faze in fazne prehode lahko napovemo, če poznamo vrednosti proste energije G pri vseh razmerah. 7.6.1 Diagram prosta energija G – temperatura T Najprej poglejmo, kako vpliva temperatura pri konstantnem tlaku na stabilnost posameznih faz. Obravnavajmo enokomponentni sistem, v katerem so ena plinska, ena tekoča in dve trdni fazi, ki se razlikujeta po prostorski zasedenosti. PCK je bolj gosto zasedena kot TCK. Najbolj neurejena je plinska faza, zato je njena entropija največja, medtem ko ima najmanjšo entropijo trdna faza z največjo gostoto zasedenosti (PCK). Zaradi enostavnosti predpostavimo, da je entropija vsake faze konstantna in se ne spreminja s temperaturo. Po drugi strani se najmanj energije sprosti pri nastanku plinske faze, zato je njena entalpija najmanj negativna, medtem ko z večanjem gostote snovi postaja entalpija vedno bolj negativna. To je pregledno podano v razpredelnici 7.1.
Razpredelnica 7.1:
Primerjalne vrednosti entropije in entalpije čiste komponente v štirih stanjih
stanje plinsko g
entropija S največja
tekoče l trdno TCK trdno PCK
manjša še manjša najmanjša
entalpija H največja (najmanj negativna; v idealnem plinu je enaka nič) manjša še manjša najmanjša (najbolj negativna)
Pri 0 K je Gibbsova prosta energija kar enaka entalpiji: G = H (enačba (7.5)). Z višanjem temperature se najhitreje zmanjšuje prosta energija faze, ki ima največjo entropijo S (S = -∂G/∂T, enačbo (7.5)
- 70 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
odvajamo po temperaturi). Pri neki temperaturi je termodinamsko ravnotežna faza tista, ki ima najmanjšo prosto energijo G. Od 0 K do Ta (Ta je temperatura alotropske premene, kjer se PCK spremeni v TCK) je stabilna PCK. Pri Ta sta PCK in TCK v ravnotežju. Med Ta in Tt je stabilna TCK, ki se pri Tt stali. Med Tt in Ti je stabilna tekoča faza. Pri Ti sta prosti energiji taline in plina enaki, nad Ti pa je obstojna plinska faza (slika 7.3).
Slika 7.3:
Spreminjanje proste energije dveh trdnih snovi α in β, taline l in plina s v odvisnosti od temperature z označenimi faznimi prehodi. Tališče Tt, vrelišče Ti, temperatura alotropske premene Ta.
Katera faza na sliki 7.3 je obstojna pri temperaturi 900 K?
7.6.2 Diagram tlak p – temperatura T Termodinamske lastnosti čistih snovi (komponent) niso odvisne le od temperature, temveč tudi od tlaka. Fazna ravnotežja lahko pregledno prikažemo v diagramu p – T (slika 7.4). Preden se lotimo njegovega opisa, si postavimo vprašanje, koliko faz je lahko hkrati v ravnotežju. Gibbs je ugotovil, da le končno število, ki ga izračunamo z Gibbsovim faznim pravilom. V termodinamskem sistemu, ki vsebuje K komponent in F različnih faz, temperaturo in tlak pa lahko spreminjamo neodvisno drugo od drugega, se Gibbsovo fazno pravilo glasi:
P=K -F +2
(7.13)
kjer nam število prostostnih stopenj P pove, koliko spremenljivk stanja lahko neodvisno spreminjamo, ne da bi se ravnotežje pri tem spremenilo. Pri P = 0 je v ravnotežju največje število faz v sistemu s K komponentami. Takrat govorimo o invariantnem ali nonvariantnem ravnotežju. Če pravilo uporabimo za enokomponentni sistem, je največje število faz, ki so skupaj v ravnotežju F = 1 + 2 = 3. Slika 7.4 prikazuje diagram p – T za komponento, ki nima alotropskih premen v trdnem stanju. To pomeni, da je vse od 0 K pa do tališča obstojna le ena trdna faza s. To velja npr. za kovine, kot so aluminij, baker, nikelj; spojine, kot je H2O…). V diagramu so tri enofazna področja: trdno s, tekoče l in plinasto g. Na črtah AD, BD in CD so zaporedoma v ravnotežju trdna in plinska, tekoča in trdna ter tekoča in plinska faza. V točki D so v ravnotežju vse tri faze hkrati (t.i. trojna točka). Število prostostnih stopenj P v enofaznih področjih je 2. To pomeni, da lahko v določenih mejah spreminjamo tako temperaturo kot tlak ne da bi se spremenilo število faz. Na črtah AD, BD in CD je na razpolago ena prostostna stopnja. Pri razlagi se omejimo le na ravnotežje med plinasto in tekočo fazo (črta DC). Nad kritično temperaturo Tk poljubno spreminjajmo temperaturo T. Pri tem ugotovimo, da je pri vsaki izbrani temperaturi T tlak p točno določen, kajti le pri eni vrednosti tlaka sta v ravnotežju plinasta in tekoča faza. Pri le nekoliko višjem tlaku smo v področju tekoče, pri nekoliko nižjem tlaku pa v
* Alotropska premena: Nekatere snovi se v trdnem stanju pojavljajo v več kristalnih zgradbah. Npr. titan ima nizkotemperaturno modifikacijo, ki je HGZ, ter visokotemperaturno, ki je TCK. Prehod iz HGZ v TCK ali obratno je alotropska premena.
7. Osnove termodinamike materialov
71
področju plinaste faze. V trojni točki D je P = 0. Če se spremeni ali tlak ali temperatura, se število faz spremeni.
Slika 7.4:
Diagram tlak p – temperatura T za enokomponentne sisteme. V točki D je trojna točka: v ravnotežju so trdna, tekoča in plinasta faza.
Pri tlaku p < pk prehaja pri naraščanju temperature trdna faza neposredno v plinsko, to je s sublimacijo. Pri p > pk imamo običajen potek: trdna faza se stali, tekoča pa izpari. Ravno nasprotni procesi potekajo pri ohlajanju. Kateri fazi sta v ravnotežju na črti DB?
7.7 Termodinamika raztopin Raztopine so zmesi dveh ali več komponent. Glede na agregatno stanje ločimo tekoče in trdne raztopine. V poglavju o kristalnih napakah smo spoznali neurejene, urejene in razmešane trdne raztopine, v tem poglavju pa bomo obravnavali dejavnike, ki odločajo o tem, kakšna bo raztopina.
Raztopina nastane, če med seboj pomešamo atome komponente A in atome komponente B. Pri tem preide zaprt sistem iz stanja 1: nepomešana A in B, v stanje 2: pomešana A in B. To lahko ponazorimo z enačbo: → stanje 2 stanje 1 nepomešana A in B → pomešana A in B → zmes ali raztopina A in B čisti A + čisti B
Slika 7.5:
Prikaz sprememb pri nastanku raztopine iz čistih komponent.
Kaj se pri tem spremeni? Če zamenjamo v čisti komponenti A† dva atoma med seboj, ne moremo opaziti nobene spremembe, kajti vsi atomi so med seboj enaki in razporeditev atomov se v bistvu ne spremeni. Nobene spremembe tudi ni, če enako storimo v raztopini. Toda, ob zamenjavi atomov A in B v raztopini se razporeditev spremeni. Število različnih razporeditev je enako številu kombinacij. Ob večjem število kombinacij je večja tudi idealna ali konfiguracijska entropiji Sk. Ta je v idealni raztopini tudi enaka idealni ali konfiguracijski entropiji mešanja Sm. Entropija mešanja Sm je v tem primeru podana z naslednjo enačbo: S m = − R ( X A ln X A + X B ln X B )
†
Enako velja za čisto komponento B.
(7.14)
- 72 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
ki je grafično prikazana na sliki 7.6. Vidimo, da je Sm pozitivna in da doseže največjo vrednost pri XA = XB = 0,5 (Xi je množinski delež komponente i). Če je entalpija mešanja Hm enaka nič, je prosta energija mešanja Gm:
Gm = H m − TS m = RT ( X A ln X A + X B ln X B )
(7.15)
ki je vselej negativna. To pomeni, da se pri mešanju čistih komponent A in B prosta energija zmanjša. Torej je raztopina stabilnejša od čistih komponent.
Slika 7.6:
Potek idealne entropije mešanja v dvokomponentnem sistemu. Entropija mešanja je povsod pozitivna, največja je pri XB = 0,5, kjer znaša 5,673 J mol-1 K-1
7.7.1 Idealne raztopine Idealna raztopina je definirana kot raztopina, v kateri se vsaka komponenta obnaša idealno. To pomeni, da med različnimi komponentami ni interakcij (ne vplivajo druga na drugo). Pri nastanku idealne raztopine se toplota niti ne porabi niti ne sprosti. Torej je entalpija mešanja ΔHm = 0, medtem ko je
entropija mešanja enaka idealni entropiji mešanja. Idealna raztopina lahko nastane, če imajo komponente podobno elektronegativnost in velikost. V idealni raztopini so komponente naključno ali statistično razporejene. V trdnem stanju dobimo neurejeno trdno raztopino. 7.7.2 Realne raztopine Realne raztopine sestavljajo komponente, med katerimi se pojavljajo interakcije, zato se pri nastanku raztopine toplota sprošča ali porablja. Iz tega sledi, da pri realnih raztopinah entalpija mešanja ni enaka nič. Če delujejo med različnimi komponentami privlačne sile, ker se razlikujeta v elektronegativnosti, se pri nastanku raztopine toplota sprosti in entalpija mešanja je negativna. V tem primeru je raztopina nagnjena k urejanju; v trdnem stanju nastane urejena trdna raztopina. Če delujejo med komponentami odbojne sile, se pri nastanku raztopine toplota porabi in entalpija mešanja je pozitivna. Ta raztopina je nagnjena k razmešanju, v trdnem stanju nastane razmešana trdna raztopina. Kadar je entropija mešanja realne raztopine enaka idealni entropiji mešanja, raztopino imenujemo regularna. Pri subregularnih raztopinah entropija mešanja ni več enaka idealni. Razlika je neidealna entropija mešanja. Katera trdna raztopina je najverjetnejša pri visokih temperaturah?
7.8 Fazna ravnotežja v dvokomponentnih sistemih Fazna ravnotežja v dvokomponentnih sistemih običajno obravnavamo pri konstantnem tlaku (p = konst.). Gibbsovo fazno pravilo se spremeni v: P = K - F + 1 in v ravnotežju so lahko največ tri faze. Potek proste energije posameznih faz lahko predstavimo v diagramu prosta energija G – delež komponente B (XB; XA = 1 - XB). Potek možnih krivulj različnih faz je prikazan na sliki 7.7. Krivulja za tekočo in trdno raztopino se razteza od čiste komponente A do čiste komponente B. Krivulje za vmesne
7. Osnove termodinamike materialov
73
spojine so navadno ožje, ker so te obstojne v ožjem koncentracijskem območju (nestehiometrične spojine) ali pa le pri točno določenem razmerju komponent (stehiometrične spojine). Pri teh se namreč prosta energija tako hitro povečuje z odmikom od idealnega razmerja, da kmalu presežejo vrednosti v diagramu.
Slika 7.7:
Značilne krivulje prosta energija – delež komponente B za različne faze, ki se pojavljajo v faznih diagramih.
V dvokomponentnih sistemih so v ravnotežju faze, v katerih je kemijski potencial (parcialna molska prosta energija) neke komponente enak. V binarnih sistemih to ugotovimo tako, da na krivulji ali na več krivulj položimo skupno tangento. Na sliki 7.9 a fazi α in L nimata skupne tangente. V celotnem koncentracijskem območju je obstojna le faza α, ker ima najmanjšo prosto energijo. Podobno je na sliki 7.9 c, kjer je v celotnem koncentracijskem območju obstojna le talina. Na sliki 7.9 b imata fazi L in α skupno tangento. Tangenta se dotika krivulje GL v točki X BL in krivulje Gα v točki X Bα . V tem sistemu A-B so zlitine od 0 - X BL enofazne, obstojna je le tekoča faza. Med X BL in X Bα sta v ravnotežju faza L, ki ima sestavo X BL , in faza α s sestavo X Bα . Nad X Bα je obstojna le faza α. V zlitinah s sestavo med X BL in X Bα sta sestavi faz L in α vedno enaki, spreminja se le njun delež. Pri X BL sta v ravnotežju talina L in neskončno majhna količina faze α, ki ima sestavo X Bα . Pri X Bα sta v
ravnotežju trdna faza α in neskončno majhna količina faze L, ki ima sestavo X BL . V zlitini s sestavo X0 ( X BL < Xo < X Bα ) sta v ravnotežju faza L s sestavo X BL in faza α s sestavo X Bα . Množinski (atomski) delež faz L in α izračunamo z vzvodnim pravilom. Ker sta v ravnotežju le faza L in α, velja: fL + fα = 1. Sestava zlitine X0 je enaka: X0 = fL X BL + fα X Bα . Tako dobimo: fL = l2/(l1 + l2) fα = l1/(l1 + l2)
kjer sta l1 = X0 - X BL in l2 = X Bα - X0.
Slika 7.8:
Shematičen prikaz vzvodov za izpeljavo vzvodnega pravila. Iz slike je razvidno, da čim daljši je vzvod, ki pripada neki fazi (bolj se sestava faze razlikuje od začetne sestave v vrtišču), tem manjši je njen fazni delež.
- 74 -
Slika 7.9:
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Ravnotežje v dvokomponentnem sistemu. V levem diagramu je v celotnem koncentracijskem območju obstojna faza α, v desnem pa talina L. Edino v srednjem diagramu je heterogeno ravnotežje med α in L.
Katere faze bi bilo več, če bi bil vzvod l1 na sliki 7.9 daljši od vzvoda l2.
Povzetek Termodinamika materialov se ukvarja z ravnotežnimi stanji termodinamskega sistema. Temelji na štirih osnovnih zakonih termodinamike. V faznem ravnotežju je prosta energija sistema najmanjša. V enokomponentnih sistemih se lahko pojavi snov v treh agregatnih stanjih: trdnem, tekočem in plinastem. V trdnem stanju je lahko več različnih faz, ki se razlikujejo med seboj v kristalni zgradbi. Hkrati so lahko v ravnotežju največ tri faze (Gibbsovo fazno pravilo). Ravnotežna stanja prikažemo v diagramih tlak p – temperaturaT. V dvokomponentnem sistemu se lahko komponenti med seboj mešata. Pri tem se entropija sistema poveča, kar stabilizira raztopine v primerjavi s čistimi komponentami. Ravnotežna stanja med fazami navadno prikažemo v diagramih delež komponente - temperatura B, X - T (p = konst.). V heterogenih ravnotežjih so v ravnotežju faze, ki se razlikujejo v kemični sestavi. Delež posamezne faze izračunamo z vzvodnim pravilom.
7.9 Razmisli, odgovori, reši 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 7.10
Pojasni razliko med zaprtim in odprtim termodinamskim sistemom? Poiščite v vsakdanjem življenja za oba! Kakšna je razlika med notranjo energijo in entalpijo? Snov segrejemo za 10 K pri konstantni prostornini in pri konstantnem tlaku. V katerem primeru smo dovedli večjo količino toplote? Utemelji odgovor! Kako definiramo termodinamsko ravnotežje? Zakaj poteka strjevanje čiste kovine pri konstantni temperaturi? Utemelji, zakaj je pri 0 K obstojna snov v kristalnem in ne v amorfnem stanju? V čem se razlikujeta stehiometrična in nestehiometrična spojina? V učbeniku poiščite več primerov za vsako od njiju! Koliko faz je lahko največ v ravnotežju v trikomponentnem sistemu pri konstantnem tlaku? Ali imajo v heterogenem ravnotežju vse faze enako kemijsko sestavo? Utemelji odgovor! V zlitini s 60 % B sta v ravnotežju talina L, ki vsebuje 50 % B in trdna raztopina β, ki vsebuje 90 % B. Katere faze je več?
7.10 Dodatna literatura k temu poglavju 7.1
7.2 7.3
Gontarev, Vasilij: Termodinamika materialov, Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehniška fakulteta, Oddelek za materiale in metalurgijo, Ljubljana 2000 (Za poglobljen študij te problematike predlagava ta učbenik!) Gontarev, Vasilij: Termodinamika, Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehniška fakulteta, Oddelek za materiale in metalurgijo, Ljubljana 1997 Rosina, Andrej: Teorija metalurških procesov, Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehniška fakulteta, Oddelek za materiale in metalurgijo, Ljubljana 1997
8
Binarni fazni diagrami
Kaj bomo izvedeli? Kaj prikazujejo binarni fazni diagrami? Zakaj se nekatere komponente popolnoma mešajo med seboj, druge pa ne? Značilnosti faznega diagrama s popolno topnostjo v tekočem in trdnem in stanju! Ravnotežno in neravnotežno strjevanje v sistemu s popolno topnostjo v tekočem in trdnem stanju! Mikrostrukture, ki nastanejo pri strjevanju v sistemu s popolno topnostjo v tekočem in trdnem stanju! Značilnosti evtektičnega faznega diagrama! Potek strjevanja in značilni evtektiki v evtektičnem faznem diagramu! Značilnosti peritektičnega faznega diagrama! Fazni diagrami z vmesno spojino! Fazni diagrami, v katerih potekajo reakcije v trdnem stanju! Equation Section (Next)
8.1 Uvod Fazni diagram prikazuje ravnotežna stanja nekega sistema. Ponazori nam, katere faze so obstojne v določenih razmerah (temperatura, tlak) in kemičnih sestavah, kakšne so njihove ravnotežne kemične sestave in fazni deleži. Fazni diagrami izhajajo iz termodinamskih lastnosti faz. V stabilnih faznih diagramih je prikazano stanje z najmanjšo prosto energijo – stabilno termodinamsko ravnotežje, medtem ko se v metastabilnih diagramih pojavljajo nekatere faze, ki jih v stabilnem ravnotežju ni, vendar nastanejo pri običajnih izdelovalnih postopkih in med uporabo dolgo ne razpadejo v stabilnejše faze. Na primer v jeklih je navadno navzoč cementit Fe3C, čeprav je metastabilna faza. Termodinamsko je sicer bolj stabilen grafit.
8.2 Fazni diagram s popolno topnostjo v tekočem in trdnem stanju To je binarni fazni diagram z dvofaznim ravnotežjem. Prikazan je na sliki 8.1. V njem sta le dve raztopinski fazi. Faza α je trdna raztopina. Popolna topnost v trdnem stanju je mogoča le, če je α substitucijska trdna raztopina in če sta kristalni zgradbi komponent A in B enaki (primer je fazni diagram Cu-Ni). Komponenti A in B morata imeti še približno enako velikost atomov (δ < 8 %), elektronegativnost in valenco. Faza L je talina oziroma tekoča raztopina. Področje obstojnosti faze α je navzgor omejeno s krivuljo solidus. Področje faze L je navzdol omejeno z krivuljo likvidus. Med krivuljama solidus in likvidus je dvofazno področje L + α. 8.2.1 Uporaba Gibbsovega faznega pravila V točki TA: Pri TA se strjuje talina čiste komponente A. V ravnotežju sta trdna in tekoča faza: F = 2, K = 1, F + P = K + 1 in P = 0. Ker je P = 0, poteka strjevanje v popolnoma določenih razmerah.
Dvofazno področje L + α: V dvofaznem področju je K = 2, F = 2 in P = 1. Ker je P = 1, se lahko poljubno spreminja le ena spremenljivka - to je temperatura ali sestava. Če se med strjevanjem poljubne zlitine temperatura spreminja neodvisno, sta sestavi trdne in tekoče faze določeni s krivuljo solidus in likvidus. Črta, ki povezuje krivulji likvidus in solidus pri konstantni temperaturi je torej izoterma in se imenuje konoda. Presečišče konode s krivuljo solidus podaja ravnotežno sestavo trdne, s krivuljo likvidus pa tekoče faze (slika 8.1 b), ki sta si v ravnotežju.
- 75 -
- 76 -
Slika 8.1:
GRADIVA – Visokošolski učbenik
a) Fazni diagram s popolno topnostjo v tekočem in trdnem stanju. Ob njem sta prikazani ohlajevalni krivulji za čisto komponento A in za neko zlitino. Strjevanje čiste komponente poteka pri konstantni temperaturi, zlitine pa v temperaturnem intervalu. b) V dvofaznem področju sta v ravnotežju talina in trdna raztopina. Sestavi tekoče in trdne faze sta določeni s presečiščem konode s krivuljo likvidus oziroma solidus.
Zakaj ni mogoč fazni diagram s popolno topnostjo v tekočem in trdnem stanju, če se komponenti razlikujeta v kristalni zgradbi?
8.2.2
Termična analiza
Pri termični analizi zasledujemo spreminjanje temperature med segrevanjem in ohlajanjem zlitin. Pri strjevanju čiste komponente A s temperature T* se temperatura taline enakomerno znižuje. Pri temperaturi TA se prične strjevanje. Ker je P = 0, poteka ravnotežno strjevanje pri konstantni temperaturi. Na krivulji T - t se pojavi zastojna točka. Temperatura se ne spremeni vse dotlej, dokler se ne strdi vsa talina. Šele nato se začne temperatura ponovno zniževati. Pri strjevanju zlitine poteka strjevanje v temperaturnem intervalu (P = 1). Na krivulji ni postojišča. Pri Tl se hitrost ohlajanja nekoliko zmanjša zaradi sproščanja kristalizacijske toplote (položnejši odsek krivulje med točkama 2 in 3), pri Ts pa je zopet bolj strma, ker se v trdni fazi ne sprošča latentna toplota.
Slika 8.2:
a) Ravnotežno in b) neravnotežno strjevanje v sistemu popolne topnosti v tekočem in trdnem stanju. Sestavi tekoče in trdne faze se med strjevanjem spreminjata. Po ravnotežnem strjevanju je trdna faza homogena, po neravnotežnem pa ne, ker je difuzija v trdnem prepočasna; pojavijo se kristalne izceje.
8.2.3 Ravnotežno in neravnotežno strjevanje zlitin Ravnotežno strjevanje zlitine s sestavo X0 se prične pri temperaturi likvidus Tl (slika 8.2 a). Iz taline se izloči zelo majhna količina trdne faze α s sestavo α0. Ker vsebuje faza α več B, kot ustreza sestavi zlitine X0, se sestava taline pomakne proti A-kotu faznega diagrama. Pri Tl je ta sestava v območju likvidus. Strjevanje se lahko nadaljuje le, če se temperatura zmanjša pod Tl. Pri tem se poveča delež strjene faze α, ki je v ravnotežju s talino. Tako se mora med strjevanjem temperatura ves čas zniževati. Iz taline se vselej izloči faza α, ki vsebuje večji delež atomov B kot osnovna zlitina. Posledično se talina siromaši z B. Njena sestava se spreminja vzdolž krivulje likvidus od L0 do Lz, medtem ko se sestava trdne faze spreminja po krivulji solidus od α0 do αz. Pri ravnotežnem strjevanju sta talina in trdna raztopina
8. Binarni fazni diagrami
77
homogeni; njuni sestavi sta določeni s krivuljo likvidus in solidus. To je mogoče le takrat, kadar je difuzivnost atomov A in B zelo velika oziroma pri zelo počasnem ohlajanju. Takrat je trdna faza α po strjevanju homogena. Po celotni prostornini ima enako kemijsko sestavo, ki je enaka sestavi zlitine X0, čeprav se je sestava trdne faze med strjevanjem stalno spreminjala.
V dejanskih razmerah je ravnotežno strjevanje redkost. Hitrosti strjevanja so prevelike, difuzijske hitrosti - predvsem v trdnem stanju - pa premajhne, da bi bilo možno doseči popolnoma homogeno trdno fazo. Pri nadaljnji obravnavi neravnotežnega strjevanja privzemimo, da je tekoča faza homogena (vedno ima enako kemijsko sestavo po celotni prostornini), difuzijska hitrost v trdnem stanju pa je premajhna, da bi omogočila izenačitev sestave. Tudi v tem primeru se prične strjevanje pri temperaturi likvidus Tl. Iz taline se izloči majhna količina faze α, ki ima sestavo α0. Sestava taline se pomakne k L1, zaradi odvajanja toplote pa se temperatura malenkost zniža. Iz taline s sestavo L1 se izloči faza α s sestavo α1 (Pri vsaki temperaturi imata talina in pri tej temperaturi izločena trdna faza sestavo, ki ustreza krivulji likvidus oziroma krivulji solidus). V ravnotežnih pogojih bi se sestava izločene faze α izenačila (bila bi enaka α1), v neravnotežnih razmerah se pa ne (srednja sestava nehomogene trdne faze je α'1. Začetna faza α ima sestavo α0; medtem ko faza α, ki se izloča kasneje, vsebuje vedno manj komponente B. Dobimo nehomogeno fazo α. Nastanejo tako imenovane kristalne izceje. V neravnotežnih razmerah se strjevanje ne konča pri temperaturi solidus Ts, temveč pri neki nižji temperaturi; to je pri temperaturi, pri kateri je srednja sestava trdne faze αz enaka sestavi zlitine X0. Pomnimo: Po neravnotežnem strjevanju je trdna raztopina nehomogena, njena sestava ni povsod enaka (kristalne izceje). Kaj bi lahko naredili, da bi nehomogena trdna raztopina postala homogena?
8.3 Strjevanje enofaznih zlitin Zlitine, pri katerih pri strjevanju nastane le ena faza, imenujemo enofazne zlitine. Enofazno se strjuje vsaka zlitina v sistemu popolne topnosti v tekočem in trdnem stanju (slika 8.1), prav tako pa tudi vse podin nadevtektične zlitine pred začetkom evtektične reakcije (slika 8.9). Faze, ki rastejo iz taline, imenujemo primarne faze. Glede na talilno entropijo* je lahko njihova rast fasetirana ali nefasetirana (slika 8.3). Pri fasetirani rasti je faza obdana z ravnimi, atomsko gladkimi ploskvami. To so navadno kristalne ravnine, ki rastejo najpočasneje ali imajo najmanjšo površinsko energijo, zato imajo kristali poliedrično obliko (slika 8.3 a).
Slika 8.3:
Morfologija primarnih faz a) fasetirana (ima obliko poliedrov, obdana je z atomsko gladkimi ploskvami), b) nefasetirana – dendritna. Primarna faza je nagnjena k fasetirani rasti, če je talilna entropija St > 2R, drugače raste nefasetirano (R je plinska konstanta).
Pri nefasetirani rasti trdna snov ni obdana z atomsko ravnimi ploskvami. Na površini kristala je veliko mest, na katere se atomi iz taline lahko pripnejo. Če bi bila hitrost rasti v vseh smereh enaka, bi imeli delci trdne snovi (zrna) kroglasto obliko. Toda kristali so navadno anizotropni – nimajo enakih lastnosti v vseh smereh. Zato je tudi hitrost kristalne rasti v različnih smereh neenaka. Npr. kubični kristali rastejo najhitreje v smeri robov osnovne celice; to je v smereh iz družine <1 0 0>. Teh smeri je šest. Nastali
* Talilna entropija je razlika med entropijo taline in entropijo trdne snovi pri tališču. (Glej poglavje Osnove termodinamike materialov.)
- 78 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
kristal ima več primarnih in sekundarnih vej, imenujemo ga dendrit. Če je v zlitini več komponent in/ali če zlitino močneje podhladimo, lahko spremenimo poliedrično rast primarnih faz v dendritno obliko. V PCK imajo najmanjšo površinsko energijo kristalne ravnine z najgostejšim zlogom atomov. Kakšni so njihovi Millerjevi indeksi?
8.3.1 Usmerjeno strjevanje Pri usmerjenem strjevanju nastanejo kristalna zrna na steni kokile ali hladilni plošči. Toplota iz taline in sproščena strjevalna toplota se prevajata skozi trdno fazo na steno kokile. Temperatura narašča od stene kokile proti notranjosti taline, zato je temperaturni gradient G = ∂T/∂x pozitiven tako v trdni kot v tekoči fazi.
Pri usmerjeni rasti čistih kovin je strjevalna fronta – to je meja med trdno in tekočo fazo - ravna. Strjevalna fronta je pri tališču kovine Tt. Hitrost strjevalne fronte vSF je sorazmerna temperaturnemu gradientu v trdnini Gs in obratno sorazmerna temperaturnemu gradientu v talini Gl. To pomeni, da je tem večja, čim več toplote odvedemo s strjevalne fronte skozi trdnino in čim manj toplote priteka do nje iz taline.
Slika 8.4:
a) A-kot faznega diagrama A-B, b) porazdelitev topljenca v trdni in tekoči fazi, c) konstitucijska podhladitev se pojavi, ko je dejanska temperatura taline pred strjevalno fronto ΔT(x) manjša od temperature likvidus Tl(x).
V binarnih diagramih sta v dvofaznem ravnotežju fazi, ki nimata enake kemične sestave. Pri obravnavi faznih ravnotežij (glej poglavje Osnove termodinamike materialov) smo ugotovili, da ravnotežni sestavi faz ustrezata točkama, kjer se skupna tangenta dotika krivulj G – X. Vzemimo, da je sestava trdne snovi Cs in sestava taline Cl. Razmerje k = Cs/Cl imenujemo porazdelitveni koeficient. Komponenta A je topilo, komponenta B pa topljenec. Poglejmo, kako poteka usmerjena rast v zlitini, v kateri je koncentracija atomov B enaka C0 (slika 8.4 a). Ko pri ohlajanju dosežemo temperaturo likvidus Tl, se iz taline sestave C0 izloči trdna faza s sestavo Cs = kC0. Ker je v trdni fazi manj komponente B kot v talini, iz katere je nastala, se plast taline ob trdni fazi obogati s topljencem. Ker je v mejni plasti topljenca B več kot v preostali talini, ta difundira v preostalo talino. Na začetku strjevanja je hitrost dotoka topljenca iz trdne faze v mejno plast taline večja kot količina topljenca, ki se odvede z difuzijo v talino, zato koncentracija topljenca na fazni meji trdnotekoče narašča (slika 8.4 b). Iz faznega diagrama lahko vidimo, da se z naraščanjem deleža topljenca v talini niža temperatura likvidus. Stacionarne (nespremenljive) razmere strjevanja se dosežejo, ko je sestava trdne faze na fazni meji trdno-tekoče enaka C0, sestava taline pa Cl = C0/k. Takrat je temperatura fazne meje trdno-tekoče enaka temperaturi solidus zlitine: Ts, sestava taline pa je C0/k. Z oddaljevanjem od strjevalne fronte se koncentracija B v talini zmanjšuje, temperatura likvidus zlitine pa zvišuje. Krivulja Tl(x) ponazarja naraščanje temperature likvidus z oddaljevanjem od strjevalne fronte: od Ts na strjevalni fronti do Tl, kjer je koncentracija topljenca enaka začetni koncentraciji: C0. Denimo, da dejanski potek temperature pred strjevalno fronto ponazarja črta Gl na sliki 8.4 c. V celotnem območju, ki je označeno s KPC, je dejanska temperatura taline nižja od temperature likvidus. Glede na ravnotežni diagram bi v tem območju morali biti v ravnotežju trdna in tekoča faza, navzoča pa
8. Binarni fazni diagrami
79
je le talina. Ta talina je podhlajena. Zato imenujemo to območje konstitucijsko podhlajena cona, pojav pa konstitucijska podhladitev. Zlitine lahko rastejo z ravno fronto trdno-tekoče (slika 8.5 b) le, če je dejanska temperatura na vsakem mestu pred njo višja od temperature likvidus. To je možno le pri majhnih strjevalnih hitrostih. V nasprotnem primeru postane ravna strjevalna fronta nestabilna - valovita. Pri majhni konstitucijsko podhlajeni coni nastanejo celice (slika 8.5 c). To so neke vrste izrastki trdne faze, ki štrlijo v talino. Navadno je vsaka celica obdana s šestimi celicami. Celice so valjaste oblike s paraboličnim vrhom. Navadno rastejo v smeri, ki je nasprotna smeri odvajanja toplote. Pri ravni fronti se lahko topljenec odvaja le v smeri rasti, pri celicah pa se tudi v smeri pravokotno nanjo v tako imenovani medcelični prostor. Zato je koncentracija topljenca ob vrhu celice manjša kot pred ravno fronto in vrh celice raste pri temperaturi višji od Ts. Valovitost strjevalne fronte in majhna difuzijska hitrost povzročita, da sestava trdne faze prečno na smer rasti ni enaka. Pri k < 1 je koncentracija topljenca najmanjša v središču celic, največja pa v medceličnem prostoru. Takšno spreminjanje koncentracije imenujemo mikroizcejanje. Ker del topljenca difundira tudi v smeri rasti, se koncentracija komponente B v preostali talini veča. Zadnja talina, ki se strdi, vsebuje več komponente B kot začetna talina. Tako se spreminja tudi koncentracija komponente B v smeri rasti od stene kokile proti središču ulitka - to je makroizcejanje.
Slika 8.5:
Vpliv temperaturnega gradienta v talini na strjevalni fronti trdno-tekoče na morfologijo strjevalne fronte pri usmerjenem strjevanju. a) Različni temperaturni gradienti v talini, b) ravna strjevalna fronta pri Gl(1), c) celična strjevalna fronta pri Gl(2), d) dendritna strjevalna fronta pri Gl(3).
Slika 8.6:
Vpliv temperaturnega gradienta in hitrosti strjevalne fronte na morfologijo strjevalne fronte.
Ob še manjšem temperaturnem gradientu Gl(3) v talini se področje konstitucijske podhladitve poveča, s tem pa tudi amplituda valovitosti strjevalne fronte. Nastanejo usmerjeni dendriti (slika 8.5 d). Za dendrite je značilno, da rastejo najhitreje v neki določeni smeri. V kubičnih kristalih so to smeri <100>. Najdaljšo os dendrita imenujemo dendritno deblo (tudi primarna dendritna veja), izrastke iz debla pa dendritne veje (sekundarne dendritne veje). Usmerjene dendrite opredelimo z dvema glavnima parametroma: razdaljo med debli dendrita (primarnimi vejami) λ1 in razdaljo med dendritnimi vejami (sekundarnimi dendritnimi vejami) λ2. Pri dendritni morfologiji strjevalne fronte se mikroizcejanje še poveča. Valovna dolžina kristalnih izcej je približno enaka razdalji λ2. Pri večji hitrost strjevalne fronte se zmanjšata λ1 in λ2 ter s tem tudi kristalne izceje. Tukaj poudarimo, da je eno kristalno zrno sestavljeno iz več vzporednih dendritov. Različna kristalna zrna se razlikujejo v usmerjenosti dendritov. Podajte razliko med celicami in dendriti!
- 80 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Pojasnite pojem konstitucijska podhladitev!
Kadar je koncentracijski gradient v talini še manjši Gl(4), postane konstitucijsko podhlajena cona zelo široka, konstitucijska podhladitev pa zelo velika. Takšne razmere omogočijo nastanek enakoosnih kristalnih zrn v konstitucijsko podhlajeni coni in sčasoma prehod od usmerjenega k enakoosnemu strjevanju.
Slika 8.7:
(a) Model rasti enakoosnega dendrita. Dendriti kubičnih kristalov rastejo najhitreje v smereh <100>. Pri enakoosnem strjevanju določa velikost dendrita velikost kristalnega zrna. Kristalne izceje so odvisne od razdalje med dendritnimi vejami λ2. Okoli dendrita se tvorita polji povečane koncentracije topljenca in povišane temperature. Koncentracija topljenca v talini med dendritnimi vejami je približno C0/k. b) Procesi pri enakoosnem strjevanju čiste kovine.
8.3.2 Enakoosno strjevanje Enakoosno strjevanje je možno le, če se talina ohladi pod temperaturo tališča v čistih kovinah ali pod temperaturo likvidus v zlitinah. Kristalna zrna nastanejo pri določeni podhladitvi in rastejo. Tako imajo v čistih kovinah in zlitinah obliko enakoosnih dendritov. Model rasti in porazdelitev topljenca pri rasti enakoosnega dendrita je prikazan na sliki 8.7 a. Pomembno: Iz enega enakoosnega dendrita nastane eno kristalno zrno!
Potek enakoosnega strjevanja je dobro razviden iz ohlajevalne krivulje čiste kovine (slika 8.7 b). Pri določeni podhladitvi nastanejo prve kristalne kali. Strjevalna toplota, ki se pri tem sprosti, je premajhna, da bi preprečila nadaljnje ohlajevanje taline. Zato do največje podhladitve že nastali kristali rastejo, tvorijo pa se novi. Sproščanje strjevalne toplote najprej zmanjša hitrost ohlajevanja, nato pa povzroči segrevanje taline. Ponovno segrevanje taline imenujemo rekalescenca. Med rekalescenco lahko rastejo nastali kristali, novi pa ne morejo več nastajati. V začetku rastejo zrna neodvisno drug od drugega, nato pa se začnejo ovirati. Ko posamezna kristalna zrna trčijo, tvorijo trden skelet, strjuje se le talina v meddendritnem prostoru. Po koncu strjevanja so v makrostrukturi enakoosna kristalna zrna (slika 8.8 d). V čistih kovinah nastanejo poligonalna kristalna zrna. V zlitinah imajo zrna dendritno morfologijo, v kateri se kemijska sestava spreminja od središča dendritnih vej proti meddendritnemu prostoru. Nehomogenosti se močno zmanjšajo, če se zmanjša velikost kristalnih zrn. Primerjajte ohlajevalno krivuljo čiste kovine pri idealnem in realnem strjevanju! Ali lahko pri enakoosnem strjevanju nastane monokristal?
8. Binarni fazni diagrami
Slika 8.8:
81
Značilne makrostrukture ulitkov. a) Usmerjeno strjevanje z vseh sten, b) usmerjeno strjevanje z vseh sten, v sredini so enakoosna kristalna zrna, c) cona drobnih enakoosnih kristalov na stenah, ki ji sledi cona stebrastih kristalov z velikimi enakoosnimi kristalnimi zrni v sredi ulitka, d) povsem enakoosno strjevanje.
8.3.3 Makrostruktura ulitkov Glede na razmere strjevanja in vrsto zlitine lahko prevladuje usmerjeno ali enakoosno strjevanje ali pa se obe vrsti prepletata. Skladno s tem imajo lahko ulitki različno makrostrukturo (slika 8.8). Opazujemo jo lahko s prostim očesom ali pri majhnih povečavah. V bistvu lahko razločimo obliko, velikost in orientacijo kristalnih zrn.
Običajno je makrostruktura ulitkov sestavljena iz treh con: cone drobnih enakoosnih kristalnih zrn ob robu ulitka, cone stebrastih (usmerjenih) kristalov in cone grobih enakoosnih kristalov v sredini ulitka (slika 8.8 c). Takšna makrostruktura je neugodna, saj se lastnosti po celotnem ulitku spreminjajo, v sredi ulitka je običajno povečana koncentracija zlitinskih elementov in nečistoč (blokovne izceje). Nehomogene lastnosti in koncentracije nečistoč otežijo nadaljnjo plastično preoblikovanje in poslabšajo uporabne lastnosti. Zato želimo v odvisnosti od namena uporabe zlitine doseči ali popolnoma enakoosno mikrostrukturo ali usmerjeno samo v eni smeri.
8.4 Evtektični fazni diagram V tem diagramu dodatek komponente B komponenti A zmanjša temperaturo likvidus, enak učinek ima tudi dodatek komponente A komponenti B. Odseka krivulje likvidus se sekata v evtektični točki E. Poleg taline L ali tekoče raztopine, sta v diagramu še dve trdni fazi. V splošnem sta to trdni raztopini α in β (slika 8.9 a). V mejnem primeru, ko je medsebojna topnost enaka nič, sta trdni fazi čisti komponenti A in B (slika 8.9 b). Pogosto imata fazi α in β različno kristalno zgradbo, možno pa je tudi, da imata enako, vendar se močno razlikujeta v velikosti osnovne celice. Vsaka vodoravna črta v binarnem faznem diagramu pomeni, da tam poteka ena izmed invariantnih reakcij. Ugotovimo jo tako, da na vodoravni črti izberemo značilno točko. V tem primeru je to točka E. Zatem pogledamo, iz česa je sestavljena zlitina malo nad točko E: iz taline L in iz česa pod točko E: iz α + β. Torej v točki E poteka evtektična reakcija: TE LE ←⎯→ (α E + β E )
(8.1)
Pri njej talina, ki ima sestavo v točki E, hkrati razpade v dve različni trdni fazi α in β. Pri reakciji so v ravnotežju tri faze, torej je število prostostnih stopenj enako nič: P = 0 in zato evtektična reakcija poteka pri konstantni temperaturi TE, ki jo imenujemo evtektična temperatura. Prav tako so sestave udeleženih faz tudi točno določene: LE, αE in βE. Delež faze β v evtektiku je fβ = EαE/βEαE. Evtektična reakcija poteka v vseh zlitinah med αE in βE. Zlitina s sestavo v točki E je evtektična, zlitine s sestavo med αE in E so podevtektične, tiste s sestavo med E in βE pa nadevtektične. V evtektičnem faznem diagramu so tri enofazna področja: tekoča raztopina L, trdna raztopina na osnovi komponente B: β in trdna raztopina na osnovi komponente A: α, tri dvofazna področja: (L + α),
- 82 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
(L + β) in (α + β). Evtektična črta ali evtektikala je trifazno področje stisnjeno v daljico, kajti tam so v ravnotežju vse tri faze: L, α in β. V diagramu so naslednje krivulje: • krivulja likvidus: TA-E-TB, • krivulja solidus: TA - αE - E - βE - TB ter • krivulji solvus: αE - αS in βE - βS. V tem diagramu krivulji solvus označujeta zmanjšanje topnosti komponente B v komponenti A in komponente A v komponenti B z zniževanjem temperature. Skrajni primer evtektičnega diagrama dobimo, če komponenta B ni topna v A in obratno. Tak diagram imenujemo evtektični diagram s popolno netopnostjo v trdnem stanju (slika 8.9 b). Pojasnite, zakaj v evtektičnem diagramu s popolno netopnostjo v trdnem stanju ni krivulj solvus? Zakaj ni nobene krivulje solvus v diagramu s popolno topnostjo v tekočem in trdnem stanju?
a) Slika 8.9:
b)
Evtektični fazni diagram a) z obojestransko delno topnostjo v trdnem in b) s popolno netopnostjo v trdnem stanju
8.4.1 Termična analiza Strjevanje zlitin 1 in 2 (slika 8.10) poteka enako kot v sistemu popolne topnosti v tekočem in trdnem stanju. Pri ohlajanju zlitine 2 navpičnica seka še krivuljo solvus. Iz faze α se prične zaradi zmanjševanja topnosti komponente B v komponenti A izločati faza β (navadno v obliki delcev po kristalnih mejah faze α, lahko pa tudi znotraj kristalnih zrn), naklon ohlajevalne krivulje pa se rahlo zmanjša.
Strjevanje vseh zlitin s sestavo od αE do βE se konča z evtektično reakcijo. Zlitina 3 je podevtektična. Strjevati se prične v točki 3'. Iz taline se izloča primarna† faza α. V začetku poteka strjevanje enako kot v sistemu popolne topnosti v trdnem in tekočem stanju. Sestava taline se med strjevanjem spreminja od 3' do E. Ko temperatura doseže TE, je delež nestrjene preostale taline: fL = αE3''/αEβE. Preostala talina se strdi z evtektično reakcijo. Mikrostruktura podevtektične zlitine je sestavljena iz primarno izločene faze α in evtektika (α + β). Strjevanje nadevtektične zlitine 5 se prične s primarno kristalizacijo faze β, preostala talina se pri TE strdi z evtektično reakcijo. Mikrostruktura nadevtektične zlitine je sestavljena iz primarno izločene faze β in evtektika (α + β).
†
Primarne faze so tiste, ki se izločajo same iz taline
8. Binarni fazni diagrami
Slika 8.10:
83
Ohlajevalne krivulje različnih zlitin v evtektičnem faznem diagramu in možni mikrostrukturi, ki nastaneta pri strjevanju zlitin 4 in 5.
Podajte podobnosti in razlike v strjevanju zlitin 3 in 5! Zakaj poteka evtektična reakcija pri konstantni temperaturi?
8.5 Strjevanje evtektičnih zlitin Evtektične zlitine so v praksi zanimive, ker so dobro livne, imajo nizko tališče in se obnašajo kot kompozitna gradiva. Za evtektične zlitine je značilna sočasna rast dveh ali več faz iz taline. Glede na način rasti delimo evtektike na normalne in anomalne (slika 8.11). Mikrostruktura normalnih evtektikov je pravilna in periodična. Pri konstantnih strjevalnih razmerah (vSF, Gl) je medlamelna razdalja λ konstantna. Pravilni evtektiki se pojavljajo, ko imata obe fazi majhno talilno entropijo ΔS/R ≈ 1. Pri nepravilnih evtektikih se pri konstantnih ohlajevalnih razmerah medlamelna razdalja λ spreminja med λmin in λmaks. Ko se lameli približata na razdaljo λmin, ena od lamel preneha rasti, če pa se lameli oddaljita za λmaks, se ena lamela razdvoji v dve novi, ki rasteta v različni smeri. Strjevalna fronta pri anomalnem evtektiku ni izotermna (ni pri isti temperaturi). Obstaja več vrst nepravilnih evtektikov, ki pa jih tukaj ne bomo obravnavali.
Slika 8.11:
Ponazoritev normalnega in anomalnega evtektika.
Slika 8.12:
a) Rast normalnega evtektika. b) Lamelni evtektik. c) Paličasti evtektik. d) Enakoosna evtektična zrna.
8.5.1 Rast normalnega evtektika Pri evtektični rasti se iz taline hkrati izločata dve trdni fazi, α in β, katerih sestavi in navadno tudi kristalni zgradbi se razlikujeta med seboj. Pri ravnotežnem strjevanju ustrezata njuni sestavi krajiščema evtektične črte. Med rastjo lamelnega evtektika rastejo lamele faz α in β tesno druga ob drugi (slika 8.12
- 84 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
a). Pri rasti npr. lamele α se v trdno fazo vgradijo v glavnem le atomi A, zato se koncentracija atomov B v talini pred lamelo α poveča. Ravno nasprotno je pred lamelo faze β. Zato nastane difuzijski tok atomov A izpred faze β k fazi α in atomov B v nasprotni smeri. Običajno je hitrost difuzije atomov A in B mnogo večja v prečni smeri kot v smeri rasti. Takšna povezana ali sklopljena rast obeh faz je zelo učinkovita, pogosto mnogo bolj kot rast posamezne faze. Zato lahko dosežemo popolnoma evtektično mikrostrukturo tudi v pod- in nadevtektičnih zlitinah. Medlamelna razdalja λ je odvisne od hitrosti rasti. Za pravilne evtektike velja: λ = k1
v in podhladitev strjevalne fronte ΔT pod TE je ΔT = k2 v (k1 in k2 sta snovni
konstanti, v je hitrst strjevalne fronte). To pomeni, da se z večanjem hitrosti strjevalne fronte v medlamelna razdalja manjša, podhladitev strjevalne fronte pa poveča. Evtektične zlitine delimo glede na morfologijo (obliko) evtektskih faz na lamelne in paličaste (slika 8.12 b, c), Običajno velja, da so evtektiki lamelni, če presega prostorninski delež manjšinske faze 25 %. Evtektiki imajo zelo veliko površino in zato veliko površinsko energijo. Pri določenem prostorninskem deležu obeh faz zavzamejo obliko, ki ima najmanjšo površino. Predvsem za pravilne evtektike velja, da imata fazi določeno medsebojno kristalno orientacijo. Vzajemna kristalna orientacija omogoča, da se fazi stikata po ploskvah, ki imajo zelo majhno površinsko energijo. Pri PCK (ploskovno centrirani kubični kristalni zgradbi), npr. v sistemu Cu-Ag je običajna kristalografska orientacija {111}<112>Cu || {111}<112>Ag. Kako dosežemo čim manjšo medlamelno razdaljo v evtektiku? Kako to vpliva na trdnostne lastnosti? Razmislite o povezavi dislokacija - medlamelna razdalja - trdnost!
8.6 Peritektični fazni diagram Peritektični fazni diagrami se pogosto pojavljajo v sistemih, kjer se tališči komponent A in B bistveno razlikujeta (slika 8.13). Dodatek komponente A komponenti B znižuje temperaturo likvidus, medtem ko jo dodatek komponente B komponenti A zvišuje. Pri peritektični temperaturi TP poteče peritektična reakcija, kjer talina L reagira s primarno izločeno fazo β, pri čemer nastane druga trdna faza α: TP LP + β P ←⎯→ αP
(8.2)
Tudi ta reakcija – podobno kot evtektična - poteka pri konstantnih razmerah (konstantna sestava udeleženih faz in konstantna temperatura). Ustrezno razmerje med deležema taline in faze β, da nastane le faza α, je enako razmerju vzvodov P β P : α P P . • • •
V peritektičnem faznem diagramu so naslednje krivulje: krivulja likvidus: TA - LP - TB krivulja solidus: TA - αP - βP - TB krivulji solvus: αP - αs in βP - βs
Slika 8.13:
Peritektični fazni diagram.
8. Binarni fazni diagrami A
85
Termična analiza (slika 8.14)
Slika 8.14:
Levo: Ohlajevalne krivulje različnih zlitin v peritektičnem faznem diagramu. Desno: Sprememba mikrostrukture pri ohlajanju peritektične zlitine. a) Primarna faza β v talini. b) Peritektična reakcija: Faza α obda β. c) Pri ravnotežnem poteku reakcije se vsa β porabi. Pri neravnotežnem poteku reakcije del β ostane nereagiran.
Strjevanje zlitine 1 se prične s primarno kristalizacijo faze β. Sestava taline se pomika po krivulji likvidus proti LP, sestava faze β pa proti βP. Pri TP reagirata L in β po peritektični reakciji. Talina je v presežku (razmerje med talino in fazo β je večje od idealnega), zato se pri peritektični reakciji ne porabi popolnoma. Iz preostale taline kristalizira faza α. Zlitina 2 ima peritektično sestavo. Strjevanje se prične s primarno kristalizacijo faze β. Fazi L in β sta v ravno pravem (idealnem) razmerju, da nastane pri ravnotežnem strjevanju samo faza α. Strjevanje se zaključi s peritektično reakcijo. Pri neravnotežnem strjevanju ostane del faze β nereagiran. Med ohlajanjem se iz faze α izloča faza β. Kristalizacija zlitine 3 se prične z izločanjem primarne faze β. Količina izločene faze β je tolikšna, da se pri peritektični reakciji ne porabi v celoti (Razmerje med talino in fazo β je manjše od ustreznega). Po strjevanju je mikrostruktura zlitine sestavljena iz primarne faze β in peritektično nastale faze α. Kaj sta fazi α in β? Poiščite podobnosti in razlike med evtektičnim in peritektičnim faznim diagramom!
8.7 Monotektični sistem Kadar je entalpija mešanja tekoče faze zelo pozitivna, je močna tendenca k razmešanju. Pri tem se v določenem koncentracijskem območju homogena talina razdeli v dve talini z različno sestavo, katerih lastnosti nista enaki (slika 8.15), torej sta samostojni fazi (podobno kot voda in olje). Za ta sistem je značilna monotektična reakcija: TM L1 ←⎯⎯ → (α + L2 )
Večina zlitin se strdi šele pri mnogo nižji temperaturi TE z evtektično reakcijo.
Slika 8.15:
Fazni diagram z monotektično reakcijo.
Ugotovite podobnosti in razlike med evtektičnim in monotektičnim faznim diagramom!
(8.3)
- 86 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
8.8 Fazni diagrami z vmesno spojino Komponente, ki se močno razlikujejo v elektronegativnosti, so nagnjene k tvorbi vmesnih spojin. Vmesne spojine, pri katerih je razmerje med komponentami natančno določeno, imenujemo stehiometrične spojine. Na primer Fe3C je stehiometrična spojina, kajti obstojna je le pri razmerju Fe : C = 3 : 1. Vmesne spojine, ki so obstojne v večjem ali manjšem koncentracijskem območju okoli nekega idealnega razmerja, so nestehiometrične ali raztopinske vmesne spojine. Vmesne spojine, ki jih tvorita kovinska elementa (npr. NiAl, Al3Ti), imenujemo intermetalne spojine. Vmesne spojine so navadno trde in krhke. Lahko jih uporabimo za to, da utrdimo kovine. Če so prisotne v obliki velikih delcev, povzročajo koncentracijo napetosti in na ta način zmanjšajo žilavost materiala. Nekatere intermetalne spojine (npr. AlNi) so osnova za intermetalne zlitine.
a) Slika 8.16:
b)
Fazni diagram a) s kongruentno in stehiometrično vmesno spojino AxBy in b) z inkongruentno ter nestehiometrično vmesno spojino. Opozorilo: kongruenta spojina je lahko tudi nestehiometrična, prav tako kot je inkongruentna lahko stehiometrična!
Vmesna spojina se lahko tali tako kot čista snov, govorimo, da se tali kongruentno. To pomeni, da ima Tm L. talina enako kemično sestavo kot vmesna spojina, iz katere nastane (slika 8.16 a): Ax By ←⎯→
Druge vmesne spojine se lahko talijo inkongruentno (nehomogeno). To pomeni, da pri segrevanju peritektično razpadejo v talino in neko drugo vmesno spojino ali trdno raztopino (slika 8.16 b): TP Ax By ←⎯→ L+β .
8.9 Razmešanje v trdnem stanju Če se v sistemu popolne topnosti v tekočem in trdnem stanju velikosti atomov A in B preveč razlikujeta med seboj (tudi pozitivna entalpija mešanja v trdnem stanju), se pojavi razmešanje v trdnem stanju. Iz homogene trdne raztopine nastaneta trdni raztopini z različnima sestavama: α U α1 + α 2 . Pri tem se kristalna zgradba ne spremeni. Trdna raztopina α1 ima sestavo in mrežne parametre bolj podobne čisti komponenti A, trdna raztopina α2 pa čisti komponenti B (slika 8.17 b). V takšnih sistemih se lahko pojavi spinodalna reakcija ali tudi monotektoidna reakcija (ta je podobna monotektični).
8.10 Urejanje v trdnem stanju Kadar je prosta energija mešanja v trdni raztopini negativna, ima trdna raztopina težnjo po urejanju. Pri določenem razmerju komponent A in B, lahko pri nižjih temperaturah nastane iz neurejene α urejena trdna raztopina α': α U α ' (slika 8.17 a).
8. Binarni fazni diagrami
Slika 8.17:
87
Fazni diagram a) z urejanjem trdne raztopine in b) z razmešanjem v trdni raztopini
8.11 Fazni diagrami, v katerih imajo komponente dve ali več alotropskih modifikacij Kadar imata ena ali obe komponenti dve ali več alotropskih modifikacij (različnih kristalnih zgradb v trdnem agregatnem stanju) lahko potekajo tudi v trdnem stanju invariantne reakcije, ki so podobne invariantnim reakcijam s tekočo fazo. Tukaj bomo prikazali evtektoidno in peritektoidno reakcijo. Primerna fazna diagrama sta na sliki 8.18. Evtektoidna reakcija je podobna evtektični, saj ena faza razpade v dve drugi. Razlika je v tem, da začetna faza ni talina, temveč trdna raztopina: T
E ZZZ X γ E YZZ ZαE + βE
(8.4)
Tehnično najpomembnejša evtektoidna reakcija je reakcija v faznem diagramu Fe-Fe3C. Podrobneje jo bomo obravnavali v poglavju: Toplotna obdelava jekel. Peritektoidna reakcija je podobna peritektični: T
P ZZZ X γ P + β P YZZ ZαP
(8.5)
Reakcije v trdnem so navadno bistveno počasnejše, zato je odstopanje od ravnotežnih razmer bistveno večje.
Slika 8.18:
Fazni diagram z a) evtektoidno in b) peritektoidno reakcijo
Povzetek Binarni fazni diagrami prikazujejo ravnotežna stanja v dvokomponentnih sistemih. V diagramu s popolno topnostjo v tekočem in trdnem stanju se komponenti raztapljata v poljubnih razmerjih tako v tekočem kot v trdnem stanju. Strjevanje poteka v temperaturnem intervalu, sestavi tekoče in trdne faze pa nista enaki. Če je hitrost difuzije dovolj velika, dobimo homogeno trdno snov. V realnosti je ta pogoj redkokdaj izpolnjen, zato nastane nehomogena trdna faza z neenako kemično sestavo (kristalne izceje), ki večinoma raste v obliki dendritov. Dendriti so lahko usmerjeni ali enakoosni.
- 88 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
V sistemih z delno topnostjo v trdnem stanju se pojavi invariantna reakcija, ki poteka v konstantnih razmerah (temperatura, tlak, kemične sestave faz). Najznačilnejše so evtektična, peritektična in monotektična reakcija. Pri evtektični reakciji nastane iz taline heterogeni zlog, ki ga imenujemo evtektik. Evtektik je lahko pravilen ali nepravilen. V sistemih z močno privlačno silo med komponentama nastanejo vmesne spojine. Če je razmerje med komponentama točno določeno, je spojina stehiometrična, drugače je nestehiometrična. Kongruentno taljenje vmesne spojine je enako taljenju čiste snovi, saj nastane taline, ki ima enako kemično sestavo. Pri inkongruentnem taljenju spojina peritektično razpade v talino in neko drugo trdno fazo. Fazne premene potekajo tudi v trdnem stanju. Najpomembnejše med njimi so urejanje, razmešanje, ter evtektoidna in peritektoidna reakcija.
8.12 Razmisli, odgovori, reši 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9 8.10 8.11
Katere invariantne reakcije potekajo v binarnih faznih diagramih? V čem se razlikujeta krivulji likvidus v sistemu popolne topnosti v trdnem in tekočem stanju ter v evtektičnem faznem diagramu? Kaj so kristalne izceje? Ali se jim lahko na kakšen način izognemo? Ali jih lahko odstranimo, če se pojavijo? Če ne veš odgovora, pobrskaj po knjigi! Kaj je dendrit? V kakšnih oblikah se pojavlja? V tej knjigi je izraz dendrit omenjen še večkrat! Poišči v zvezi s čim. Zakaj se v zlitinah pri usmerjenem strjevanju s povečevanjem hitrosti strjevalne fronte spreminja oblika trdnine? H kateremu tipu mikrostrukture spada lamelni evtektik? Kaj so vmesne spojine? V katerih diagramih nastopajo? Poiščite podobnosti in razlike med evtektično in peritektično reakcijo! V učbeniku poišči fazne diagrame, v katerih se vmesne spojine talijo inkongruentno! V čem se razlikujeta evtektična in evtektoidna reakcija? Poiščite povezavo med entalpijo mešanja, vrstami trdnih raztopin in faznima diagramoma na sliki 8.17.
8.13 Dodatna literatura k temu poglavju 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6
8.7
Glavič, Peter: Gradiva, Maribor : Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, 2001 Gontarev, Vasilij: Termodinamika materialov, Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehniška fakulteta, Oddelek za materiale in metalurgijo, Ljubljana 2000 Gontarev, Vasilij: Termodinamika, Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehniška fakulteta, Oddelek za materiale in metalurgijo, Ljubljana 1997 Kosovinc, Ivan: Metalografija, tretja izdaja, Univerza Edvarda Kardelja v Ljubljani, Fakulteta za naravoslovje in tehnologijo, Ljubljana 1983 (Temeljna literatura za poglobljen študij tega poglavja!) Paulin, Andrej: Mala slovenska enciklopedija metalurgije in materialov, Rudarsko-metalurški zbornik, Letnik 44, št. 1-2, Ljubljana julij 1997 Savo Spaić: Fizikalna metalurgija, Binarni sistemi, Metalografija zlitin, Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehniška fakulteta, Oddelek za materiale in metalurgijo, Ljubljana 2000 (Temeljna literatura za poglobljen študij tega poglavja!) Zupanič, Franc: Gradiva, Zbirka nalog in tabel, Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo, Maribor, 2004
9
Osnove o faznih premenah
Kaj bomo izvedeli? Kaj je gonilna sila za fazne premene? Značilnosti prehoda iz tekočega v trdno agregatno stanje? Kaj imata skupnega in v čem se razlikujeta homogena in heterogena nukleacija? Zakaj je nukleacija v trdnem zahtevnejša kot v tekočem? Osnovne značilnosti rasti faz. Kaj so premenski diagrami? Razlika med difuzijskimi in brezdifuzijskimi premenami!
Equation Section (Next)
9.1 Uvod Pri faznih premenah (transformacijah) potekajo snovne spremembe: spremeni se število faz; nekatere faze nastajajo, druge izginjajo. Skupno jim je to, da se pri tem zmanjša prosta energija snovi. Snov prehaja iz stanja 1, ki je lahko termodinamsko nestabilno ali metastabilno, v stanje 2, ki je bolj stabilno. Stanje 2 je lahko tudi termodinamsko ravnotežno stanje (najmanjša prosta energija G). Na poti iz stanja 1 v stanje 2 snov prehodno preide v vmesno stanje, ki zahteva povečanje proste energije. Energijo, ki jo material potrebuje za prekoračenje te energijske ovire, imenujemo aktivacijska energija. Zaradi energijske ovire snov ne more v trenutku preiti v bolj ravnotežno stanje, temveč je potreben čas tako za nastanek kot tudi za rast nove faze (novih faz). Fazne premene delimo na difuzijske in brezdifuzijske (martenzitne). Potek faznih premen lahko pregledno prikažemo s premenskimi diagrami. Ti diagrami nam dajo informacijo o tem, kaj pri neki premeni nastane, kako hitro potekajo reakcije, pogosto pa tudi podatke o lastnostih. Procese, ki potekajo pri konstantni temperaturi, prikažemo v izotermnih premenskih diagramih, ki so znani kot diagrami TTT*. Kadar poteka premena v temperaturnem intervalu, uporabljamo kontinuirne premenske diagrame, ki so znani kot diagrami CCT†.
9.2 Fazni prehod iz tekočega v trdno stanje Slika 9.1 a prikazuje potek proste energije G za trdno Gv(s) in tekočo Gv(l) fazo v bližini tališča Tt. Pri tališču sta obe fazi v ravnotežju, saj imata enako prosto energijo. Gonilna sila za fazni prehod se pojavi šele, če talino podhladimo pod tališče za ΔT (ΔT = Tt – T; T je temperatura taline). Takrat je prosta energija taline večja od proste energije trdnine za ΔGv = Gv(s) – Gv(l) (ΔGv je sprememba proste energije pri prehodu iz tekočega v trdno stanje. Enota je energija na prostorninsko enoto: J m–3). Če ne upoštevamo spremembe talilne entalpije ΔHv in entropije ΔSv s spremembo temperature, dobimo enostavno zvezo med prosto energijo in podhladitvijo: ΔGv = ΔH vt − T ΔSvt = ΔH vt − T
⎛T −T ΔH vt = ΔH vt ⎜ t Tt ⎝ Tt
⎞ ΔT ⎟ = ΔH vt Tt ⎠
(9.1)
Ko je T < Tt je ΔGv negativna, kar je osnovni pogoj za potek reakcij.
* kratica TTT izhaja iz angleščine: Time – Temperature – Transformation (v slovenščini čas – temperatura – premena, v nemščini ZTU: Zeit – Temperatur - Umwandlung). †
kratica CCT izhaja iz angleščine: Continuous Cooling Transformation, (v slovenščini: premena pri zveznem ohlajanju)
- 89 -
- 90 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Slika 9.1:
Na sliki
a) Nad Tt ima talina manjšo prosto energijo kot trdnina. Pri Tt sta lahko talina in trdna snov v ravnotežju neskončno dolgo, če toplote ne odvajamo ali dovajamo. Če talino hitro podhladimo za ΔT pod tališče, se ta hoče pretvoriti v trdno snov, ki ima manjšo prosto energijo G. Razlika ΔG je gonilna sila za premeno. b) Zgradba taline s klasterji – skupki atomov, ki imajo enako kristalno zgradbo kot trdna faza. c) Pod tališčem nastajajo v talini trdni delci - klasterji, ki so od taline ločeni z mejno površino, v kateri imajo atomi večjo energijo kot v tekočem ter tudi trdnem stanju.
9.1 b poišči področja, kjer so atomi zloženi tako kot v najgosteje zloženi ravnini!
9.2.1 Homogena nukleacija Pri homogeni nukleaciji ali homogeni tvorbi kali trdne snovi ni v talini nobene druge snovi, ki bi lahko pripomogla k nastanku trdne faze. V talini je red kratkega dosega. Razporeditev atomov se s časom spreminja. Mestoma nastajajo skupki atomov – klasterji, ki imajo enako zgradbo kot trdna snov, vendar so med seboj šibko vezani (slika 9.1 b). Nad Tt so termodinamsko nestabilni, zato prej ali slej izginejo in se ponovno pojavijo drugje. Tudi v podhlajeni talini neprenehoma nastajajo klasterji trdne faze (slika 9.1 c). Čeprav je trdna faza termodinamsko stabilna, klasterji niso sposobni rasti, temveč prej ali slej izginejo. Razlog za to je v tem, da je med trdnimi delci in talino fazna meja, za njeno tvorbo pa potrebujemo dodatno energijo, ki jo imenujemo površinska energija σ - ta nasprotuje nastajanju delcev. Prosta energija, ki se sprosti pri nastanku trdnega delca, je sorazmerna njegovi prostornini, torej tretji potenci njegovega polmera r3, medtem ko je energija površine sorazmerna površini delca, ki narašča s kvadratom polmera r2.
Če privzamemo, da nastane okrogel klaster s premerom r, je sprememba proste energije pri njegovem homogenem nastanku: ΔGhom = 4π
r3 ΔGv + 4π r 2σ 3
(9.2)
Pri T < Tt je ΔGv negativna. Slika 9.2 a prikazuje, da pri majhnih klasterjih prevladuje drugi člen na desni v enačbi (9.2), ki prosto energijo povečuje, medtem ko pri večjih klasterjih prevladuje prvi člen na desni, ki prosto energijo zmanjšuje. Zaradi nasprotujočih učinkov ima krivulja ΔGhom - r maksimum pri kritičnem polmeru r*: r* = −
2σ ΔGv
(9.3)
Če to enačbo vstavimo v enačbo (9.2), dobimo nukleacijsko delo, ki je v bistvu aktivacijska energija za nastanek klasterja (skupka atomov) kritične velikosti oziroma rastno sposobne kali (nukleusa): * ΔGhom =
16σ3Tt 2 16σ3 = 3ΔGv2 3ΔH v2 ΔT 2
(9.4)
Ko nastane v talini delec z r < r*, se lahko njegova prosta energija zmanjša tako, da postaja delec vse manjši in da končno izgine. To pomeni, da delci s polmerom manjšim kot r* ne morejo rasti in izginejo. Toda ko nastane delec s polmerom r > r*, se njegova prosta energija zmanjšuje ob povečevanju polmera.
9. Osnove o faznih premenah
91
Takšen delec torej raste in iz njega nastane kristalna kal in končno kristalno zrno. Pri majhnih podhladitvah je r* velik (slika 9.2 b), zato delec kritične velikost nastane šele po daljšem času, saj zahteva njegov nastanek prerazporeditev velikega števila atomov – iz reda kratkega dosega morajo nastati večja področja reda dolgega dosega.
Slika 9.2:
a) Diagram prosta energija – velikost delca (klasterja). Klaster z velikostjo pod r* imenujemo embrio (zarodek), z velikostjo nad r* pa kristalna kal. b) Z večanjem podhladitve se zmanjšuje kritični polmer. c) Odvisnost podhladitve na homogeno in heterogeno nukleacijsko hitrost.
Zakaj je v diagramu ΔG – r maksimum?
Enačbi (9.3) in (9.4) kažeta, da se z večanjem podhladitve zmanjšujeta tako kritični polmer (slika 9.2 b) kot nukleacijsko delo. Ker je v delcu kritične velikosti vedno manj atomov, je nastanek trdne snovi vedno lažji. Pri teoretični obravnavi se navadno privzame, da je najmanjši možni kritični polmer enak velikost atoma, vendar je verjetno to velikost osnovne celice. Gostota delcev s kritično velikostjo (število delcev na enoto prostornine) je: * ⎛ ΔGhom ⎞ N v = N 0 exp ⎜ − ⎟ kT ⎠ ⎝
(9.5)
kjer je k Boltzmannova konstanta, N0 pa število atomov v prostorninski enoti taline. Kristalna kal lahko postane delec s kritično velikostjo le, ko nanjo preskoči vsaj še en atom iz taline. Če je ΔGD aktivacijska prosta energija za difuzijo preko fazne meje, potem je homogena nukleacijska hitrost N hom enaka: * ⎛ ΔGhom + ΔGD ⎞ kT N hom = N 0 exp ⎜ − ⎟ h kT ⎝ ⎠
(9.6)
To je število delcev, ki nastanejo v časovni enoti (sekundi) in v enoti prostornine (m3). Enota je s–1 m–3. V enačbi (9.6) je h Planckova konstanta. Nukleacijska hitrost je sorazmerna tako številu delcev kritične velikosti kot tudi hitrosti difuzije preko fazne meje. Ker imata oba člena nasprotno temperaturno odvisnost, je pri neki podhladitvi nukleacijska hitrost največja. To prikazuje slika 9.2 c. Pomembna nukleacijska hitrost se pojavi šele pri velikih podhladitvah. Ko je ΔGD = 0, je maksimum pri 0,33 Tt. Ob povečevanju ΔGD se maksimum pomika k manjšim podhladitvam, največja nukleacijska hitrost pa se zmanjšuje. Eksperimentalno je bilo ugotovljeno, da se homogena nukleacija lahko pojavi v čistih kovinah šele pri zelo velikih podhladitvah: med 0,33 in 0,54 Tt. Zakaj je na krivulji homogena nukleacijska hitrost – temperatura maksimum?
- 92 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
9.2.2 Heterogena nukleacija ‡ Stene forme ali tuji delci v talini omogočijo, da se lahko trdna faza tvori na njih. Imenovali jih bomo kristalizatorji. Merilo za to ali je nek kristalizator učinkovit ali ne, je kot omočljivosti θ. Nukleacijsko delo za heterogeno nukleacijo je namreč enako * * ΔGhet = ΔGhom ⋅ f (θ )
(9.7)
kjer je f(θ) oblikovni faktor: f (θ ) =
Slika 9.3:
(2 + cosθ )(1 − cosθ ) 2 4
(9.8)
a) Primerjava homogene in heterogene nukleacije. Čeprav je kritični polmer pri obeh vrstah nukleacije enak, je pri heterogeni nukleaciji bistveno manjše nukleacijsko delo, ker je število atomov v delcu kritične velikosti precej manjše. b-d) Vpliv kota omočljivosti Θ na obliko delca trdne faze. Pri Θ = 0° trdna faza v celoti obda delec; nukleacijsko delo je enako nič. Pri Θ = 180° kristalizator ne vpliva na kristalizacijo trdne snovi.
* Pri θ = 0° trdna faza v celoti prekrije kristalizator. Ker je tudi f(θ) = 0, je ΔGhet = 0. Zato ni nobene
ovire za nukleacijo trdne faze, ki lahko nastane že pri najmanjši podhladitvi. Pri θ = 180°, je * * ΔGhet = ΔGhom in tuja snov ne vpliva na kristalizacijo taline. Pri vmesnih kotih kristalizator olajša nastanek * * = rhom trdne snovi. Poudariti je treba, da je kritični polmer delca enak kot pri homogeni nukleaciji rhet
(slika 9.3 a), toda bistveno se zmanjša nukleacijsko delo, ker je prostornina heterogeno nastalega delca manjša od tiste pri homogeni nukleaciji (slika 9.3 b). Hitrost heterogene nukleacije dobimo iz naslednje enačbe: * ⎛ ΔGhet + ΔGD ⎞ kT N het = N het exp ⎜ − ⎟ h kT ⎝ ⎠
(9.9)
kjer je Nhet število učinkovitih kristalizatorjev v enoti prostornine taline. V diagramu N hom - ΔT (slika 9.2 c) je razvidno, da je največja nukleacijska hitrost bistveno manjša od homogene, ker je Nhet << N0, vendar pa se pomembna nukleacijska hitrost doseže že pri zelo majhnih podhladitvah. Učinkoviti kristalizatorji so tisti, pri katerih je kot omočljivosti θ majhen. Najmanjši je pri tistih, pri katerih se kristalne ravnine kristalizatorja in trdne faze najbolj skladajo. Ujemanje opredelimo s parametrom neskladnosti δ:
δ=
dk − ds ⋅ 100 v % ds
(9.10)
kjer sta dk in ds razdalji med atomi v ravninah kristalizatorja in trdne snovi, ki se stikata. Med neskladjem δ in podhladitvijo ΔT obstaja naslednja približna zveza: ΔT = 0,07δ 2 . Zakaj je kritična velikost delca pri heterogeni nukleaciji enaka kot pri homogeni?
‡
S pojmom forma mislimo livno votlino, prostor, v katerem se talina strdi in ji da obliko.
9. Osnove o faznih premenah
93
9.3 Nukleacija v trdnem Nukleacija v trdnem je navadno težja kot v tekočem stanju. Prvo oviro predstavlja površinska energija med osnovo in delcem nove faze - izločkom. Ta je lahko zelo majhna, ko je mejna površina med osnovo in izločkom povsem koherentna; kristalne ravnine se neprekinjeno nadaljujejo iz osnove v izloček in obratno (slika 4.20). Drugo oviro predstavlja deformacijska energija; izloček se razlikuje od dela osnovne faze, iz katere je nastal, po specifični prostornini in/ali obliki. Izločki v obliki ploščic ali iglic lahko to energijo bistveno zmanjšajo. Napake, ki so v trdnih snoveh (praznine, dislokacije, kristalne meje, robovi in oglišča med kristalnimi zrni, mejne površine med vključki in osnovo) in ki pri nastanku izločka izginejo, prispevajo svoj del energije pri nastanku izločka, in ga na ta način olajšajo. Skupna energijska bilanca pri nastanku izločka je: ΔG = −ΔGv + ΔGs + ΔGe − ΔGd
(9.11)
kjer je ΔGv sprememba prostorninske proste energije, ΔGs je površinska prosta energija, ΔGe je deformacijska prosta energija in ΔGd je energija, ki se sprosti pri izničenju mrežne napake. Hitrost nukleacije v trdnem je definirana podobno kot v tekočem ⎛ ΔG * + ΔGD ⎞ N hom = ν N v exp ⎜ − ⎟ kT ⎝ ⎠
(9.12)
kjer je ν faktor povezan z vibracijsko frekvenco, Nv je število možnih nukleacijskih mest, ΔG* pa je nukleacijsko delo (homogeno ali heterogeno). Podobno kot pri tvorbi kali v tekočem se tudi v tem primeru nukleacijsko delo z nižanjem temperature zmanjšuje, medtem ko se aktivacijska prosta energija za difuzijo povečuje. Učinka sta nasprotna. Nukleacijska hitrost je zaradi velikega nukleacijskega dela majhna pri malih podhladitvah, pri velikih podhladitvah pa jo močno omeji majhna difuzivnost. Pri nastajanju nove faze (izločka) v trdni snovi vedno konkurirajo vsa možna mesta; od homogene nukleacije v kristalu brez napak, do dislokacij in mejnih površin. V danih razmerah prevlada tisto mesto, kjer je nukleacijska hitrost največja – to pomeni, da je produkt števila možnih nukleacijskih mest in eksponentnega člena največji. Pravilo je naslednje: Mest, kjer je nukleacijsko delo najmanjše, je praviloma najmanj. Ta mesta omogočajo nastanek nove faze pri majhnih podhladitvah, toda ker je razpoložljivih mest malo, so delci nove faze maloštevilni in navadno tudi veliki (primer nastajanje izločkov na kristalnih mejah). Mest, kjer je nukleacijsko delo največje, je največ; toda aktivna lahko postanejo šele pri dovolj velikih podhladitvah (primer: nastanek GP-con pri naravnem staranju zlitine AlCu – glej podpoglavje Izločevalno utrjanje). Podaj sorodnosti in razlike med nastankom kali v tekočem in trdnem stanju!
9.4 Rast nove faze 9.4.1 Prepletenost nukleacije in rasti Nastanku kali nove faze (polmeri delcev so večji od kritičnega) sledi njihova rast. Pri tem postopno zamenjujejo osnovno fazo, katere delež se s časom zmanjšuje. Nastanek in rast nove faze sta lahko prepletena (slika 9.4 a) ali pa tudi povsem ločena (slika 9.4 b). Možna nukleacijska mesta so označena s črnimi točkami. Pri sočasnem nastajanju in rasti nove faze, se lahko zgodi, da rastoče kristalno zrno zajame možno nukleacijsko mesto in zato se na tem mestu ne more tvoriti novo zrno. Posledično bo število zrn manjše ali kvečjemu enako številu možnih nukleacijskih mest. Nasprotno pri ločeni nukleaciji in rasti nastanejo vsa zrna hkrati, tako da je njihovo število enako številu nukleacijskih mest. Zrna rastejo, dokler ne trčijo s sosednjimi zrni. Med njimi nastanejo kristalne meje.
- 94 -
Slika 9.4:
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Prepletenost nukleacije in rasti. Črne točke so možna nukleacijska mesta. a) Sočasen potek nukleacije in rasti, b) Nukleacija in rast sta ločena.
Na sliki 9.4 poišči potencialno nukleacijsko mesto, ki ga je zajelo rastoče zrno!
9.4.2 Rast z difuzijo kratkega in dolgega dosega Kadar je kemična sestava nove faze β enaka sestavi začetne faze α, je za rast nove faze potrebna le difuzija kratkega dosega (slika 9.5). Pri tem atomi le preskočijo preko fazne meje α/β, tako da se mora vsak atom premakniti le za nekaj medatomskih razdalj. Primer so alotropske premene v čistih kovinah, pa tudi rast nedeformiranih kristalnih zrn pri rekristalizaciji lahko uvrstimo v to skupino.
Slika 9.5:
Rast z difuzijo kratkega dosega. Nastane faza β, ki ima enako kemijsko sestavo kot α. Za rast je potreben samo prehod atomov skozi fazno mejo α/β.
Slika 9.6:
Rast nove faze z difuzijo dolgega dosega. Nova faza se močno razlikuje po sestavi od osnove, zato je potrebna difuzija dolgega dosega (izločevalno utrjanje, izločanje ε-karbida in Fe3C pri popuščanju). C0 je začetna sestava zlitine, Cβ je sestava izločkov β, Cα je ravnotežna sestava osnove. Končno stanje ni enofazna zlitina, temveč dvofazna z osnovo α in disperzno razporejeno fazo β.
9. Osnove o faznih premenah
95
Pri številnih faznih premenah se kemična sestava nove faze razlikuje od kemične sestave začetne faze. Npr. vzemimo, da nastane delec faze β v raztopini sestavljeni iz A in B (npr. ohlajanju zlitine 2 v evtektičnem faznem diagramu na sliki 8.10). Vanj se vgradijo atomi iz okolice, tako da se raztopina α osiromaši s komponento B. Za nadaljnjo rast delca morajo atomi B prepotovati vedno daljšo pot – rast z difuzijo dolgega dosega. Rast delcev poteka dokler ni v celotni fazi α ravnotežna koncentracija komponente B (slika 9.6). V poglavju Osnovne toplotne obdelava kovin poišči toplotne obdelave, pri katerih se pojavlja rast z difuzijo kratkega oziroma dolgega dosega!
9.5 Premenski diagrami 9.5.1 Izotermni premenski diagrami V izotermnih premenskih diagramih potekajo premene pri konstantni temperaturi. Material segrejemo na začetno temperaturo (1 na sliki 9.7 a) in zadržujemo tako dolgo, dokler se ne doseže ravnotežno stanje. V najenostavnejšem primeru dobimo samo eno homogeno začetno fazo. Nato hitro ohladimo (lahko tudi segrejemo) na neko temperaturo, pri kateri začetna faza ni termodinamsko stabilna in zato postopoma razpada. Pri tem se pretvarja v termodinamsko bolj stabilno fazo (lahko tudi v več faz). Proces poteka, dokler se ne doseže termodinamsko ravnotežje pri temperaturi izotermnega žarjenja.
Premeno lahko spremljamo z različnimi metodami. Neprekinjeno jo spremljamo z dilatometrično in termično analizo. Pri dilatometrični metodi spremljamo raztezanje in krčenje vzorca. Specifična prostornina nove faze se namreč razlikuje od specifične prostornine začetne. Če je njena prostornina večja, se bo vzorec med žarjenjem raztezal. Hitrost raztezanja je sorazmerna hitrosti premene. Pri premenah se tudi sprošča ali porablja toplota. Pri izotermni premeni je potrebno za vzdrževanje konstantne temperature toploto dovajati ali odvajati (pri eksotermni reakciji se toplota sprošča, zato jo je potrebno odvajati iz vzorca, ravno nasprotno je pri endotermni reakciji). Toplotni tok je merilo za intenziteto reakcije. Proces lahko spremljamo tudi prekinjeno. Pri tem uporabimo več vzorcev, ki jih zaporedoma, po določenem času, hitro ohladimo do sobne temperature, da zamrznemo stanje, ki je bilo na temperaturi izotermnega žarjenja. S kvantitativno metalografsko analizo ugotovimo delež novonastale faze.
Slika 9.7:
a) Diagram temperatura – čas za izotermno premeno. Pri 1 žarimo tako dolgo, dokler ne nastane ravnotežna začetna faza. b) Spremljanje razpada začetne faze z dilatometrijo. Če se prostornina pri premeni povečuje, se vzorec razteza. Merimo razteg ΔL, ki je merilo za delež novonastale faze f. c) Izotermni premenski diagram. Leva krivulja, ki je označena z 1 %, povezuje čase, ko pri različnih temperaturah nastane 1 % nove faze, krivulja označena z 99 % pa čase, ko nastane 99 % nove faze. Krivulji imata obliko črke C – hitrost premene je največja v srednjem temperaturnem območju. Pri višjih temperaturah je majhna gonilna sila za premeno, pri nizkih pa difuzija. Spodnji diagram kaže povečevanje deleža nove faze s časom. Prikazuje kinetiko premene, to je njeno hitrost. Krivulji imata obliko črke S.
Pojasni, zakaj poteka pri temperaturi T1 premena bistveno hitreje kot pri temperaturi T2?
Iz podatkov, ki jih dobimo pri prekinjenem in/ali neprekinjenem spremljanju premene, konstruiramo diagram stopnja premene f – čas t (slika 9.7 b). Krivulja ima obliko črke S. V začetku je hitrost premene
- 96 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
počasna, saj je reakcijska površina majhna. Nato se začne povečevati. Na koncu pa zopet pojema, saj zadenejo sosednja področja druga ob drugo, kar zmanjša reakcijsko površino. Pri vsaki temperaturi ugotovimo čas t1, po katerem nastane 1 % nove faze ali mikrostrukturne sestavine, in čas t99, ko je te faze ali mikrostrukturne sestavine 99 %. Za vsako temperaturo vnesemo ta dva časa v diagram temperatura T – log t. Če pri premeni nastane le en razpadni produkt, imata krivulji obliko črke C. Čas za začetek razpada je pri majhnih podhladitvah velik, ker je gonilna sila majhna, kritična velikost delca pa velika. Pri nizkih temperaturah se zmanjša difuzijska hitrost, zato je kljub veliki gonilni sili potrebno veliko časa, da se začne pretvorba. Najkrajši čas oziroma največja hitrost premene je nekje vmes. To mesto na krivulji imenujemo »nos« krivulje. 9.5.2 Kontinuirni premenski diagrami Pri kontinuirnem premenskem diagramu ohlajamo z začetne temperature z različnimi ohlajevalnimi hitrostmi. Začetna faza postane pri nižjih temperaturah termodinamsko nestabilna in se začne pretvarjati v stabilnejše faze. Med ohlajanjem merimo temperaturo in ugotavljamo čase začetka premen. V primerjavi z izotermnim diagramom je krivulja za isto reakcijo v kontinuirnem diagramu pomaknjena k daljšim časom in nižjim temperaturam.
Na sliki 9.8 je značilen kontinuirni diagram. Krivulje označene z 1, 2 in 3 kažejo spreminjanje temperature s časom - to so ohlajevalne krivulje. Krivulja 1 prikazuje najpočasnejše, krivulja 3 pa najhitrejše ohlajanje. Leva krivulja v oblike črke C je tam, kjer je delež nove faze ali mikrostrukturne sestavine enak 1 %, desna krivulja pa tam, kjer je njegov delež 99 %. Ta diagram kaže, da se z dovolj hitrim ohlajanjem (krivulji 1 in 2) lahko izognemo premeni. To velja za difuzijske premene, ki so povezane s posamičnim premikanjem atomov. Difuzijska hitrost se namreč z zniževanjem temperature manjša. Če ohladimo material dovolj hitro do nizkih temperatur, lahko preprečimo difuzijo, s tem pa tudi fazno premeno.
Slika 9.8:
Kontinuirni premenski diagram za izločanje faze β iz faze α. Premena poteče le pri krivulji 3, medtem ko pri ohlajanju po krivuljah 1 in 2 ni premene. Difuzijskim premenam se lahko izognemo z dovolj hitrim ohlajanjem.
Po kolikšnem času se začne in faze α izločati faza β, če sledimo ohlajevalni krivulji 3?
9.6 Brezdifuzijske (martenzitne) premene Pri brezdifuzijskih premenah, kot že ime pove, ni difuzije. Premena ne poteka s posamičnim premikanjem atomov (difuzija), temveč se v neki prostornini atomi hkrati koordinirano premaknejo (ne vsak po svoje!). Brezdifuzijske premene lahko potekajo, če nek material zelo hitro ohladimo do temperatur, kjer je hitrost difuzije zanemarljiva. Navadno jo lahko dosežemo v sistemih, v katerih poteka evtektoidna reakcija. V preostalem delu učbenika poišči fazne diagrame, v katerih poteka evtektoidna reakcija!
Na slik1 9.9 a je začetna faza, v kateri je osnovna celica kvadrat. Če se atomi v poljubni plasti premaknejo za medatomsko razdaljo proti spodnji, ostane osnovna celica še vedno kvadrat in kristalna zgradba se ne spremeni. To je značilno za plastično deformacijo kovin, kjer drsijo popolne dislokacije, to
9. Osnove o faznih premenah
97
je dislokacije, katerih Burgersov vektor je enak translacijskemu vektorju v kristalni mreži. Če pa se atomi v neki plasti premaknejo za razdaljo, ki ni enaka medatomski razdalji (ali translacijskemu vektorju), se kristalna zgradba spremeni. V spodnjem primeru se kvadrat spremeni v paralelogram. Takšno spremembo lahko povzroči drsenje delne dislokacije, to je dislokacije, katere Burgersov vektor ni enak nekemu translacijskemu vektorju kristalne mreže. Za takšno spremembo, kot je prikazana na sliki 9.9 c, se morajo atomi v vsaki plasti premakniti glede na atome v spodnji plasti za b2. Tukaj je potrebno poudariti, da je martenzitna transformacija zelo hitra (blizu hitrosti zvoka), zato lahko poteka le z drsenjem dislokacij. Z analogijo z jekli imenujemo začetno fazo avstenit; fazo, ki nastane pri brezdifuzijski premeni, pa martenzit. Ta premena je osnova za kaljenje jekla, v zlitinah z oblikovnih spominom pa omogoča, da si predmet »zapomni« obliko, ki jo je imel pred deformacijo.
Slika 9.9:
a) Del kristalne mreže osnovne faze – avstenita. Osnovna celica ima obliko kvadrata. b) Ena plast se premakne glede na spodnjo za eno medatomsko razdaljo. (Npr. drsenje popolne dislokacije, pri kateri je Burgersov vektor enak translacijskemu vektorju kristalne mreže.) Osnovna celica ostane nespremenjena. c) Vsaka plast se premakne proti spodnji za razdaljo, ki ni enaka medatomskim razdaljam v kristalu. (Delna dislokacija, Burgersov vektor ni enak translacijskemu vektorju v kristalni mreži.) Spremeni se kristalna zgradba: osnovna celica ni več kvadrat, temveč paralelogram.
Povzetek Kadar sistem ni v termodinamsko ravnotežnem stanju, obstaja gonilna za fazno premeno. Fazne premene so sestavljene iz dveh osnovnih korakov: nastanka nove faze in rasti nove faze. Za nastanek nove faze je potrebna podhladitev pod termodinamsko ravnotežno temperaturo premene, kajti med osnovno in novo fazo nastane fazna meja, ki ima višjo energijo. V trdnem je potek faznih premen še težavnejši, ker jih ovira deformacijska energija. Hitrost nastajanja nove faze je majhna pri malih podhladitvah zaradi majhne gonilne sile, pri velikih pa zaradi majhne difuzivnosti. Procesa nastajanja in rasti sta lahko ločene ali pa se prepletata. Pri faznih premenah se atomi ali premaknejo samo za nekaj medatomskih razdalj ali pa morajo prepotovati velike razdalje. Fazne premene delimo na difuzijske in brezdifuzijske. Kinetiko premen lahko nazorno prikažemo v premenskih diagramih: izotermnih in kontinuirnih.
9.7 Odgovori, razmisli, reši 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9 9.10
Zakaj je pred potekom strjevanja potrebna podhladitev taline? Podaj podobnosti in razlike med homogeno in heterogeno nukleacijo! Zakaj se kritična velikost delca zmanjšuje z večanjem podhladitve? V čem se razlikuje nastanek nove faze v tekočem in trdnem? Kakšen vpliv imajo kristalne napake na nastanek in rast faz v trdnem? V taline aluminijevih zlitin dodajamo zlitino Al-Ti-B, ki povzroči nastanek velikega števila enakoosnih kristalnih zrn. Kako lahko na osnovi študija tega poglavja pojasniš njen učinek? Zakaj uporabljamo premenske diagrame? Poiščite podobnosti in razlike med izotermnim in kontinuirnim premenskim diagramom! Poiščite te diagrame v tej knjigi! Kaj se zgodi, ko delna dislokacija drsi skozi kristal? Poišči podobnosti in razlike med difuzijsko in martenzitno premeno!
- 98 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
9.8 Dodatna literatura k temu poglavju 9.1 9.2 9.3 9.4
9.5 9.6 9.7 9.8
Glavič, Peter: Gradiva, Maribor : Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, 2001 Gontarev, Vasilij: Termodinamika materialov, Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehniška fakulteta, Oddelek za materiale in metalurgijo, Ljubljana 2000 Kosovinc, Ivan: Metalografija, tretja izdaja, Univerza Edvarda Kardelja v Ljubljani, Fakulteta za naravoslovje in tehnologijo, Ljubljana 1983 Marinković, Velibor: Fizikalna metalurgija II, Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehniška fakulteta, Oddelek za materiale in metalurgijo, Ljubljana 1999 (To literaturo priporočava za poglobljen študij tega poglavja!) Paulin, Andrej: Mala slovenska enciklopedija metalurgije in materialov, Rudarsko-metalurški zbornik, Letnik 44, št. 1-2, Ljubljana julij 1997 Spaić, Savo: Fizikalna metalurgija, Zgradba kovinskih materialov, Strjevanje kovinskih talin, Ljubljana: Oddelek za materiale in metalurgijo, Naravoslovnotehniška fakulteta, Univerza v Ljubljani, Ljubljana, 2002 Spaić, Savo: Metalografska analiza, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za naravoslovje in tehnologijo, Oddelek za montanistiko, Ljubljana 1993 Zupanič, Franc: Gradiva, Zbirka nalog in tabel, Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo, Maribor, 2006
10 Mehansko obnašanje materialov Kaj bomo izvedeli? Kako opišemo napetostna in deformacijska stanja v gradivu? Značilnosti elastične deformacije v materialih. Zakaj v nekaterih gradivih velja v elastičnem področju Hookov zakon, v drugih pa ne? Zakaj elastične lastnosti v kristalih niso enake v vseh smereh? Zakaj so za plastično deformacijo pomembne strižne napetosti? Katera gradiva se lahko plastično deformirajo? Kateri mehanizmi plastične deformacije delujejo v kovinskih gradivih in kateri v termoplastičnih polimerih? Zakaj je dejanska porušitvena napetost gradiv bistveno manjša od teoretične kohezijske trdnosti? Vrste žilavih in krhkih lomov! Kdaj se gradivo pred lomom plastično deformira in kdaj ne? Equation Section (Next)
10.1 Uvod Kadar material mehansko obremenimo, se deformira. Pri tem spremeni svojo obliko in/ali prostornino. V njem nastanejo notranje sile, ki so enako velike kot zunanje obremenitve, toda nasprotno usmerjene. Pri majhnih napetostih se atomi le malo premaknejo iz svojih leg. Po razbremenitvi se lahko povrnejo v izhodiščno lego. Taka deformacija je elastična. Če napetost preseže napetost tečenja, se lahko nekateri materiali (predvsem kovine) trajno – plastično - deformirajo. Pri tem se utrdijo, tako da lahko prenesejo večje napetosti kot v nedeformiranem stanju. Ko se v materialu ne more vzpostaviti notranja napetost, ki je nasprotno enaka zunanji, se material poruši. Na obnašanje materiala pri obremenitvi močno vpliva njegova plastičnost, prisotnost napak ter tudi napetostno stanje.
10.2 Napetostno stanje 10.2.1 Enoosno napetostno stanje Pri enoosnem napetostnem stanju je preskušanec obremenjen s silo v eni smeri. Na ravnino, ki je pravokotna na silo, deluje normalna napetost σ = F /S0, medtem ko je strižna napetost enaka nič. Na katero koli drugo ravnino, ki je poševna glede na smer delovanja sile, delujeta hkrati tako normalna kot tudi strižna napetost (slika 10.1 a). To postane očitno, če silo F razstavimo na normalno Fn in strižno Ft komponento. Normalna komponenta deluje pravokotno na ravnino in povzroča normalno napetost (ta je lahko tlačna ali natezna). Natezna napetost želi ločiti ravnine med seboj, zato je odgovorna za lom materiala. Strižna komponenta deluje vzporedno z ravnino in povzroča strižno napetost, ki želi premakniti eno ravnino glede na drugo. Dovolj velika strižna napetost lahko povzroči zdrs ene ravnine glede na drugo, pri čemer se ravnine ne ločijo med seboj, spremeni se le oblika preskušanca. To je plastična deformacija.
Enoosno napetostno stanje je poseben primer dvoosnega stanja, ko je glavna napetost σ2 = 0. 10.2.2 Dvoosno napetostno stanje V koordinatnem sistemu x-y (slika 10.2 a) delujeta vzdolž koordinatnih osi normalni napetosti σx in σy, ter strižni napetosti τxy in τyx (τxy = τyx). Če koordinatni sistem zasučemo za kot θ, potem v smeri vzdolž novih koordinatnih osi x' in y' delujejo drugačne napetosti:
- 99 -
- 100 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik σx' = σy' =
σx + σ y 2 σx + σ y
τx' y ' =
+
2 σ y − σx 2
−
σx − σ y 2 σx − σ y 2
cos(2θ) + τ xy sin(2θ) cos(2θ) − τ xy sin(2θ)
(10.1)
cos(2θ) + τ xy sin(2θ)
Ugotovimo lahko, da je σx + σy = σx' + σy'. To pomeni, da se vsota normalnih napetosti s spremembo koordinatnega sistema ne spremeni. Največja in najmanjša vrednost normalne napetosti na poševno ravnino se pojavita, ko je strižna napetost enaka nič. Največja strižna napetost je pri kotu, ki je na sredini med največjo in najmanjšo normalno napetostjo. Normalni napetosti in strižna napetost se spreminjajo s sinusno funkcijo, katere perioda je 180°. Za katero koli napetostno stanje lahko vedno definiramo novi koordinatni sistem, katerega osi so pravokotne na ravnine, na katerih delujejo največje napetosti in kjer ni strižnih napetosti. Takšne napetosti imenujemo glavne napetosti.
Slika 10.1:
a) Na ravnino, ki leži pod kotom θ glede na smer delovanja sile, deluje normalna sila Fn, ki povzroči normalno, in tangencialna sila Ft, ki povzroči strižno napetost. b) Ponazoritev enoosnega napetostnega stanja z Mohrovim krogom. Pri kotu θ = 0° deluje na element le natezna napetost σx, medtem ko sta napetost v smeri osi y in strižna napetost enaka nič. Pri vseh ostalih orientacijah deluje na ravnino strižna napetost ter normalna napetost v smereh x in y. Največja strižna napetost leži pod kotom 45° glede na smer delovanja sile.
Napetostno stanje pri dvoosnem napetostnem stanju lahko primerno ponazorimo z Mohrovim krogom (slika 10.2 b). Središče kroga je pri σx + σ y 2
,
(10.2)
polmer kroga je 2
⎛ σx − σ y ⎞ 2 ⎜ ⎟ + τ xy ⎝ 2 ⎠
(10.3)
Glavni napetosti σ1 in σ2 sta pri presečišču kroga z absciso. Takrat je strižna napetost enaka nič. Največja strižna napetost je za kot 2Θ = 90° zasukana proti smeri glavnih napetosti.
Slika 10.2:
Dvoosno napetostno stanje (a) in grafična ugotovitev glavnih napetosti z Mohrovim krogom (b)
10. Mehansko obnašanje materialov
101
Enoosno napetostno stanje je poseben primer dvoosnega napetostnega stanja, ko sta σy = 0 in τxy = 0. Takrat je σ1 = σx in σ2 = 0. Največja strižna napetost je enaka σx/2 in deluje v ravnini, ki je za kot 45° zasukana proti smeri enoosne napetosti. Dokažite, da velja σx + σy = σx' + σy!
10.2.3 Triosno napetostno stanje Triosno napetostno stanje običajno ponazorimo z napetostnim tenzorjem. Ta ima devet komponent – tri normalne in šest strižnih napetosti. ⎡ σx ⎢ ⎢ τ yx ⎢ τ zx ⎣
τ xy σy τ zy
τ xz ⎤ ⎥ τ yz ⎥ σ z ⎥⎦
(10.4)
Napetostni tenzor je simetričen, kar pomeni, da je npr. τxy = τyx. Z ustrezno izbiro koordinatnega sistema lahko dosežemo, da vse strižne napetosti izginejo, so enake nič; preostanejo le tri normalne napetosti, ki jih imenujemo glavne napetosti (slika 10.3 b). ⎡ σ1 ⎢0 ⎢ ⎢⎣ 0
0 σ2 0
0⎤ 0⎥ ⎥ σ3 ⎥⎦
(10.5)
Glavne napetosti so razporejene po velikosti, tako da je σ1 največja, σ3 pa najmanjša. Največja strižna napetost τmax: τ max =
Slika 10.3:
σ1 − σ3 2
(10.6)
Predstavitev napetostnega stanja z napetostnim tenzorjem. a) devet komponent napetostnega tenzorja, b) glavne napetosti
10.3 Deformacijsko stanje Vsako napetostno stanje povzroči deformacijo materiala. Če deformacija po razbremenitvi izgine, govorimo o elastični, če ne, pa o plastični deformaciji. Pri deformaciji se lahko spremeni le prostornina, to je dilatacija, če pa se spremeni oblika, je to distorzija (slika 10.4). Tukaj poudarimo, da lahko elastična deformacija povzroči tako spremembo oblike kot tudi prostornine. V nasprotju s tem se pri plastični deformaciji spremeni le oblika, kajti prostornina se ne spremeni: velja zakon o konstantnosti prostornine.
- 102 -
Slika 10.4:
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Kadar na material delujejo v vseh smereh enake obremenitve (hidrostatično napetostno stanje) se spremeni le njegova prostornina - dilatacija. Drugače se spremeni tudi oblika – distorzija.
10.3.1 Elastična deformacija Elastična deformacija je tista, ki po razbremenitvi izgine. Imenujemo jo tudi prožna deformacija.
Elastičnost snovi izvira iz narave medatomskih vezi. Na sliki 10.5 a je podan potek krivulje sila F – razdalja med atomi r. Vzporedno s smerjo obremenitve velja modul elastičnosti E (Pogosto se uporabljata tudi izraza prožnostni modul ali Youngov modul), ki je definiran kot strmina krivulje F – r pri ravnovesni legi r0: ⎛ ∂F ⎞ E =⎜ ⎟ ⎝ ∂r ⎠ r0
(10.7)
Grafično ga ugotovimo tako, da na krivuljo F – r položimo tangento pri r0. Naklon te tangente je enak modulu elastičnosti E. Pri manjših odmikih od ravnotežnega položaja se tangenta povsem sklada s krivuljo. V tem območju je sila linearno sorazmerna odmiku, tam torej velja Hookov zakon.
Slika 10.5:
a) Sila med atomi F v odvisnosti od njihove medsebojne oddaljenosti r. Naklon tangente na krivuljo pri ravnotežni razdalji med atomi r0 je modul elastičnosti E. Kjer se tangenta sklada s krivuljo, velja Hookov zakon. b, c) Hookov zakon ne velja pri elastomerih. Pri teh se namreč s povečanjem raztezka (stopnje deformacije) modul elastičnosti povečuje.
Pri mehaniki kontinuuma se navadno privzame, da je material homogen* in izotropen† To velja za amorfne snovi ter za drobnozrnate kristalne materiale z naključno orientacijo kristalnih zrn, medtem ko za materiale z usmerjeno mikrostrukturo in monokristale navadno ne velja. Pri enoosni obremenitvi homogenega in izotropnega materiala s silo F deluje na prerezu S0, ki je pravokoten na silo, napetost σ (slika 10.6 a):
σ=
F S0
(10.8)
Ker se prečni prerez pri majhni obremenitvi praktično ne spremeni, lahko računamo elastično napetost na začetni prečni prerez S0.
* †
Homogen material ima v vsaki točki enako kemijsko sestavo in lastnosti. Izotropen material ima v vseh smereh enake lastnosti.
10. Mehansko obnašanje materialov
Slika 10.6:
103
a) Natezna obremenitev vzorca (L0, L: začetna in končna merilna dolžina, S0, S: začetni in končni prečni prerez). b) strižna obremenitev vzorca (h – višina vzorca, a – strižni premik)
Ta napetost povzroči razteg ΔL (= L – L0, L0 začetna merilna dolžina) v smeri sile. Relativni raztezek ε je definiran kot:
ε=
ΔL L0
(10.9).
V elastičnem področju večine snovi sta napetost in raztezek linearno sorazmerna‡, velja Hookov zakon:
ε=
σ E
(10.10)
kjer je E modul elastičnosti. Material se elastično deformira tudi v smeri prečno na smer delovanja sile
ε p = −νε
(10.11)
kjer je ν Poissonovo število. Poissonovo število kovin je okoli 0,33. Material lahko deformiramo tudi s strižno silo. Material pri tem spremeni obliko – takšno deformacijo imenujemo distorzija (slika 10.6 b). Strižna deformacija γ je definirana kot:
γ=
a h0
(10.12)
kjer je a strižni premik, h0 pa začetna višina. Pri majhnih deformacijah je strižna napetost τ linearno sorazmerna strižni deformaciji:
τ = Gγ
(10.13)
kjer je G strižni modul. Če poznamo dve elastični konstanti lahko izračunamo ostale. Na primer: G=
E 2(1 + ν )
(10.14)
Material deformiramo elastično s hidrostatičnim napetostnim stanjem (vse glavne napetosti so enake). Ali dosežemo spremembo prostornine (dilatacija) ali oblike (distorzija)?
A
Elastičnostni modul elastomerov
Elastomeri so šibko zamrežena polimerna gradiva. Za njih je značilno, da imajo gumielastično področje, v katerem se lahko zelo močno elastično deformirajo, ne da bi se porušili. Pri njih v elastičnem področju Hookov zakon ne velja, saj modul elastičnosti E ni konstanten, temveč se s stopnjo deformacije spreminja. Takšno obnašanje izvira iz njihove zgradbe (slika 10.5 b). Pri majhnih deformacijah se močno zavite makromolekule razpletajo, za kar je potrebno relativno majhno povečanje napetosti. Toda potem, ko so skoraj vse molekule raztegnjene, se začnejo povečevati razdalje med atomi, za kar je potrebno
‡
Hookov zakon ne velja pri sivi litini, elastomerih in nekaterih drugih materialih.
- 104 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
precej močnejše povečevanje napetosti. Zaradi tega modul elastičnosti narašča s stopnjo deformacije (slika 10.5 c). V vsakem primeru elastomeri niso edine snovi, pri katerih Hookov zakon ne velja. Med pomembnimi tehniškimi materiali, pri katerih Hookov zakon ne velja, je siva litina.
B
Anizotropija elastičnih lastnosti
Kristalne snovi so praviloma anizotropne vsaj v nekaterih od svojih lastnosti. Tako je praviloma tudi modul elastičnosti monokristalov kovin anizotropen – spreminja se z orientacijo – ponavlja pa se skladno s simetrijo kristala. Tukaj podajamo spreminjanje modula elastičnosti PCK-bakra, ki je bil preskušen v različnih smereh pravokotno na smer [0 0 1]. V tej smeri leži štirištevna os, zato se lastnosti ponovijo vsakih 90°. Modul elastičnosti je mnogo večji v smeri [1 1 0], v kateri so atomi najgosteje razporejeni, kot v smeri [1 0 0], v kateri je gostota zasedenosti precej manjša.
Slika 10.7:
C
Anizotropija modula elastičnosti monokristala bakra, ki je bil obremenjen v različnih smereh pravokotnih na smer [0 0 1]
Možnosti za povečanje modula elastičnosti kovin
Ugotovljeno je bilo, da modula elastičnosti kovin ni mogoče bistveno povečati z legiranjem, toplotnimi obdelavami, plastičnim preoblikovanjem… Lahko pa ga bistveno povečamo, če v kovinski material vložimo kontinuirna vlakna iz snovi, ki ima velik modul elastičnosti Ev (Če izdelamo kontinuirni kompozit s kovinsko osnovo). V smeri vlaken sta raztezka vlakna (v) in osnove (o) enaka. Na osnovi tega dobimo modul elastičnosti v smeri vlaken:
E& = EoVo + EvVv
(10.15)
kjer indeks v pomeni vlakno, o pa osnovo. V smeri, ki je pravokotna na vlakna, velja, da sta napetosti v vlaknih in osnovi enaki. Tako je modul elastičnosti v smeri pravokotna na vlakna: E⊥ =
Slika 10.8:
Eo Ev EoVv + EvVo
(10.16)
Kompozit z enoosno usmerjenimi kontinuirnimi vlakni
Modul elastičnosti v smeri vlaken se močno poveča, medtem ko se v smeri pravokotno na njih precej manj, torej so lastnosti močno anizotropne. Izotropne lastnosti lahko dosežemo, če so vlakna usmerjena v različnih smereh, ne le v eni (glej poglavje Kompozitna gradiva).
10. Mehansko obnašanje materialov
105
10.3.2 Plastična deformacija Plastična deformacija je tista, ki po razbremenitvi ne izgine. Pri manjših napetostih se vsi materiali deformirajo elastično. Ali se bodo deformirali plastično ali bo elastični deformaciji sledil lom, je odvisno od napetostnega stanja in sposobnosti materialov za plastično deformacijo (njihove duktilnosti). Najlaže plastično deformiramo kovine in termoplaste.§
Plastično deformacijo povzroča strižna napetost, medtem ko lom natezna napetost. Če hočemo omogočiti plastično deformacijo materiala, moramo z napetostnim stanjem zagotoviti čim večjo strižno napetost ob čim manjši natezni. Primer je prikazan na sliki 10.9. Če na element delujeta v smeri koordinatnih osi dve različno veliki natezni napetosti, bo τxy (max) majhna. Če hočemo element preoblikovati, mora strižna napetost preseči neko kritično vrednost. Ker bo takrat σ1 zelo velika, bo obstajala resna možnost, da se material poruši brez znatne plastične deformacije. Ravno nasprotno je, ko je ena napetost natezna, druga pa tlačna. Tako dosežemo veliko strižno napetost že pri razmeroma majhni natezni napetosti σ1, kar omogoči plastično deformacijo materiala.
Slika 10.9:
Vpliv napetostnega stanja na velikost strižne napetosti in s tem na možnost plastične deformacije.
Ali lahko material plastično deformiramo, če nanj deluje hidrostatično napetostno stanje (vse glavne napetosti so enako velike)?
A
Definicija dejanske napetosti in dejanskega raztezka Dejanska napetost σd je definirana kot sila F na dejanski prečni prerez S:
σd =
F S
(10.17)
Dejanski ali logaritemski raztezek ϕ dϕ =
L
dL dL L ⇒ϕ = ∫ = ln L L L 0 L0
(10.18)
Povezava dejanskega ϕ in relativnega ε raztezka je:
ϕ = ln (1 + ε )
(10.19)
Pri plastični deformaciji velja zakon o konstantnosti prostornine, prostornina se ne spremeni, zato velja:
S0 L0 = SL
(10.20)
kjer sta S0 in L0 prečni prerez in dolžina pred plastično deformacijo, S in L pa po njej. S kombinacijo enačb (10.18) in (10.20) dobimo še naslednjo enačbo za izračun dejanske deformacije:
ϕ = ln
§
S0 S
Termoplasti so vrsta polimernih materialov, ki nimajo zamreženih makromolekul.
(10.21)
- 106 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Dejanski ali logaritemski raztezek ϕ je primernejši za računanje deformacij kot relativni, saj ima nekaj prednosti. Če material deformiramo v stopnjah, je vsota dejanskih deformacij enaka skupni dejanski deformaciji:
ϕ02 = ϕ01 + ϕ12
(10.22)
Če plastično deformiramo poljubno telo, je vsota dejanskih raztezkov v različnih smereh enaka nič. Na primer, če deformiramo kvader, ki ima dolžino l, širino a in višino v, je vsota raztezkov v teh smereh:
ϕ = ϕl + ϕ a + ϕ v
(10.23)
Zato lahko izračunamo dejansko deformacijo v tretji smeri, če poznamo dejanski deformaciji v dveh smereh. Katere so prednosti dejanskega ali logaritemskega raztezka proti relativnemu raztezku?
B
Pogoji tečenja
V homogenem in izotropnem materialu se prične plastična deformacija, ko napetost preseže napetost tečenja (preoblikovalno trdnost). Pri enoosnem napetostnem stanju je to napetost tečenja, ki jo ugotovimo z nateznim preskusom (tukaj jo bomo imenovali σ0). Pri triosnem napetostnem stanju moramo izračunati primerjalno napetost. Kadar primerjalna napetost preseže napetost tečenja, se prične material preoblikovati. Večinoma se uporabljata dve primerjalni napetosti ali pogoja tečenja, ki jo pogosto imenujemo po prvih avtorjih: von Misesu in Tresci. Von Misesov pogoj upošteva vse glavne napetosti in se glasi:
σs =
1 (σ 1 − σ 2 ) 2 + (σ 1 − σ 3 ) 2 + (σ 2 − σ 3 ) 2 2
(10.24)
Material je v plastičnem stanju, ko je σs ≥ σ0. Napetost σ0 je napetost tečenja pri nateznem preskusu. Po Tresci začne material teči, ko največja strižna napetost (enačba (10.6)) doseže vrednost k: τmax =
σ1 − σ3 =k 2
kjer je k strižna napetost tečenja. To je napetost, pri kateri se začne material plastično deformirati pri vzvojnem preskusu. V primerni literaturi poglejte, kako izvedemo vzvojni preskus!
Slika 10.10:
a) Idealni plastični material se ne deformira elastično, napetost tečenja je konstantna. b) Material z linearnim elastičnim in linearnim plastičnim področjem. c) Material z linearnim elastičnim in paraboličnim plastičnim področjem.
10.3.3 Oblike krivulj napetost-raztezek Idealni plastični material se v področju plastične deformacije niti ne utrjuje niti ne mehča, torej je napetost za plastično deformacijo konstantna (slika 10.10 a). Večina materialov se pri plastični deformaciji utrjuje. V tem primeru lahko prikažemo utrjevanje s premico (slika 10.10 b), čeprav so dejanske krivulje napetost – raztezek v plastičnem področju bolj podobne parabolam (slika 10.10 c).
10. Mehansko obnašanje materialov
107
10.3.4 Plastična deformacija kovin Večina kovinskih materialov se dobro plastično preoblikuje. Najpomembnejši mehanizem preoblikovanja je z drsenjem dislokacij, poleg njega pa se pojavlja tudi dvojčenje in pri povišanih temperaturah tudi lezenje.
A
Dvojčenje
Dvojčenje je pojav, pri katerem se premakne en del kristala nasproti drugemu tako, da je premaknjen (dvojčen) del kristala zrcalna slika nepremaknjenega (nedvojčenega) dela. Zato je tudi kristalna zgradba dvojčenega dela enaka tisti v nedvojčenem delu. Dvojčeni in nedvojčeni del sta ločena z dvojčično mejo, ki je navadno skladna (slika 10.11 a). Atomi na meji med dvojčenjem ne spremenijo svoje lege, vsi atomi v dvojčenem delu pa se premaknejo relativno na atome v sosednjih ravninah v isto smer in to za razdaljo, ki je manjša od medmrežne razdalje. Velikosti in smeri premikov niso poljubne, ker se v dvojčenem delu ohrani kristalna zgradba osnove. V PCK je ravnina dvojčenja (111), smer dvojčenja pa [112]; v HGZ (10 1 2) [ 1 011] in v TCK (112) [111]. V osnovno celici TCK vrišite ravnino in smer dvojčenja!
Dvojčenje je pomemben mehanizem plastične deformacije TCK kovin pri nizkih temperaturah, kakor tudi kovin s HGZ, ki imajo malo drsnih sistemov. Napetosti za dvojčenje so navadno večje kot za drsenje dislokacij, zato se dvojčenje aktivira šele po določeni stopnji plastične deformacije, ko se kovine dovolj utrdijo.
Slika 10.11:
B
Mehanizmi plastične deformacije v kovinah. a) shematičen prikaz dvojčenja in b) diagram deformacijskih mehanizmov, ki prikazuje, kateri mehanizem plastične deformacije z drsenjem dislokacij ali lezenjem je aktiven v odvisnosti od temperature in napetosti. Homologna temperatura je razmerje med dejansko temperaturo T in tališčem kovine Tt
Plastična deformacija z lezenjem
Lezenje je časovno odvisna deformacija. Na primer, če material natezno obremenimo z napetostjo, ki je manjša od napetosti tečenja pri neki temperaturi, se bo kljub temu trajno deformiral, raztezek pa bo sorazmeren trajanju obremenitve. To je mogoče le pri temperaturah, ko v kovinah poteka difuzija: meja je nekje pri 0,4 . Tt.
Glavna mehanizma lezenja pri kovinah sta difuzijsko in dislokacijsko lezenje. Napetosti in temperature, pri katerih prevladuje določeni mehanizem, lahko razberemo iz diagrama deformacijskih
- 108 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
mehanizmov (slika 10.11). Pri visokih homolognih temperaturah** in velikih normaliziranih napetostih††, ki so le malo pod napetostjo tečenja, prevladuje dislokacijsko lezenje. Deformacijska hitrost je 10-5-10-2 s-1, dosežemo pa lahko zelo velike trajne raztezke: tudi 100–300 %. V področju dislokacijskega lezenja dislokacije plezajo in premagujejo ovire ter pod vplivom zunanje napetosti drsijo naprej (slika 10.12 a). V spodnjem temperaturnem območju prevladuje difuzija praznin vzdolž dislokacijskih črt, v zgornjem pa prostorninska difuzija. Med dislokacijskim lezenjem se dislokacije razporedijo v malokotne meje, hitrost nastajanja in anihilacije (izničevanja) dislokacij je konstantna. To pomeni, da ni utrjanja, poleg tega pa je tudi hitrost deformacije ε konstantna. Pri nizkih temperaturah bi se dislokacije nakopičile pred oviro, ker ne bi mogle plezati. Napetostno stanje, ki bi pri tem nastalo, bi preprečilo nadaljnje drsenje dislokacij in s tem tudi deformacijo. Povečanje plastične deformacije bi lahko dosegli tako, da bi povečali zunanjo napetost.
Slika 10.12:
a) Dislokacija se zaustavi pred oviro (npr. disperzoidom – to je npr. delec druge faze v osnovni kovini, ki je trši od osnove in se ne da zlahka preoblikovat). Z difuzijo praznin k dislokaciji dislokacija pleza na neovirano drsno ravnino in drsi naprej, dokler se ne zaustavi pred naslednjo oviro. Tam se vse ponovi. b) Mehanizem difuzijskega lezenja. Praznine nastajajo na kristalnih mejah, ki so pravokotne na smer zunanje napetosti in potujejo na meje vzporedne natezni napetosti σ. Pri visokih temperaturah prevladuje difuzija skozi kristalno mrežo: Herring-Nabarrovo lezenje, pri nižjih temperaturah pa difuzija po kristalnih mejah: Coblejevo lezenje. Difuzijski tok atomov v nasprotni smeri povzroči podaljšanje vzorca.
V preostalem diagramu prevladuje difuzijsko lezenje. Pri nizkih homolognih temperaturah in majhnih normaliziranih napetostih je hitrost lezenja zanemarljiva, ob naraščanju temperature pa postaja vse večja (nad 0,5 Tt). Za difuzijsko lezenje je značilno, da praznine nastajajo na kristalnih mejah, ki so pravokotne na smer delovanja nateznih napetosti, in da potujejo na kristalne meje, ki so vzporedne s smerjo natezne obremenitve. Atomi potujejo v nasprotni smeri in zato se kristalna zrna podaljšujejo v smeri natezne obremenitve in tanjšajo v smeri pravokotno nanjo. Pri nizkih homolognih temperaturah je difuzija praznin omejena na meje kristalnih zrn (Coblejevo lezenje: ε ~DM/d3; DM - difuzivnost po mejah zrn; d – velikost kristalnih zrn, ε ~ 10-10-10-6 s-1), pri homolognih temperaturah nad 0,9 pa skozi kristalno mrežo (Herring-Nabarrovo lezenje: ε ~ Dv/d2; Dv-prostorninska difuzivnost, d - premer kristalnih zrn). Med difuzijskim lezenjem je nujno tudi drsenje po kristalnih mejah. V vsakem primeru je deformacijska hitrost pri difuzijskem lezenju tem večja, čim manjša so kristalna zrna. Monokristali nimajo mej, zato pri njih ni možno difuzijsko lezenje. Zato je odpornost monokristalov proti lezenju večja kot polikristalov. Iz tega razloga so lopatice plinskih turbin monokristali nikljevih superzlitin. Pri temperaturah nad 0,5 Tt so nekatere zlitine z zelo drobnimi zrni (~10 μm) in drobno dispergiranimi (majhnimi in enakomerno razporejenimi) delci sekundarne faze, ki preprečujejo rast zrn, superplastične. Pri superplastičnih zlitinah je zelo pomemben mehanizem preoblikovanja z drsenjem po mejah kristalnih zrn. Pomembno je, da kristalna zrna ostanejo ves čas enakoosna. Dosežene stopnje plastične deformacije pogosto presežejo 1000 %! **
Homologna temperaratura je relativna temperatura in ponazarja razmerje med temperaturo preskušanja in tališčem kovine
(T/Tt) ††
σ/G
Normalizirana napetost je razmerje med napetostjo σ, s katero je material obremenjen in njegovim strižnim modulom G:
10. Mehansko obnašanje materialov
109
Plastična deformacija z lezenjem ni omejena zgolj na kovine, temveč se pojavlja tudi pri polimernih in keramičnih gradivih. Dodatne informacije o preskušanju lezenja so v poglavju Mehanski preskusi. Kateri mehanizem plastične deformacije kovin lahko pričakujete pri relativni napetosti τ/G = 10 in homologni temperaturi T/Tt = 0,8?
C
-6
Plastična deformacija kovin z drsenjem dislokacij
Plastična deformacija z drsenjem dislokacij je najpomembnejši mehanizem preoblikovanja kovin. Temelji na teoriji dislokacij, ki smo jo spoznali v poglavju Realna zgradba materialov. i
Plastična deformacija monokristalov
Plastična deformacija v kovinah poteka z drsenjem dislokacij praviloma po najgostejših ravninah in v najgostejših smereh. Kombinacija drsne ravnine in smeri se imenuje drsni sistem. Plastična deformacija v drsnem sistemu se pojavi, ko strižna napetost prekorači kritično strižno napetost (napetost tečenja). Najprej se bo pojavila v tistem drsnem sistemu, v katerem je strižna napetost največja, to pa je odvisno od smeri obremenitve (slika 10.13 a). Analitično to ugotovimo, če za vsak drsni sistem izračunamo Schmidov faktor: SF = cos λ ⋅ cos φ
(10.25)
kjer je λ kot med natezno osjo in drsno smerjo, φ pa je kot med natezno osjo in drsno ravnino. Schmidov faktor bi imel največjo vrednost, če bi bila λ = φ = 45°. V odvisnosti od orientacije natezne osi se lahko začne plastična deformacija samo v enem ali v več drsnih sistemih. Če monokristal obremenimo v ugodni smeri (v bližini smeri [1 1 0] v PCK), se lahko najprej začne drsenje samo v enem drsnem sistemu in šele kasneje v ostalih. V tem primeru lahko krivuljo strižna napetost – strižna deformacija v plastičnem področju razdelimo na tri dele (slika 10.14 a): I. področje lahkega drsenja, II. področje linearnega utrjanja in III. področje paraboličnega utrjanja ali dinamične poprave. V področju lahkega drsenja drsijo dislokacije le v enem drsnem sistemu (slika 10.14 b). Dislokacije drsijo po vzporednih drsnih ravninah, v eni ravnini pa samo v eni drsni smeri. Zato druga na drugo vplivajo le s silo dolgega dosega, med seboj pa se ne sekajo (sekajo le gozdne dislokacije) in iz drsljivih dislokacij ne nastajajo nedrsljive. Kljub temu se kovine v tem področju rahlo utrjujejo, kar je razvidno iz dejstva, da je za doseganje večje deformacije potrebna vedno večja napetost. Razlog za to je v tem, da vse dislokacije ne morejo zapustiti kristala, zato se njihova gostota postopoma veča. Vpliv večje gostote dislokacij na napetost tečenja smo že spoznali v podpoglavju o dislokacijah. Preskusi na monokristalih so pokazali, da je plastična deformacija kovin nehomogen proces, ker se na nekaterih mestih pojavlja dosti močneje kot na drugih. Če na primer monokristal vpnemo v gibljive čeljusti, je po določeni stopnji deformacije v področju lahkega drsenja sestavljen iz več rezin (slika 10.13 b). Drsne ravnine so med seboj vzporedne, rezine pa so se premaknile v neki točno določeni smeri. To nam pove, da je plastična deformacija potekala v vseh primerih v isti ravnini in v isti smeri. Postavlja se vprašanje, zakaj ni potekala po celotnem materialu enako – homogeno? Tukaj se spomnimo, da med plastično deformacijo dislokacije nastajajo. V tistih drsnih ravninah, v katerih je vir dislokacij (npr. Frank-Readov vir), je lahko deformacija izredno velika, medtem ko je v ravninah, kjer ga ni, bistveno manjša. slika 10.13 c kaže, da pri povečani povečavi lahko opazimo drsne črte in drsne pasove. Drsne črte imajo debelino nekaj deset medatomskih razdalj, nekaj deset drsnih črt pa tvori drsni pas. Drsne pasove ločujejo praktično nedeformirana območja kristala, kajti v teh ravninah je deformacija odvisna od števila drsljivih dislokacij, ki so bile v materialu pred deformacijo. Ob določeni stopnji deformacije začnejo dislokacije drseti tudi v nekem drugem drsnem sistemu. Pri tem nastopijo številni pojavi, ki povečajo število ovir za drsenje dislokacij (slika 10.14 c). Hitrost utrjevanja se močno poveča – to je področje linearnega utrjanja.
- 110 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Tretja stopnja je področje paraboličnega utrjanja ali dinamične poprave. Pri tem se kovina še vedno utrjuje, vendar se hitrost utrjanja zmanjšuje z večanjem stopnje deformacije; krivulja ima tam parabolično obliko. Razlog za to je prečno drsenje vijačnih dislokacij (slika 10.14 d). Pri višjih temperaturah se tretja stopnja pojavi pri manjših stopnjah deformacije. Če je kristal simetrično obremenjen (npr. v smeri [1 1 1] PCK), se hkrati aktivira več drsnih sistemov. Zato na krivulji τ - γ ni več področja I. Plastično področje je sestavljeno le iz začetnega linearnega dela, kjer je hitrost utrjanja večja kot v področju II, in paraboličnega dela III (slika 10.15 a).
Slika 10.13:
a) Projekcija sile v drsni sistem, ki je sestavljen iz drsne ravnini in drsne smeri. b) Deformacija monokristala po samo enem drsnem sistemu. c) Povečan detajl s slike b, z opaznimi drsnimi črtami in pasovi.
Slika 10.14:
a) Krivulja tečenja monokristala PCK, smer delovanja sile je blizu [110]. Shematičen prikaz procesov pri plastični deformaciji. b) Področje lahkega drsenja. Dislokacije drsijo v enem drsnem sistemu po vzporednih drsnih ravninah. Dislokacije nastajajo v Frank-Readovem viru. c) Področje linearnega utrjanja. Dislokacije drsijo vsaj v dveh drsnih sistemih. Na presečišču osnovne in sekundarne drsne ravnine nastajajo ovire za drsenje (Cottrell-Lomerjeve zapreke). d) Področje dinamične poprave ali paraboličnega utrjanja. Vijačne dislokacije obidejo ovire s prečnim drsenjem.
Pri velikih stopnjah deformacije dislokacije razdelijo kovino v celice. Znotraj celic je gostota dislokacij zelo majhna, bistveno večja pa je v stenah celic. Ugotovljeno je bilo, da je utrditev materiala tem večja, čim manjša je velikost deformacijskih celic (slika 10.15 c). Kakšna bi bila krivulja tečenja, če bi se kovina preoblikovala le v prvi stopnji?
ii
Plastična deformacija polikristalov
Tudi v vsakem zrnu polikristalne kovine je drsenje dislokacij vezano na drsne sisteme. Toda v polikristalih se ne pojavita področji I in II, temveč imajo krivulje tečenja bolj ali manj parabolično obliko (slika 10.15 a). Ker se pri plastični deformaciji kristalne zrna ne ločijo po kristalnih mejah (če bi se to zgodilo, se polikristalni material ne bi plastično preoblikoval, temveč drobil), se mora v vsakem zrnu aktivirati vsaj pet drsnih sistemov. Zato je napetost tečenja polikristalnih materialov bistveno večja od napetosti tečenja monokristalov, poleg tega je dosti večja tudi stopnja utrjanja. Navadno je večja kot v najbolj neugodno orientiranih monokristalih, to je pri orientacijah, ko Schmidov faktor (enačba (10.25))
10. Mehansko obnašanje materialov
111
zelo majhen. Kristalne meje predstavljajo neprehodno oviro za dislokacije. Čim večja je gostota mej, tem težja je plastična deformacija oziroma tem večja napetost je potrebna, da dosežemo določeno stopnjo deformacije. To pomeni, da lahko z zmanjševanjem kristalnih zrn kovino utrjujemo – to je utrjanje s kristalnimi mejami. Pri plastični deformaciji se spremeni oblika kristalnih zrn. V kristalnih zrnih se pojavijo drsne črte in drsni pasovi. Poleg tega se tudi kristalna orientacija različnih zrn poravna. Na primer, če imamo v začetku enakoosna kristalna zrna brez prednostne orientacije kristalnih zrn – teksture, povzroči plastična deformacija nastanek usmerjenih, kristalografsko prednostno orientiranih kristalnih zrn. To imenujemo tekstura (slika 10.15 b). Na primer po vlečenju srebra je smer <1 0 0> večine kristalnih zrn vzporedna smeri vlečenja. Presevna elektronska mikroskopija je pokazala, da je notranjost kristalnih zrn razdeljena na celice (slika 10.15 c). V notranjosti celic je relativno majhna gostota dislokacij, večina jih je nakopičenih ali zavozlanih v stenah celic. Velikost celic se zmanjšuje s stopnjo deformacije, hkrati s tem pa se povečuje utrditev materiala. Kaj je to tekstura?
Slika 10.15:
iii
a) Primerjava krivulj tečenja monokristala, ki je bil obremenjen v različnih kristalnih smereh, in polikristalnega materiala z različno velikimi kristalnimi zrni. b) Sprememba oblike in kristalne orientacije kristalnih zrn. V kristalnih zrnih so drsne črte in drsni pasovi. Kristalne orientacije različnih zrn se poravnajo, nastane deformacijska tekstura. c) Deformacijske celice v plastično preoblikovanem čistem železu (posneto s TEM). Velikost celic se z večanjem stopnje deformacije zmanjšuje.
Plastična deformacija pri povišanih temperaturah
Če poteka plastična deformacija pri temperaturah, ko difuzijski procesi niso več zanemarljivi, potekajo poleg procesov utrjevanja materiala tudi procesi mehčanja. V splošnem se z višanjem temperature zmanjšuje napetost tečenja, zmanjšuje se stopnja utrjevanja, stopnja deformacije se povečuje. To je povezano s procesi dinamične poprave in dinamične rekristalizacije, ki bo obravnava v poglavju o toplotni obdelavi neželeznih kovin. 10.3.5 Plastična deformacija termoplastov (plastomerov) Termoplasti (plastomeri) so nezamrežena polimerna gradiva. Polimerne verige so med seboj povezane le s sekundarnimi ali van der Waalsovimi vezmi. Z višanjem temperature se začnejo razdalje med verigami povečevati, zato so vezalne sile med njimi šibkejše. To omogoči, da se začnejo verige pod vplivom strižne napetosti premikati ena glede na drugo in s tem pride do plastične deformacije. Skladno s povedanim, je mehanizem plastične deformacije povsem drugačen kot v kristalnih kovinah. Ni prednostnih drsnih ravnin in drsnih smeri.
Termoplasti so lahko amorfni in delno kristalni. Skladno s tem se razlikujeta tudi mehanizma plastičnega preoblikovanja (slika 10.16).
- 112 -
Slika 10.16:
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Plastično preoblikovanje a) amorfnega in b) delno kristalnega termoplasta
Katere so razlike med plastično deformacijo kovin in polimernih gradiv?
10.3.6 Krivulje tečenja Pri načrtovanju tehnologije plastične deformacije so zelo koristne krivulje tečenja (sl. 10.17). V njih je preoblikovalna trdnost kf podana v odvisnosti od stopnje deformacije ϕ pri konstantni hitrosti deformacije ϕ , temperaturi… Preoblikovalna trdnost kf je napetost, ki je potrebna, da v danih razmerah material
preide v plastično stanje. Kovinski materiali se pri hladni deformaciji utrjujejo, zato se kf s stopnjo deformacije ϕ povečuje. Preoblikovalna trdnost je tem večja, čim večja je hitrost deformacije ϕ in čim nižja je temperatura.
Slika 10.17:
a) Krivulje tečenja nekaterih materialov pri sobni temperaturi. b) Vpliv hitrosti deformacije in temperature preoblikovanja na preoblikovalno trdnost. (St 37 oznaka jekla po DIN).
Primerjajte krivulje tečenja materialov na sliki 10.17!
Zelo pogosto se za analitični opis krivulj tečenja uporablja naslednja enačba: k f = Kϕ n
(10.26)
kjer je K trdnostni in n utrjevalni koeficient. Energijo na enoto prostornine, ki je potrebna za deformacijo preskušanca, dobimo z integriranjem enačbe (10.26): ϕ
ϕ
0
0
E = ∫ k f dϕ = K ∫ ϕ n dϕ =
K n +1 ϕ n +1
(10.27)
10.4 Lom Lom je razdelitev materiala na dva ali več delov. Podobno kot pri plastični deformaciji tudi pri lomu ločimo teoretično kohezijsko trdnost in dejansko zlomno napetost. Teoretična kohezijska trdnost je tista, ki je potrebna za porušitev idealnega kristala, ki že po definiciji ne vsebuje nobene napake. V tem primeru
10. Mehansko obnašanje materialov
113
se morajo hkrati ločiti med seboj vsi atomi v neki ravnini. Ta napetost je zelo velika – okoli E/10. Po eni izmed izpeljav jo lahko izračunamo z naslednjo enačbo: 1/ 2
⎛ Eγ s ⎞ ⎟ ⎝ ao ⎠
σm = ⎜
(10.28)
E je modul elastičnosti, a0 je ravnovesna razdalja med atomi, γs je površinska energija.
V realnih kristalih so navzoče napake. Od teh najbolj močno vplivajo na lom razpoke, ki lomno napetost bistveno zmanjšajo. Ob vrhu (konici) razpoke se namreč pojavi koncentracija napetosti, ki lahko že pri relativno majhnih obremenitvah preseže kohezijsko trdnost in razpoka lahko napreduje do loma. To pomeni, da se hkrati loči med seboj samo nekaj atomov okoli vrha razpoke. Prisotnost razpok je izjemno pomembna v krhkih gradivih, kajti ko v krhkem materialu začne razpoka napredovati, napreduje do porušitve ob zmanjševanju zunanje obremenitve (nestabilno napredovanje razpoke). Po Griffithu je lomna napetost materiala z razpoko: 1/ 2
⎛ Eγ ⎞ σm = ⎜ s ⎟ ⎝ 4c ⎠
(10.29)
c je dolžina razpoke, ki sega s površine materiala, ali polovična dolžina notranje razpoke. Ta enačba nam pove, da je zlomna napetost tem manjša, čim večja je dolžina razpoke c.
Slika 10.18:
Krhek lom materiala a) brez razpoke in b) z razpoko
Tudi pri najbolj krhkih kovinah se del materiala ob prelomnimi plastično deformira. Za plastično deformacijo je potrebna dosti večja energija, kot je površinska energija razpoke. Zato je napredovanje razpoke oteženo. Poleg tega se lahko material ob konici razpoke plastično deformira in razpoka otopi. To pomeni, da se koncentracija napetosti ob konici razpoke zmanjša. Za nadaljnje napredovanje razpoke je potrebno obremenitev povečati (stabilno napredovanje razpoke). V čem je razlika med stabilnim in nestabilnim napredovanjem razpoke?
10.4.1 Vrste lomov Lome lahko delimo glede na to, koliko energije se porabi za lom. Malo energije se porabi pri krhkem lomu, veliko pa pri žilavem lomu.
V steklu in keramičnih gradivih so navadno navzoče razpoke ali druge napake, ki povzročajo koncentracijo napetosti. Pri kovinah pa morajo razpoke najprej nastati. Ugotovljeno je bilo, da se kovine pred lomom vsaj malo plastično deformirajo, pri čemer nastanejo mikrorazpoke zaradi nakopičenja dislokacij ob kristalnih mejah ali delcih, lahko pa nastanejo tudi z reakcijo dislokacij, ki drsijo po nevzporednih drsnih ravninah. Napredovanje razpoke v polikristalih lahko poteka po mejah kristalnih zrn – interkristalni lom ali skozi kristalna zrna po določenih razkolnih ravninah – transkristalni ali razkolni lom (slika 10.19). Pri interkristalnem lomu lahko vidimo obliko kristalnih zrn. Kristalna zrna so praviloma poliedri – telesa omejena z ravnimi ploskvami (slika 10.20 a). Pri transkristalnem lomu razpoka napreduje po razkolnih ploskvah (v feritu so to ravnine {100}), ki so atomsko gladke. Na mikroposnetkih opazimo ravne ploskve. V polikristalnih gradivih so razkolne ravnine v sosednjih zrnih
- 114 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
zamaknjene za določen kot. Da se razlike zgladijo, nastanejo v vsakem zrnu stopnice, ki jih je tem več, čim večja je kotna razlika. Za žilavi lom ni nujen nastanek in napredovanje razpoke. Do loma lahko vodijo procesi pri plastični deformaciji. Žilavi lomi so transkristalni. Ločimo idealni strižni lom, ki je možen le pri monokristalih, če plastična deformacija poteka le v področju lahkega drsenja, vse dokler rezine ne zdrsnejo ena z druge. Pri polikristalih je možen idealni žilavi lom – pri natezni obremenitvi nastane na preskušancu vrat in tam se material oži (kontrakcija) tako dolgo, dokler se oba dela ne ločita med seboj. Bolj običajen je jamičasti lom. Pri tem na vključkih in izločkih nastanejo jamice, ki se pri povečevanju deformacije združujejo (koalescenca). Zato je prelomnina sestavljena iz večjih in manjših jamic.
Slika 10.19:
a) Krhki lom polikristalnih snovi. Razpoka lahko napreduje skozi kristalna zrna (transkristalni lom) ali po mejah kristalnih zrn (interkristalni lom). Vrste žilavega loma: b) idealni strižni lom monokristala, c) idealni žilav lom, d) jamičast lom
a) Slika 10.20:
b)
c)
Prelomnine jekla Č.4732 (42 CrMo 4) a) krhek interkristalni lom, b) krhek transkristalni lom in c) žilav jamičasti lom
Podajte razliko med različnimi vrstami žilavega in krhkega loma! Na sliki 10.20 poiščite jamice, ploskve kristalnih zrn ter stopnice.
10.5 Lom ali plastična deformacija Lom in plastična deformacija sta konkurenčna procesa. Če je zlomna napetost manjša od napetosti tečenja, se bo material porušil krhko. Kot smo spoznali, lahko na to vplivamo z napetostnim stanjem. Poleg tega vplivajo na obe napetosti tudi drugi dejavniki. Na primer pri kovinah se tako zlomna napetost kot tudi napetost tečenja spreminjata s temperaturo, le da je temperaturna odvisnost napetosti tečenja izrazitejša. Zato se nekatere kovine (npr. konstrukcijska jekla) pri višjih temperaturah porušijo žilavo, pri nizkih pa krhko. Prehod iz žilavega v krhki lom je pri prehodni temperaturi žilavosti. Pri plastični deformaciji kovin se napetost tečenja povečuje. Ko se izenači z zlomno napetostjo, se material poruši. V načelu vsako utrjanje kovine povzroči zmanjšanje njene žilavosti. Pomembna izjema je utrjanje s kristalnimi mejami.
10. Mehansko obnašanje materialov
Slika 10.21:
115
a) Pojav prehodne temperature žilavosti zaradi različne temperaturne odvisnosti napetosti tečenja in zlomne napetosti, b) povečevanje napetosti tečenja pri plastični deformaciji vodi do zloma
Povzetek Kadar gradivo obremenimo, se v njem vzpostavi napetostno stanje. Ločimo normalne (natezne ali tlačne) in strižne napetosti. Napetostno stanje povzroči deformacijo materiala: spremembo prostornine (dilatacija) in/ali spremembo oblike (distorzija). Majhne obremenitve povzročijo elastično deformacijo, ki po razbremenitvi izgine. V elastičnem področju navadno velja linearna povezava med napetostjo in deformacijo: Hookov zakon. V posameznih kristalih se elastičnostne lastnosti v različnih smereh razlikujejo med seboj – anizotropija. Plastična deformacija je trajna sprememba oblike gradiva. Plastično deformacijo omogočajo strižne napetosti. Plastično se lahko deformirajo le materiali, v katerih se lahko del gradiva premakne glede na drugi del ne da bi se pri tem porušil. V kovinskih gradivih delujejo trije takšni mehanizmi: drsenje dislokacij, dvojčenje in lezenje. Plastično se lahko deformirajo tudi termoplastični polimeri. Lom materiala povzročajo natezne napetosti. Zaradi napak v gradivih, predvsem razpok, ki povzročajo koncentracijo napetosti, se materiali porušijo pri napetostih, ki so mnogo manjše od teoretičnih izračunov za gradiva brez napak. Pri krhkem lomu je za prelom potrebno malo energije. Razpoke potujejo skozi polikristalni material interkristalno ali transkristalno. Najbolj značilen žilav lom je jamičasti lom. Plastična deformacija in lom sta konkurenčna procesa. Nanju vpliva zgradba gradiva, prav tako pa zunanji dejavniki, kot so temperatura, tlak, okolje in napetostno stanje.
- 116 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
10.6 Razmisli, odgovori, reši 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5
Kaj se lahko zgodi z gradivom, če ga obremenimo z mehansko napetostjo? Za kaj uporabljamo Mohrov krog? Katere so značilnosti elastične deformacije v različnih gradivih? Zakaj se lahko elastomeri močno elastično deformirajo, plastično pa ne? Iz česa izvira anizotropija elastičnostnih lastnosti? Ali se pojavlja tudi anizotropija plastičnih lastnosti in loma? 10.6 Katera gradiva se lahko plastično deformirajo in zakaj? 10.7 V čem se razlikuje plastična deformacija kovin v področju lahkega drsenja in linearnega utrjanja? 10.8 Ali se poleg kovin lahko plastično deformirajo tudi druge vrste gradiv? 10.9 Ali so pri deformaciji drugih kovin prav tako pomembne dislokacije? 10.10 Podaj podobnosti in razlike transkristalnega in interkristalnega loma! 10.11 Zakaj sta teoretična strižna napetost in kohezijska trdnost bistveno manjši od dejanskih vrednosti? 10.12 Kakšne lastnosti bi imel idealno zgrajen kristal?
10.7 Dodatna literatura k temu poglavju 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7
Allen S. M., Thomas E. L.: The Structure of Materials, John Willey & Sons, Inc, 1999 Čižman, Vincenc: Osnove teorije plastičnosti in preoblikovanja kovin, Ljubljana 1972 Dieter, George E.: Mechanical Metallurgy, McGraw-Hill Book Company, London 1988 Drobnjak, D.: Fizička metalurgija, Tehnološko-metalurški fakultet, Beograd, 1986 Glavič, Peter: Gradiva, Maribor : Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, 2001 Lange, K: Umformtechnik, Handbuch für Industrie und Wissenschaft, Springer-Verlag, 1984, Marinković, Velibor: Fizikalna metalurgija II, Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehniška fakulteta, Oddelek za materiale in metalurgijo, Ljubljana 1999 (Zelo primerna za poglobljen študij.) 10.8 Paulin, Andrej: Mala slovenska enciklopedija metalurgije in materialov, Rudarsko-metalurški zbornik, Letnik 44, št. 1-2, Ljubljana julij 1997 10.9 Vojvodič Tuma, Jelena: Mehanske lastnosti kovin, Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Ljubljana 2002 (Zelo primerna za poglobljen študij.) 10.10 Zupanič, Franc: Gradiva Praktikum. Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo, Maribor 1999 10.11 Zupanič, Franc: Gradiva, Zbirka nalog in tabel, Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo, Maribor, 2004
11 Mehanski preskusi Kaj bomo izvedeli? Zakaj uporabljamo različne mehanske preskuse? Kako ovrednotimo natezne diagrame brez napetosti tečenja in z izrazito napetostjo tečenja? Kaj se zgodi pri maksimumu natezne krivulje? V čem se razlikujejo elastični, plastični in celotni raztezek? Zakaj je porušitvena napetost večja od natezne trdnosti? Zakaj gradiva udarno obremenjujemo? Ali se udarna žilavost jekel spreminja s temperaturo? Zakaj se gradiva izpostavljena izmeničnim obremenitvam porušijo pri napetostih, ki so manjša od natezne trdnosti? Zakaj se gradiva pri povišanih temperaturah plastično deformirajo, čeprav je napetost manjša od napetosti tečenja? Kako se obnašajo gradiva, ki imajo razpoko? Zakaj uporabljamo različne metode merjenja trdote? Equation Section (Next)
Med uporabo so materiali izpostavljeni različnim vrstam obremenitev. Da bi lahko napovedali njihovo obnašanje v danih primerih uporabe, jih preskušamo s primernimi mehanskimi preskusi.
11.1 Natezni preskus Natezni preskus je temeljni mehanski preskus. Material obremenimo z enoosno napetostjo, ki enakomerno narašča. Skupaj s tlačnim, upogibnim, vzvojnim in strižnim preskusom spada h kvazistatičnim preskusom. Navadno uporabljamo sorazmerne preskušance, pri katerih je razmerje med začetno merilno dolžino* L0 in začetnim prečnim prerezom S0 enako (kratka epruveta) :
L0 = 5,65 S0
(11.1)
kar je pri preskušancih s krožnim prečnim prerezom enako: L0 = 5d 0
(11.2)
kjer je d0 začetni premer. Pri zelo tankih preskušancih je razmerje med L0 in S0 (dolga epruveta): L0 = 11,3 S0
(11.3)
kar za preskušance s krožnim prečnim prerezom znaša:
L0 = 10d 0
(11.4)
Pri preskusu merimo silo F v odvisnosti od raztega ΔL. Razteg ΔL:
ΔL = L − L0 je podaljšek merilne dolžine, ima enoto dolžine npr. mm; L je trenutna merilna dolžina. Pri kovinskih materialih dobimo dve značilni obliki diagramov: ¾ diagrame brez izrazite napetosti tečenja (slika 11.1 a) in ¾ diagrame z izrazito napetostjo tečenja (slika 11.1 b).
*
Merilna dolžina je razdalja med merilnima oznakama na epruveti.
- 117 -
(11.5)
- 118 -
Slika 11.1:
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Natezni diagram a) brez izrazite napetosti tečenja in b) z izrazito napetostjo tečenja. V diagramu brez izrazite napetosti tečenja prehod iz področja elastičnosti ni izrazit (jasno razločen), zato je dogovorjen prehod pri dogovorni napetosti tečenja Rp0,2. V diagramu z izrazito napetostjo tečenja je prehod izrazit, jasno sta vidni zgornja, ReH, in spodnja, ReL, napetost tečenja. Takšen tip diagrama se pojavlja pri konstrukcijskih jeklih. Razlog za pojav zgornje napetosti tečenja je nakopičenje intersticijskih atomov okoli dislokacij (Cottrellov oblak). Napetost, ki je potrebna za to, da se dislokacija odtrga od oblaka atomov, je večja kot napetost, ki je potrebna za njeno nadaljnje drsenje. Tečenje pri konstantni spodnji napetosti tečenja izvira iz neenakomerne deformacije vzdolž merilne dolžine. Plastična deformacija se začne ob prehodu epruvete v odebeljeni del. Tam se material utrdi, zato se plastično deformira področje ob njem. Plastična deformacija pri konstantni napetosti se nadaljuje vse dotlej, dokler se ne deformira material po celotni merilni dolžini. c) Ugotavljanje skupnega ΔLs, elastičnega ΔLe in plastičnega raztega ΔLp, ko obremenimo preskušanec s silo F.
V obeh primerih se material pri majhnih obremenitvah deformira elastično. To pomeni, da po razbremenitvi razteg izgine. Npr. ko obremenimo epruveto s silo F2, bomo dosegli elastični razteg ΔL2, ki bo po razbremenitvi izginil. Pri zmanjševanju sile se bomo po začetni premici vrnili v izhodišče. Če v izhodišču položimo tangento na natezno krivuljo, ugotovimo, da se do nekega raztega povsem skladata. Do tam velja Hookov zakon in zato lahko izračunamo modul elastičnosti E, tako da na tangenti izberemo dve točki (glej sliko 11.1 b): F2 − F1 S0 σ − σ1 = 2 E= ΔL2 − ΔL1 ε 2 − ε1 L0
(11.6)
Dejanski prehod iz elastičnega v plastično področje je pri obeh krivuljah težko ugotoviti. Ugotovljeno je bilo, da se mikroplastičnost pojavi že pri zelo majhni napetosti, ki je morda le okoli desetina napetosti tečenja. Za ugotovitev dejanskega prehoda potrebujemo zelo natančne merilnike raztezkov, zato je bilo iz praktičnih razlogov dogovorjeno, da je tehniška meja elastičnosti pri ε = 0,01 % trajnega raztezka, kar označimo z Rp0,01. To napetost lahko eksperimentalno ugotovimo tako, da povečujemo silo, dokler po razbremenitvi ne dosežemo zahtevanega raztezka. Rp0,01 je enaka količniku sile z začetnim prečnim prerezom. Alternativna možnost je grafična ugotovitev. Pri tem upoštevamo, da se modul elastičnosti E pri plastični deformaciji ne spremeni, poleg tega pa zanemarimo vse morebitne neelastične pojave. Pri raztezku ε = 0,01 % potegnemo vzporednico s Hookovo premico. Pri presečišču s krivuljo ugotovimo silo F0,01 in izračunamo Rp0,01. V tehniki nas predvsem zanima prehod v področje makroplastičnosti. V diagramu brez izrazite napetosti tečenja ni jasnega prehoda, zato je bilo sklenjeno, da je ta pri dogovorni napetosti tečenja Rp0,2, torej pri napetosti, ki povzroči trajno deformacijo ε = 0,2 % (pri L0 = 100 mm je to pri ΔL = 0,2 mm). Ugotovimo jo na enak način kot Rp0,01, le da v tem primeru eksperimentalno ali grafično ugotovimo F0,2 ter izračunamo Rp0,2 =
F0,2 S0
(11.7)
11. Mehanski preskusi
119
V diagramu z izrazito napetostjo tečenja je prehod v področje makroplastičnosti jasno viden. Najprej sila narašča do največje vrednosti Feh, iz katere izračunamo zgornjo napetost tečenja: FeH S0
ReH =
(11.8)
nato pa nenadoma pade na manjšo vrednost. Ugotovimo najmanjšo silo FeL v področju tečenja, pri čemer zanemarimo prvi minimum neposredno za FeH. Tako je spodnja napetost tečenja ReL: FeL S0
ReL =
(11.9)
Ob nadaljnji deformaciji v področju plastičnosti se kovine utrjujejo. To pomeni, da moramo za povečanje raztega povečati deformacijo, kajti material postaja vedno bolj odporen proti plastični deformaciji. Toda hkrati se prečni prerez zmanjšuje, tako da deluje sila na vedno manjši prerez. Do maksimuma na krivulji je hitrost utrjanja večja kot hitrost zmanjševanja prereza, za maksimumom pa je obratno. Pri maksimumu krivulje ugotovimo največjo silo Fm in izračunamo natezno trdnost Rm: Rm =
F S0
(11.10)
Do maksimuma na krivulji se preskušanec deformira homogeno ali enakomerno. To pomeni, da se ob podaljšanju epruvete prečni prerez enakomerno zmanjšuje po celotni merilni dolžini. Homogena razteznost Ah je definirana kot največji enakomerni trajni raztezek. Kako pa lahko v področju plastičnosti ugotovimo plastični raztezek (slika 11.1 c)? Ko je preskušanec obremenjen, podaja merilnik raztezka skupno deformacijo; to je vsoto elastične in plastične. Zapomniti si je treba, da obremenitev z neko silo vedno povzroči elastično deformacijo. Ko preskušanec razbremenimo, elastična deformacija izgine, medtem ko plastična ostane. Torej če razbremenimo, ko dosežemo maksimum krivulje, merilnik raztezka pokaže homogeno trajno deformacijo ΔLh, iz katere izračunamo homogeno razteznost Ah: Ah =
ΔLh L0
(11.11)
Pri grafični ugotovitvi potegnemo od maksimuma na krivulji vzporednico s Hookovo premico (ker se modul elastičnosti pri plastični deformaciji ni spremenil!) do abscise. Razdalja med izhodiščem in presečiščem je trajni razteg ΔLm. Pri maksimumu nastane na epruveti vrat (zožitev). Deformacija ni več homogena, temveč nehomogena; omejena je le na vrat. Čeprav se material v vratu še vedno utrjuje, sila zaradi hitrega zmanjšanja prečnega prereza pojema. Po določeni zožitvi se epruveta pretrga. Po pretrgu združimo pretrgana dela in navadno s pomičnim merilom izmerimo končno merilno dolžino Lu in izračunamo razteznost ali raztezek ob pretrgu A: A=
Lu − L0 ΔLu = L0 L0
(11.12)
Grafično jo ugotovimo tako, da na koncu natezne krivulje potegnemo vzporednico s Hookovo premico in na abscisi odberemo ΔLu. Oznako A5,65 uporabimo, če je epruveta kratka in sorazmerna. Oznako A5 uporabimo, če ima kratka sorazmerna epruveta krožni prečni prerez. Na mestu pretrga izmerimo na epruveti s krožnim prečnim prerezom najmanjši premer du (slika 11.2 a4), pri preskušancu s pravokotnim prečnim prerezom pa najmanjši dolžini robov au in bu. Iz tega izračunamo kontrakcijo ali zoženost Z:
- 120 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik Z=
S0 − Su S0
(11.13)
Na epruveti s krožnim prečnim prerezom izmerimo najmanjši premer du in enačba (11.13) se spremeni v: ⎛d ⎞ Z =1− ⎜ u ⎟ ⎝ d0 ⎠
2
(11.14)
Pri epruveti s pravokotnim prečnim prerezom, ki je imela začetni stranici a0 in b0, izmerimo najmanjši stranici na mestu preloma au in bu ter dobimo: Z =1−
au bu a0b0
(11.15)
Grobo lahko tudi ocenimo dejansko ali porušitveno napetost v vratu σu =
Fu Su
(11.16)
Ugotovimo, da je ta napetost vselej večja kot natezna trdnost. Natezno trdnost namreč računamo na začetni, porušitveno napetost pa na dejanski prečni prerez. Podatke o trdnostnih lastnostih, ki jih dobimo iz inženirskega diagrama σ - ε, lahko uporabimo neposredno pri konstruiranju, medtem ko nam podatki o primerni razteznosti in kontrakciji zagotavljajo, da se material ob morebitni prekoračitvi dovoljenih napetosti ne bo takoj porušil, temveč bo s plastično deformacijo sprostil napetosti oziroma absorbiral energijo. Po drugi strani diagram dejanska napetost σD ϕ nakazuje obnašanje materiala pri preoblikovanju.
Slika 11.2:
a) Merilna dolžina preskušanca v različnih stopnjah raztegovanja. a1) Začetna merilna dolžina in prerez. a2) Homogena ali enakomerna deformacija. Prečni prerez se po celotni merilni dolžini enakomerno zoži. a3) Nehomogena ali neenakomerna deformacija. Na epruveti nastane vrat, kjer je plastična deformacija močnejša kot drugje. a4) Pretrgan preskušanec. Čašasto-stožčasti lom. Izmerimo najmanjši premer du. b) Primerjava inženirske in dejanske krivulje, ki ju dobimo pri nateznem preskusu. Pri inženirski krivulji smo računali napetost na začetni prečni prerez. Pri dejanskih krivuljah računamo napetost na dejanski prečni prerez. Pri krivulji s kratkimi črtami smo računali raztezek na celotno merilno dolžino, pri krivulji z dolgimi črtami pa smo izračunali raztezek iz najmanjšega prečnega prereza.
Do maksimuma na diagramu σ - ε lahko dejanski prečni prerez izračunamo neposredno iz enačbe (10.20), dejansko napetost pa z enačbo (10.17). Po maksimumu enačbe ne moremo več uporabiti, temveč moramo eksperimentalno meriti najmanjši prečni prerez. Dejanska napetost je v vsaki točki večja kot inženirska. Če računamo raztezek na celotno merilno dolžino, dobimo pikčasto krivuljo na sliki 11.2. Če upoštevamo najmočneje deformirano mesto na vratu, pa črtkano črto. Če bi lahko zadržali homogeno deformacijo vse do porušitve epruvete, bi plastična deformacija dosegla nekaj 100 % ali več. To lahko dosežemo pri superplastičnih materialih, ki so odporni proti nastanku vratu in s tem proti prehodu od homogene k nehomogeni deformaciji!
11. Mehanski preskusi
121
S postopki utrjanja materiala navadno povečamo tako napetost tečenja kot tudi natezno trdnost, toda zmanjšamo razteznost in kontrakcijo. Izjemo predstavlja utrjanje s kristalnimi mejami (utrditev z zmanjšanjem velikosti kristalnih zrn). Z naraščanjem temperature preskušanja se napetost tečenja in trdnost zmanjšujeta, medtem ko se razteznost in preoblikovalnost povečujeta. Poleg tega se zmanjšuje tudi utrjevalni koeficient. Ravno nasprotni učinek ima povečevanje hitrosti deformacije. V čem se razlikujeta diagram brez izrazite napetosti tečenja in diagram z izrazito napetostjo tečenja? Zakaj se v diagramu σ - ε pojavi maksimum na krivulji, v diagramu dejanska napetost - raztezek pa ne? Pojasnite razliko med skupnim, elastičnim in plastičnim raztezkom!
11.2 Udarni preskus Materiali, ki se uporabljajo za gradnjo strojev, prevoznih sredstev..., so pogosto izpostavljeni udarnim obremenitvam, ki povzročijo velike deformacijske hitrosti. Pri tem se trdnostno in lomno obnašanje večine gradiv bistveno spremeni. Mnogi materiali se pri statičnih oziroma počasi naraščajočih obremenitvah prelomijo žilavo, pri udarnih pa krhko. Udarne obremenitve se pričnejo, ko je deformacijska hitrost med 10-1 s–1 in 100 s-1. Pri hitrostih nad 102 s-1 se začnejo skozi snov širiti elastično-plastični napetostni valovi, ki lahko dosežejo tudi hitrost zvoka. Z večanjem hitrosti deformacije se izotermne razmere preskušanja spremenijo v adiabatne†, ker s preoblikovanjem vzorca nastala toplota ne more v tako kratkem času preiti v okolico. Adiabatno segrevanje preskušancev pri kovinskih materialih ima prav nasprotni učinek na napetost tečenja, natezno trdnost in razteznost kot velika hitrost deformacije. Pri udarnih obremenitvah se predvsem zmanjša žilavost materiala, kar se odraža v makroskopsko krhkem lomu – brez opazne plastične deformacije na mestu loma. Poleg povečane hitrosti deformacije povečujeta nagnjenje h krhkemu lomu še nizka temperatura in večosno napetostno stanje. Izredno velik vpliv na pojav krhkega loma ima koncentracija napetosti ob zarezah, zato praviloma izvajamo udarne preskuse na vzorcih z zarezo. Posebej moramo poudariti, da lomna varnost konstrukcijskega elementa ni odvisna le od zunanjih dejavnikov, temveč tudi od stanja materiala (hladno preoblikovan, toplotno obdelan…). 11.2.1 Charpyjev udarni preskus Pri udarnem preskusu merimo delo, ki je potrebno za prelom preskušanca. Za ugotavljanje udarne žilavosti se najpogosteje uporablja udarni preskus po Charpyju. Uporabljamo preskušance z zarezo U ali V, ki so standardizirani po standardu ISO (slika 11.3 a). Preskušanec položimo na podporo, z zarezo obrnjeno stran od udarnega kladiva. Udarno kladivo dvignemo v začetni položaj, navadno je α1 = 160°. Kladivo spustimo. Njegova potencialna energija se spreminja v kinetično. Ko kladivo udari v preskušanec (ravnovesna lega: kot α = 0°), se preskušanec deformira najprej elastično, nato plastično. Pri določenem upogibu preskušanca nastane na natezni strani ob zarezi razpoka, ki napreduje do popolne ločitve obeh delov preskušanca. Kladivo se po prelomu preskušanca dvigne na nasprotno stran do kota α2, ki je tem manjši, čim več energije se je porabilo za lom. Za plastično deformacijo in napredovanje razpoke porabljena energija kladiva se imenuje udarno delo ali udarna žilavost. Udarno delo K izračunamo iz enačbe:
K = m g (h2 − h1 ) = m g L(cos α 2 − cos α1 )
(11.17)
† V adiabatnih razmerah sistem (preskušanec) z okolico ne izmenjuje toplote. Plastično delo se spreminja v toploto, zato se temperatura preskušanca poviša.
- 122 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
kjer je m masa kladiva, g – gravitacijski pospešek, h – višina udarnega kladiva, L – dolžina kladiva (od vrtišča do težišča), α1 in α2 pa sta začetni in končni kot. Rezultat podamo na naslednji način: KU 100/7,5 = 83 J – Za prelom preskušanca z zarezo U in stranico 7,5 mm je kladivo s 100 J je porabilo 83 J energije.
Slika 11.3:
a)
Standardna preskušanca z zarezo U in V po standardu ISO.
b) Temperaturna odvisnost udarnega dela z označenimi prehodnimi temperaturami žilavosti. Temperatura, pri kateri je udarno delo enako povprečnemu, je temperatura prehoda žilavo/krhko T. Pri drugem načinu je temperatura prehoda žilavo/krhko tista, pri kateri je udarno delo enako predpisani vrednosti npr. T27, če je predpisana vrednost 27 J. Prehodno temperaturo lahko ugotovimo tudi na osnovi videza prelomne površine. Temperatura TFATT je temperatura, pri kateri je delež krhkega loma enak 50 % (FATT: Fracture Appearance Transition Temperature). Ugotavljamo lahko tudi temperaturo ničelne žilavosti oziroma duktilnosti TNDT (NDT: Nil Ductility Temperature) in temperaturo popolne žilavosti TFDP (FTP: Fracture Transition Plastic).
11.2.2 Prehodna temperatura žilavosti Za nekatere materiale (npr. za večino jekel) je značilno, da se udarno delo zmanjšuje s nižanjem temperature. Pri takih jeklih je pomembno, da ugotovimo prehodno temperaturo žilavosti, pod katero jekla naj ne bi uporabljali zaradi nevarnosti krhke porušitve. Obstaja več definicij prehodnih temperatur žilavosti (slika 11.3 c). Ena izmed najenostavnejših je določena na osnovi srednje udarne žilavosti.
K=
K max + K min 2
(11.18),
kjer sta Kmax in Kmin največja in najmanjša udarna žilavost. Prehodna temperatura žilavosti je tista, pri kateri je udarna žilavost enaka K . Prehodna temperatura žilavosti je lahko pomemben kriterij pri izbiri materiala, ki se uporablja pri nizkih temperaturah. Če je predvideno, da se bo nek konstrukcijski element uporabljal npr. pri -30 °C, potem mora imeti jeklo, ki bi ga lahko izbrali, prehodno temperaturo žilavosti pod -30 °C. Pri zelo nizkih temperaturah (npr. pri temperaturi tekočega dušika -196 °C) lahko izbiramo le med materiali, ki imajo primerno udarno žilavost tudi v takih razmerah. Navadno so najprimernejše kovine in zlitine s kristalno zgradbo PCK (avstenitna jekla, nikelj in nikljeve zlitine itd). Kateri so razlogi, da izvajamo udarni preskus? Ali je smiselno izvajati udarni preskus pri materialih, ki se pri vseh temperaturah obnašajo krhko?
11.3 Utrujanje materiala Že pred več kot sto leti (Wöhler 1870) so spoznali, da se materiali pri zaporednih izmeničnih obremenitvah porušijo pri napetostih mnogo manjših od natezne trdnosti (Rm). Po podatkih povzročijo izmenične napetosti (utrujanje materiala) 90 % vseh porušitev, ki nastanejo zaradi mehanskih vzrokov. Zato je teoretično in praktično poznavanje procesov med utrujanjem in uporaba tega znanja zelo pomembno pri konstruiranju.
11. Mehanski preskusi
123
Pri utrujanju obremenjujemo material s časovno spreminjajočo se napetostjo. Pri ugotavljanju trajne nihajne trdnosti obremenjujemo material s konstantno napetostno ali konstantno deformacijsko amplitudo (slika 11.4 a). Pri obremenjevanju s konstantno napetostno amplitudo se napetost spreminja običajno skladno s sinusno krivuljo. Tipična parametra sta srednja napetost σm in napetostna amplituda σa. Material se poruši pri manjši napetosti kot pri nateznem preskusu. Čim manjša je amplitudna napetost, tem večje število nihajev zdrži material brez porušitve. To odvisnost prikažemo z Wöhlerjevo krivuljo, pri kateri je na abscisi število nihajev, na ordinati pa napetostna amplituda (slika 11.4 b). Pri jeklih se krivulja asimptotično približuje določeni vrednosti: trajni nihajni trdnosti materiala, ki je precej manjša od natezne trdnosti in tudi napetosti tečenja. Pri neželeznih kovinah takšne »naravne« trajne nihajne trdnosti ni; če hočemo, da zdrži material večje število nihajev, moramo amplitudno napetost primerno zmanjšati. Običajno je dogovorna trajna nihajna trdnost med 107 in 108 nihaji (npr. 3 × 107 nihajev).
Slika 11.4:
a) Različne vrste obremenitev. 1: splošna sinusna obremenitev (σsr – srednja napetost, σa – amplitudna napetost, σsp – spodnja napetost, σzg – zgornja napetost). 2: izmenična napetost (σsr = 0). 3: utripna napetost (σsp = 0 ali σzg = 0). b) Diagram amplitudna napetost σa – število nihajev N pri konstantni srednji napetosti σsr = 0 za neko jeklo in Al-zlitino. To je »Wöhlerjeva krivulja«. c) Smithov diagram. V področju, ki je obdano s polno črto (npr. v točki 1), lahko material zdrži neskončno število nihajev ne da bi se porušil in ne da bi trajna deformacija znašala več kot 0,2 %. V področju, ki je označeno s črtkano črto (npr. točka 2) lahko material zdrži neskončno število nihajev ne da bi se porušil, vendar se lahko pri tem bolj ali manj plastično deformira. Zunaj teh področij (npr. točka 3) se bo material po določenem številu nihajev porušil.
11.3.1 Smithov diagram Slabost Wöhlerjeve krivulje je v tem, da podaja vrednost trajne nihajne trdnosti samo za eno vrednost srednje napetosti. Mnogo bolj uporaben je Smithov diagram (slika 11.4 c). Vrednost od abscise do simetrale, ki poteka pod kotom 45° glede na koordinatni osi, je srednja napetost. Razdalja od simetrale do krivulje je amplitudna napetost σa. Če leži točka znotraj področja med krivuljama, potem material zdrži takšno izmenično napetost neskončno dolgo, če pa zunaj se po določenem času (številu nihajev) poruši. 11.3.2 Utrujenostni lom Utrujenostni lom je v praksi najpogostejši lom zaradi mehanskih obremenitev. Skoraj vedno se prične na površini, prednostno so to mesta, kjer je velik zarezni učinek. Za lom je značilno, da je njegov potek sestavljen iz treh stopenj: ¾ nastanek ali iniciacija razpoke ¾ postopno napredovanje razpoke ¾ nenadni zlom zaradi preobremenitve.
Za utrujenostni lom je značilno, da je celotna deformacija na prelomni površini zelo majhna in da se pogosto pojavi nenadoma brez vnaprejšnjega opozorila. Na ohranjeni prelomni ploskvi so vidne vse te stopnje (slika 11.5). Iz prelomnine je možno ugotoviti vzrok in potek loma. Veda, ki se ukvarja s študijem prelomnin, se imenuje fraktografija.
- 124 -
Slika 11.5:
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Utrujenostni prelom konstrukcijskega elementa. S puščico je označeno mesto, kjer je nastala razpoka. Temu sledi del, v katerem je postopno napredovala. Na koncu se je material trenutno porušil, ko je napetost v preostalem delu presegla njegovo trdnost.
Da bi povečali odpornost materiala proti nastanku in napredovanje razpoke je pomembno, (1) da je površina materiala gladka brez zarez in razpok, (2) da so prehodi iz manjšega v večji prerez postopni, (3) da je delež nekovinskih vključkov majhen, (4) da v površinski plasti delujejo tlačne napetosti in (5) da je površinska plast čim bolj trda in trdna. Na to lahko vplivamo s primernim konstruiranjem in izdelovalnimi postopki, uporabo čistih materialov ter s primerno toplotno obdelavo. Zakaj se materiali pri izmeničnih obremenitvah porušijo pri manjši napetosti, kot je natezna trdnost?
11.4 Lezenje materiala Lezenje je časovno odvisna deformacija. Pojavi se, ko je temperatura višja od 0,4 . Tt (absolutnega tališča kovine – v K), napetosti v materialu pa so manjše od napetosti tečenja pri tisti temperaturi. V takih razmerah se zaradi toplotno aktiviranih procesov, ki potekajo v njem, s časom deformira – trajna deformacija se s časom povečuje, čeprav je obremenjen s konstantno silo (lahko tudi napetostjo). Pri preskusu lezenja (trajnem mirujočem preskusu) dobimo krivuljo lezenja, na kateri je prikazana odvisnost stopnje deformacije preskušanca od trajanja preskusa (slika 11.6 a). Preskus izvajamo pri konstantni temperaturi ter obremenitvi preskušanca. Na njej so običajno tri področja: -
primarno lezenje, hitrost deformacije s časom pojema,
-
sekundarno lezenje, hitrost deformacije se s časom ne spreminja – je konstantna,
-
terciarno lezenje, hitrost deformacije s časom narašča in končno privede do loma preskušanca..
Pri preskusih lezenja ugotavljamo časovno trdnost materiala, ki jo označimo z Rm/T/t. To je napetost, ki pri temperaturi T povzroči porušitev po času t. Časovna napetost tečenja Rpx/T/t je tista, ki pri temperaturi T povzroči trajno deformacijo x odstotkov po času t. Z več preskusi lezenja lahko konstruiramo za prakso pomembnejši diagram napetost – čas, v katerem podamo časovno napetost tečenja (na sliki 11.6 sta to Rp0,2 in Rp0,5) ter časovno trdnost. Če hočemo, da mora material dalj časa zdržati pri neki temperaturi, ne da bi se porušil oziroma ne da bi presegel neke vnaprej dogovorjene deformacije, potem je potrebno zmanjšati napetost, s katero je obremenjen.
11. Mehanski preskusi
Slika 11.6:
125
a) Krivulja lezenja z označenimi področji primarnega I, sekundarnega II in terciarnega III lezenja. b) Diagram časovne napetosti tečenja in časovne trdnosti. Po daljšem času preskušanja povzroči neko deformacijo ali porušitev manjša napetost kot pri krajšem.
11.4.1 Vrste lomov pri lezenju Ko se pri preskusu pojavi na epruveti plastična nestabilnost, se lahko prečni prerez zmanjšuje do točke – popolnoma duktilen (žilav) lom (slika 11.7 a, b). Večinoma, predvsem med 0,4 in 0,7 Tt, se material prelomi, ker na mejah kristalnih zrn, ki so pravokotne na smer delovanja obremenitve, nastanejo mikropore, ki se sčasoma večajo in povzročijo lom (slika 11.7 c, d, e).
Slika 11.7:
(a) pojav plastične nestabilnosti na epruveti (nenadno zoženje epruvete na nekem mestu) in (b) lokalna plastična deformacija povzroči zmanjšanje prečnega prereza na 0. Nastanek mikropor na kristalnih mejah (c), rast por (d) in prelom (e).
Ali je smiselno izvesti preskus lezenja za material, ki se uporablja le pri sobni temperaturi? Ali se tudi monokristal kovine deformira z lezenjem?
11.4.2 Materiali odporni proti lezenju Hitrost difuzijskega lezenja je tem večja, čim drobnejša so kristalna zrna. Če hočemo preprečiti lezenje, moramo povečati velikost kristalnih zrn. Najbolje je, če jih povsem odpravimo. To pomeni, da je del, ki ga uporabljamo monokristal.
Pri dislokacijskem lezenju moramo preprečiti plezanje in prečno drsenje dislokacij. To je mogoče doseči, če je energija napake zloga v kovini čim manjša, tako da so napake zloga zelo široke. Najprimerneje je torej izbrati kovine, ki imajo že čiste zelo majhno energijo napake zloga, ter jih legirati z elementi, ki to energijo še dodatno zmanjšajo. Plezanje dislokacij tudi otežimo, če so v osnovi dispergirani delci (to izkoriščamo pri bakrovih zlitinah, ki so disperzijsko utrjene z oksidi).
11.5 Mehanika loma V materialih so vselej napake (npr. razpoke). Pri tem ni toliko pomembno, da navzočnost razpoke zmanjša prečni prerez, kar sicer nekoliko poveča srednjo napetost v preostalem prerezu. Mnogo pomembneje je, da se ob vrhu razpoke pojavi koncentracija napetosti, ki je mnogo večja, kot je imenska napetost v materialu (to je napetost v materialu brez razpok). Koncentracija napetosti je sorazmerna
- 126 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
velikosti razpoke ter obratno sorazmerna polmeru zaokrožitve njenega vrha (čim bolj ostra je razpoka, tem večja je koncentracija napetosti). Razpoka lahko napreduje, če napetost ob konici razpoke preseže teoretično trdnost materiala, ki je reda velikosti E/10. V materialih, ki se dobro plastično preoblikujejo, lahko vrh razpoke otopi zaradi lokalne plastične deformacije (polmer zaokrožitve se poveča) in koncentracija napetosti se zmanjša. Za nadaljnje napredovanje razpoke moramo zunanjo obremenitev povečati: to je stabilno napredovanje razpoke. Pri krhkih materialih (steklo, keramika) otopitev razpoke ni možna, zato ob napredovanju razpoke obremenitev pojema, kar vodi do nenadnega (katastrofalnega) loma – nestabilno napredovanje razpoke (slika 11.8). Iz tega sledi, da zagotavljajo materiali z velikim odporom proti napredovanju razpok, večjo varnost proti nenadnemu krhkemu lomu.
Slika 11.8:
Napredovanje razpoke. a) Nestabilno napredovanje razpoke. Pri podaljšanju razpoke se sila potrebna za njeno nadaljnje napredovanje zmanjša. b) Stabilno napredovanje razpoke. Za podaljšanje razpoke moramo povečati silo.
Velika razteznost in kontrakcija, ki ju izmerimo pri nateznem preskusu, kakor tudi velika udarna žilavost, ugotovljena s Charpyjevim udarnim preskusom, nakazujejo, da ima material določeno odpornost proti napredovanju razpok, vendar teh parametrov ne moremo neposredno uporabiti pri konstruiranju. Bistven napredek je bil narejen z uvajanjem in razvojem mehanike loma. Bistveno je, da lahko dobimo povezavo med imensko napetostjo v materialu σ0 (sila na nosilni – nezmanjšani - prečni prerez: F/S0), velikostjo razpoke a in faktorjem lomne žilavosti KI: K I = ασ 0 π a
(11.19)
α je geometrijski faktor. Faktor lomne žilavosti (nekateri ga imenujejo tudi faktor intenzitete napetosti) −
3
ima enoto MPa m ali N m 2 . Indeks I pomeni, da je material obremenjen tako, da deluje napetost pravokotno na ploskev razpoke. Material se poruši krhko, če je K I ≥ K IC
(11.20)
kjer je KIC lomna žilavost materiala. Lomno žilavost KIC ugotavljamo pri ravninskem deformacijskem stanju (material se deformira vzdolž ploskve). Lomna žilavost je snovna lastnost vsakega materiala, tako kot npr. gostota ali modul elastičnosti. Lahko jo definiramo kot odpornost materiala proti nestabilnemu napredovanju razpoke. 11.5.1 Ugotavljanje lomne žilavosti KIC Metode mehanike loma lahko uporabimo pri konstruiranju strojnih ali konstrukcijskih elementov, če poznamo lomno žilavost KIC nekega materiala. Zanimivost pri ugotavljanju lomne žilavosti KIC je, da šele po ovrednotenju rezultatov ugotovimo, ali je bil preskus veljaven ali ne.
Pri ugotavljanju KIC moramo zagotoviti ravninsko deformacijsko stanje. To lahko dosežemo, če debelina preskušanca presega kritično vrednost (slika 11.9 a). Obstaja več vrst standardiziranih preskušancev. Značilno zanje je, da najprej naredimo zarezo z mehansko obdelavo, nato pa še najostrejšo možno razpoko z nihajnim preskusom. Nato merimo silo v odvisnosti od odpiranja ustja razpoke ter ugotovimo silo, ki povzroči nestabilno napredovanje razpoke, in začetno dolžino razpoke a iz prelomnine
11. Mehanski preskusi
127
(sliki 11.9 b, c). Iz tega ugotovimo pogojno lomno žilavost. Ko je ta znana, lahko preverimo ali je bilo doseženo ravninsko deformacijsko stanje. Če je bilo, je preskus veljaven in lomna žilavost je enaka pogojni. Lomna žilavost KIC je primerna predvsem za konstruiranje krhkih materialov in visokotrdnostnih kovin, medtem ko je praktično neuporabna pri konstruiranju bolj plastičnih materialov. Pri teh se uspešno uporabljata metoda COD (iz angl. Crack opening displacement) ali J-integral.
Slika 11.9:
a) Pri ugotavljanju lomne žilavosti KIc moramo zagotoviti ravninsko napetostno stanje. To dosežemo, ko debelina preskušanca preseže kritično vrednost B ≥ 2,5( K Ic / R p 02 ) 2 . Torej bi za pravilno ugotovitev debeline
morali že pred preskusom poznati vrednost KIc, ki jo šele ugotavljamo! b) Osnovni tipi krivulj sila P – odprtje ustja razpoke δ. Leva je značilna za duktilne materiale, pri katerih razpoka napreduje stabilno; pri desni razpoka napreduje nestabilno. Skladno s standardom ASTM pri vsakem tipu ugotovimo silo PQ. c) Iz prelomnine ugotovimo začetno velikost razpoke a. Izračunamo pogojno lomno žilavost KQ. Izraz za KQ je za vsako vrsto preskušanca različen (Glej Mehanske lastnosti kovin). Če je B ≥ 2,5( K Q / R p 02 ) 2 , je KIc = KQ, drugače je preskus neveljaven. Zakaj se lomna žilavost lahko uporablja pri konstruiranju, udarna žilavost pa ne?
11.6 Merjenje trdote Trdota je lastnost materiala, ki je definirana na več načinov. Po eni izmed osnovnih definicij je to odpornost materiala proti vdiranju tujega telesa skozi njegovo površino. Za kovine je praviloma primernejša naslednja definicija: »Trdota je odpornost materiala proti lokalni plastični deformaciji«. Merjenje trdote je praktično zelo uporabna metoda, saj z njo ugotavljamo kvaliteto toplotne obdelave, globino cementirane in nitridirane plasti…, vendar na osnovi trdote ne moremo dimenzionirati strojnih oziroma konstrukcijskih elementov. Poleg osnovnih metod merjenja trdote obstaja še cela vrsta drugih (dinamičnih) metod, ki jih tukaj ne bomo obravnavali, so pa opisane v literaturi, ki je podana na koncu poglavja. 11.6.1 Merjenje trdote po Brinellu in Vickersu Merjenje trdote po Brinellu in Vickersu je zelo podobno, zato bomo obe metodi obravnavali skupaj. Za merjenje trdote po Brinellu uporabljamo kot vtiskalno telo kroglico iz karbidne trdine, medtem ko je pri Vickersovi metodi vtiskalno telo štiristrana diamantna piramida z vršnim kotom 136°. Pri obeh metodah s konstantno silo vtiskujemo vtiskalno telo v površino preskušanca in povzročimo lokalno plastično deformacijo materiala. Po razbremenitvi izmerimo premer vtiska (Brinell) oziroma dolžini diagonale (Vickers) ter izračunamo trdoto skladno z ustreznimi izrazi. Z Vickersovo metodo lahko ugotavljamo trdoto poljubnega materiala, medtem ko po Brinellu merimo trdoto materialov do 650 enot.
Trdoto izmerjeno po Vickersu in Brinellu navadno navajamo na naslednji način: 150 HV 30/20 – trdota po Vickersu je 150 enot, uporabljena sila je bila 30 . g (g je gravitacijski pospešek), čas merjenja 20 s. 120 HBW 5/62,5/30 – trdota po Brinellu je 120 enot, uporabljena je bila kroglica iz karbidne trdine s premerom 5 mm. Sila je bila 62,5 . g, čas merjenja pa 30 s.
- 128 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Kovinski materiali se pri hladni deformaciji utrjujejo. Zato je material okoli vtiska trši kot drugod. Zaradi tega morajo biti zaporedni vtiski na primernih medsebojnih razdaljah. Poleg tega se deformira material tudi v globino (v smeri delovanja sile). Za pravilno meritev mora biti debelina preskušanca dovolj velika v primerjavi z globino vtiska. Če je premajhna, opazimo na spodnji strani sledove merjenja. Razmisli, kaj bi lahko storil(a), če bi ugotovil(a), da je pri izbranih merilnih parametrih merjenja debelina pločevine premajhna?
Slika 11.10:
a) Merjenje trdote po Brinellu, b) Merjenje trdote po Vickersu.
Slika 11.11:
Veljavnost meritev po a) Brinellu in b) Vickersu
11.6.2 Merjenje trdote po Rockwellu Merjenje trdote po Rockwellu se od merjenja trdote po Vickersu in Brinellu razlikuje predvsem po tem, da merimo globino vtiska. Kot vtiskalno telo se lahko uporablja diamantni stožec z vršnim kotom 120° ali pa jeklena kaljena kroglica. Obstaja cela vrsta metod merjenja trdote po Rockwellu. Najbolj znani sta HRC (c je začetna črka angleške besede cone, ki pomeni stožec) in HRB (b iz ball – kroglica).
Trdoto merimo na napravi za merjenje trdote po Rockwellu, na kateri odberemo globino vtiska z merilne urice. Postopek poteka takole: Preskušanec obremenimo s predobremenitvijo F0. Merilno urico nastavimo v ničelno lego. Predobremenitvi dodamo glavno obremenitev F1 in pustimo nekaj časa. Nato odstranimo glavno obremenitev F1 in z merilne urice obberemo globino vtiska h. Trdoto po Rockwellovi skali ali lestvici C izračunamo po naslednji enačbi:
HRC = 100 −
h 0,002
(11.21)
za druge metode pa uporabimo podobne izraze. Pri novejših napravah je merjenje skoraj v celoti avtomatizirano.
11. Mehanski preskusi Slika 11.12:
129
Princip merjenja trdote po Rockwellu
Razmisli, zakaj pri metodi po Rockwellu najprej obremenimo vzorec s predobremenitvijo! Zakaj je potrebno, da je material pri ugotavljanju globine vtiska obremenjen z enako silo kot pri predobremenitvi?
11.6.3 Merjenje trdote po Shoreju Merjenje trdote po Shoreju je namenjeno ugotavljanju trdote materialov, ki se le elastično deformirajo. To so kavčuk, elastomeri in druga polimerna gradiva. Po DIN 53505 in ISO 868 sta standardizirani metodi Shore A in Shore D. Pri obeh metodah je vtiskalno telo valjček, katerega vrh je zbrušen v prisekan stožec. Ta je ostrejši pri metodi Shore D. Na preskušanec deluje preko vtiskalne igle sila vzmeti. Vtiskalna igla se ugrezne v preskušanec toliko, da sta v ravnovesju sila vzmeti in sila preskušanca, ki izvira iz njegove elastične deformacije. Pri trših snoveh je ugrez manjši kot pri mehkejših. Trdoto navadno odberemo neposredno z ustrezne lestvice, če pa merimo ugrez h, jo izračunamo iz enačbe:
Shore A (D) = 100 – 40 h
(11.22)
kjer je h globina vtiska. Smiselne vrednosti trdote pri Shore A so v območju med 10 in 90 enot, pri Shore D pa med 30 in 90 enot. Oznaka 75 Shore A - pomeni, da je trdota izmerjena z metodo Shore A, enaka 75 enot. Povzetek Gradiva so med uporabo obremenjena z različnimi vrstami obremenitev, zato ne moremo uporabiti samo ene metode, da bi napovedali njihovo obnašanje. Najpomembnejši preskus je natezni. Z njim lahko ugotovimo elastične lastnosti, napetost tečenja in natezno trdnost, ter veličine, s katerimi lahko ocenimo žilavost gradiv: razteznost in kontrakcijo. Te vrednosti so najpomembnejše, ko je gradivo obremenjeno predvsem s statičnimi obremenitvami oziroma počasi se spreminjajočimi obremenitvami pri nizkih temperaturah. Pri udarnih obremenitvah se gradiva obnašajo bolj krhko kot pri statičnih. Najbolj pogosto uporabljamo Charpyjev udarni preskus, pri katerem merimo udarno delo – delo, ki je potrebno za porušitev preskušanca. Pri gradivih, ki se jim udarna žilavost s temperaturo močno spreminja, ugotavljamo prehodno temperaturo žilavosti. Pod njo se material obnaša krhko, nad njo pa žilavo. Pri izmeničnih obremenitvah se gradivo utruja. Čeprav je delujoča napetost manjša od natezne trdnosti ali celo napetosti tečenja, se lahko gradivo po določenem številu ponovitev poruši. Pri preskusih konstruiramo Wöhlerjevo krivuljo in Smithov diagram. Če je gradivo pri povišanih temperaturah obremenjeno z napetostjo, ki je manjša od napetosti tečenja, se kljub temu deformira s procesom lezenja. Plastično deformacijo povzročajo različni toplotno aktivirani procesi. Na osnovi primernih preskusov lahko skonstruiramo diagrame, s pomočjo katerih lahko napovemo, po kolikšnem času bo plastična deformacija dosegla določeno vrednost, oziroma kdaj se bo gradivo porušilo. Napake v gradivih, predvsem pa razpoke, povzročajo koncentracijo napetosti, ki povzročijo porušitev pri mnogo manjših napetostih, kot bi se porušilo gradivo brez napak. Z ustreznimi preskusi ugotavljamo lomno žilavost, ki je odpornost materiala proti napredovanju razpoke. Trdota je odpornost materiala proti vdiranju tujega telesa skozi njegovo površino. Najpogosteje merimo trdoto kovin po Brinellu (kroglica), Vickersu (diamantna piramida) in Rockwellu (jeklena kroglica ali stožec), medtem ko sta pri polimernih gradivih uveljavljeni metodi Shore A in Shore D.
11.7 Razmisli, odgovori, reši 11.1 11.2 11.3 11.4
Razmislite, zakaj ni dovolj, da bi uporabili samo eno vrsto mehanskih preskusov! Poiščite podobnosti med nateznim preskusom in poskusom lezenja. Ali se modul elastičnosti pri plastični deformaciji spremeni? Kje lahko uporabimo to dejstvo? Zakaj ne moremo pri vseh gradivih ugotavljati napetosti tečenja ReH?
- 130 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9 11.10 11.11 11.12 11.13 11.14 11.15
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Kako lahko z dislokacijsko teorijo pojasniš utrjevanje materiala pri plastični deformaciji? Ali je natezna trdnost večja od porušitvene napetosti? Podrobneje predstavi odgovor! Ali je preskušanec tudi v plastičnem področju nateznega diagrama elastično deformiran? Kaj pomeni pojem prehodna temperatura žilavosti? Ali je vrednost prehodne temperature žilavosti pomembna pri izbiri jekla za uporabo v Sibiriji? Jeklo je precej krhko. Ali bi za preskus udarne žilavosti izbral(a) preskušanec z zarezo U ali V? V čem se razlikujeta preskusa udarne žilavosti in utrujanja? V čem se razlikuje preskus lomne žilavosti od preskusa udarne žilavosti? V čem je razlika med Wöhlerjevo krivuljo in Smithovim diagramom? Kaj pomeni oznaka 300 HBW 5/62,5/30? Kako bi zastavili raziskavo, da bi s čim manj preskusi izdelali Wöhlerjevo krivuljo in Smithov diagram? Na kaj moramo paziti, da bo rezultat merjenja trdote veljaven?
11.8 Dodatna literatura k poglavju 11.1 11.2 11.3 11.4
Dieter, George E.: Mechanical Metallurgy, McGraw-Hill Book Company, London 1988 Glavič, Peter: Gradiva, Maribor : Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, 2001 Kovač, Miran: Gradiva, Zapiski predavanj. Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 2001 Krautov strojniški priročnik. – 13. slovenska izd.., izdajo pripravila Jože Puhar, Jože Stropnik, Ljubljana: Littera picta, 2002 11.5 Marinković, Velibor: Fizikalna metalurgija II, Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehniška fakulteta, Oddelek za materiale in metalurgijo, Ljubljana 1999 11.6 Metalurški priročnik, Tehniška založba Slovenije, Ljubljana 1972 11.7 Paulin, Andrej: Mala slovenska enciklopedija metalurgije in materialov, Rudarsko-metalurški zbornik, Letnik 44, št. 1-2, Ljubljana julij 1997 11.8 Vojvodič Tuma, Jelena: Mehanske lastnosti kovin, Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Ljubljana 2002 11.9 Zupanič, Franc: Gradiva Praktikum. Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo, Maribor 1999 11.10 Zupanič, Franc: Gradiva, Zbirka nalog in tabel, Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo, Maribor, 2004
12 Neporušitvene preiskave Kaj bomo izvedeli? Zakaj so neporušitvene preiskave pomembne? Kako odkrivamo napake z ultrazvokom? Kako odkrivamo napake z rentgenskimi in γ-žarki? Kakšne prednosti ima uporaba nevtronov? Zakaj so nekatere metode predvsem primerne za odkrivanje napak na površini? Equation Section (Next)
12.1 Uvod Z neporušitvenimi preiskavami odkrivamo v gradivu napake, vendar ga pri tem ne uničimo. Če je velikost napak pod kritično velikostjo, ga lahko uporabimo za namen, za katerega je bil izdelan. Neporušitvene preiskave so posebej pomembne v povezavi z metodami mehanike loma. Obstaja celo vrsta metod, s katerimi lahko preiščemo gradivo, ne da bi ga porušili. To so X- in gama-radiografija, ultrazvočne preiskave, nevtronska defektoskopija, itd.
12.2 Preiskava z ultrazvokom Ultrazvok je mehansko valovanje s frekvenco nad 20 kHz, ki ga ljudje ne moremo slišati. Ultrazvok se širi skozi trdne snovi, tekočine in pline. Na meji snovi z različno gostoto se lomi in odbija. Slednje izrabljamo pri ugotavljanju napak v materialu. Skozi snovi se lahko širijo longitudinalni in transverzalni valovi (slika 12.1). Pri iskanju napak je neugodno, če se oboji hkrati, saj nastane zapleten vzorec odbojev. Samo longitudinalni valovi se širijo pri navpičnem vibratorju, medtem ko se pri poševnem širijo samo transverzalni valovi. V vibratorju nastanejo zaradi piezoefekta* ali magnetostrikcije† ultrazvočni valovi. Navadno vibrator deluje impulzno. To pomeni, da odda kratek ultrazvočni signal. Ultrazvok se širi skozi snov, dokler ne naleti na neko napako ali na nasprotno površino, od katere se odbije. Odboj zabeleži vibrator, ki v tem primeru deluje kot detektor. Zaporedje in značilnosti odbojev so odvisni od vrste napak in njihove orientacije (sliki 12.2 in 12.3).
Slika 12.1:
a) Odboj in lom zvočnega valovanja na meji med snovema z različno gostoto. L1: vpadno longitudinalno valovanje, L2 in T2: lomljeno longitudinalno in transverzalno valovanje, L3 in T3: odbito longitudinalno in transverzalno valovanje. b) Pri longitudinalnem valovanju delci nihajo v smeri valovanja. Pojavljajo se zgoščine in razredčine. c) Pri transverzalnem valovanju delci nihajo pravokotno na smer širjenja valovanja.
* Piezoefekt. Ob krčenju in raztezanju nekaterih kristalov se na nasprotnih ploskvah pojavi električni naboj. Z izmeničnim krčenjem in raztezanjem lahko proizvajamo izmenično električno napetost. Velja pa tudi nasprotno; če na nasprotni zunanji ploskvi kristala priključimo izmenično električno napetost, se bo kristal izmenoma krčil in raztezal. Ob dovolj visoki frekvenci izmenične napetosti ustvarjamo ultrazvok. † Nekateri feromagnetni materiali se ob spreminjanju magnetnega polja glede na njegovo smer krčijo ali raztezajo.
- 131 -
- 132 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Slika 12.2:
Preiskava materiala z navpičnim vibratorjem. a) V preskušancu ni napake. Pojavijo se le odboji od spodnje površine. Zaradi izgub so odboji vedno šibkejši. b) V preskušancu je napaka, ki je pravokotna na smer širjenja ultrazvoka. Pojavijo se odboji od napake (vrhovi b in d) ter od spodnje površine (vrhova c in e). c) Napaka je tako velika, da se pojavijo le odboji od nje! d) Napaka je vzporedna širjenju ultrazvoka. Nobenega odboja, zato je ne moremo ugotoviti. e) Napaka leži pod takšnim kotom, da se ves ultrazvok odbije stran od vibratorja. Ne dobimo nobene odboja! Ali lahko iz tega sklepamo, da je v materialu napaka?
Slika 12.3:
Ugotavljanje napak s kotnim vibratorjem: a) neposredni odboj od napake, b) posredni odboj od napake, c) zrcalni odboj.
Ali lahko z ultrazvočno preiskavo odkrijemo vključek nepravilne oblike?
12.3 Preiskava z rentgenskimi žarki in žarki gama Rentgenski žarki in žarki gama so elektromagnetno valovanje s kratko valovno dolžino. Valovna dolžina rentgenskih žarkov je reda velikosti 10-10 m, žarkov gama pa 10-12 m. Rentgenski ali X-žarki nastanejo v rentgenski napravi, ko elektroni pospešeni z napetostjo nekaj 100 kV trčijo v vodno hlajeno ploščo (katodo) iz bakra ali kake druge kovine. Žarki gama nastanejo pri radioaktivnem razpadu nekaterih izotopov (npr. 60Co). Pri obsevanju materiala prehajajo žarki skozi snov, pri tem pa se njihova intenziteta zmanjšuje, ker se v snovi absorbirajo skladno z naslednjo enačbo:
I = I 0 exp (−μρ x) = I 0 exp (−μ x x)
(12.1)
kjer je I0 začetna intenziteta, I intenziteta rentgenskih žarkov pri prehodu skozi debelino x materiala, μ je masni absorpcijski koeficient, μx je linearni absorpcijski koeficient ter ρ je gostota snovi. Masni absorpcijski koeficient narašča z večanjem vrstnega števila elementa. To pomeni, da elementi z velikim vrstnim številom (npr. svinec) mnogo močneje absorbirajo rentgenske žarke in žarke gama kot lažji elementi (npr. aluminij). Poleg tega je absorpcija žarkov s kratko valovno dolžino manjša kot tistih z dolgo. S 60Co, ki ima energijo fotonov 1,17 MeV in 1,33 MeV lahko presevamo jeklo debeline med 40 mm in 160 mm, medtem ko z rentgenskimi žarki, ki imajo energijo med 300 keV in 500 keV lahko presevamo tanjše profile (nekaj 10 mm). Pri preiskavi preskušanec obsevamo z rentgenskimi žarki ali žarki gama. Če je v materialu napaka z manjšim absorpcijskim koeficientom od osnove, bo intenziteta rentgenskih žarkov na drugi strani preskušanca večja in film bo na tistem mestu bolj potemnel. Napako v materialu lahko odkrijemo tem lažje, čim večja je njena velikost in čim večja je razlika v absorpcijskem koeficientu med napako in osnovo. Pomembna je tudi orientacija napake glede na smer obsevanja.
12. Neporušitvene preiskave
Slika 12.4:
133
Preiskava materiala z rentgenskimi žarki. Začetna intenziteta rentgenskih žarkov je I0. Pri prehodu skozi snov oslabijo skladno z absorpcijskim koeficientom snovi (μo, μn: absorpcijska koeficienta osnove in napake). a) Napaka ima večji absorpcijski koeficient kot osnova, zato je intenziteta žarkov na mestu z napako večja. b) Absorpcijska koeficienta osnove in napake sta podobna. Napake ne moremo ugotoviti oziroma jo ugotovimo zelo težko. c) Absorpcijski koeficient napake je manjši kot od osnove. Intenziteta žarkov na mestu z napako je večja. d) Tanka napaka v smeri pravokotno na rentgenske žarke. Razlika v poti na mestu z napako in brez nje je zelo majhna. Zato takšno napako zelo težko odkrijemo. e) Daljša os napake je vzporedna smeri žarkov. Takšna orientacija je zelo ugodna.
Ko negativ osvetljujemo, materialu lunker?
postaja
vedno
bolj
temen.
Kakšen
bo
negativ
na
mestu,
kjer
je
v
12.4 Nevtronska defektoskopija Nevtroni so nevtralni delci, ki lahko zaradi tega potujejo zelo daleč skozi snov, preden oslabijo. Njihova absorpcija ni enostavno povezana z vrstnim številom. Zelo močno jih absorbirata vodik in ogljik. Zato lahko ugotovimo, kje je v materialu vlažnost, ali kje so v nekem sestavu vgrajena tesnila iz gume ali drugih polimernih gradiv.
12.5 Metode za ugotavljanje napak ob površini 12.5.1 Magnetna metoda Magnetne metode uporabljamo za odkrivanje površinskih napak ali napak tik ob površini. Pregledujemo lahko feromagnetne kovine in zlitine, torej praktično le železo in jeklo.
Napake lahko ugotovimo zato, ker se magnetne silnice pri prehodu skozi feromagnetni material razsejejo, če naletijo na področje, ki ima manjšo magnetno permeabilnost. Če je tak predel (napaka) na površini ali pod površino, silnice izstopijo iz površine in na tistem mestu ustvarijo lokalno magnetno polje. Največje razsejanje magnetnih silnic lahko zaznamo, če površino posipamo s feromagnetnim praškom, ki se bo nakopičil okoli napake. V ta namen navadno uporabljamo suspenzijo feromagnetnega praška v olju.
Slika 12.5:
a) Magnetne silnice tečejo neovirano skozi feromagnetno snov. b) Na površini je razpoka. Magnetne silnice se razsejejo in izstopijo iz površine. Na tem mestu je močnejše magnetno polje. c) Napaka je pod površino. Del silnic kljub temu izstopi na površino, zato lahko tudi takšno napako ugotovimo. d) Napaka globlje v materialu. Magnetne silnice se razsejejo, vendar ne izstopijo iz površine. Ali lahko to napako ugotovimo?
- 134 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
12.5.2 Preiskava s tekočino Te preiskave uporabljamo za odkrivanje površinskih napak, predvsem razpok. Bistvo te metode je v tem, da nekatere tekočine prodirajo tudi v zelo ozke, očesu nevidne razpoke v materialu. Če nato površino prevlečemo s snovjo, ki tekočino iz razpoke absorbira, postane razpoka vidna.
Pri preiskavi kos potopimo v petrolej ali polijemo z njim samo površino in počakamo dokler petrolej ne prodre v razpoke. Nato ga obrišemo s krpo in prevlečemo z redko kašo krede v alkoholu ali bencinu. Počakamo da alkohol ali bencin izhlapi. Posušeni kredni prah vsesa ostanke petroleja iz razpok, se obarva in tako nakaže, kje je razpoka (slika 12.6).
Slika 12.6:
a) Tekočina z majhno površinsko napetostjo prodre tudi v najtanjše špranje. b) Tekočino odstranimo, vendar ne tiste v najtanjših špranjah. c) Razvijalo izsesa del tekočine iz špranj in se obarva. To omogoči, da ugotovimo lego napak.
Ali lahko s preiskavo s tekočino odkrijemo napako, ki ne sega do površine? Če ne, podajte možne metode, s katerimi bi to napako lahko odkrili!
Povzetek Z neporušitvenimi preskusi odkrivamo napake v gradivih, vendar jih pri tem ne uničimo. Najpomembnejša je preiskava z ultrazvokom. Napake odkrijemo zato, ker se ultrazvok od njih odbije. Pri preiskavah z rentgenskimi in gama-žarki odkrivamo napake, ki žarke ali manj ali bolj absorbirajo kot osnova. Nevtroni lahko prodrejo globoko v gradivo, predvsem dobro pa se absorbirajo v snoveh, ki vsebujejo vodik in ogljik. Nekatere metode so primerne za odkrivanje napak na površini ali tik pod površino. Pri teh izkoriščamo dejstvo, da so fizikalne lastnosti v bližini napak drugačne kot na mestih brez napak.
12.6 Razmisli, odgovori, reši 12.1
V čem se razlikujeta preiskava z ultrazvokom in z rentgenskimi žarki?
12.2 12.3
Kateri pogoj mora biti izpolnjen, da lahko ugotovimo napako v gradivu pri preiskavi z γ-žarki? Ali lahko z metodo penetracije odkrijemo napako, ki je tik pod površino?
12.7 Dodatna literatura k poglavju 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7
Glavič, Peter: Gradiva, Maribor : Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, 2001 Vojvodič Tuma, Jelena: Mehanske lastnosti kovin, Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Ljubljana 2002 Metalurški priročnik, Tehniška založba Slovenije, Ljubljana 1972 Krautov strojniški priročnik. – 13. slovenska izd., izdajo pripravila Jože Puhar, Jože Stropnik, Ljubljana: Littera picta, 2002 Kovač, Miran: Gradiva, Zapiski predavanj. Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 2001 Paulin, Andrej: Mala slovenska enciklopedija metalurgije in materialov, Rudarsko-metalurški zbornik, Letnik 44, št. 1-2, Ljubljana julij 1997 Werkstoffprüfung (Blumenauer, Horst – urednik), 6. močno predelana in razširjena izdaja, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, Stuttgart, 1994
13 Litje Kaj bomo izvedeli? Zakaj je litje eden izmed pomembnih postopkov oblikovanja kovinskih gradiv? Kakšne težave povzroča dejstvo, da se pri prehodu iz tekočega v trdno stanje zmanjša prostornina? Zakaj so nekatere kovine bolj livne kot druge? Kakšna je razlika med litjem v enkratne in trajne forme? Equation Section (Next)
13.1 Uvod Litje je eden izmed osnovnih postopkov oblikovanja kovinskih gradiv. Kovino stalimo in ulijemo v livno votlino forme, v kateri se strdi in obdrži njeno obliko. V primerjavi z drugimi postopki izdelave imajo lahko ulitki komplicirano obliko, toda manjšo točnost mer in oblike. Eden izmed pomembnih razlogov za slednje je v tem, da se večina snovi tako v tekočem kot v trdnem stanju krči, še posebej velika pa je sprememba prostornine pri prehodu iz tekočega v trdno stanje (slika 13.1). Zaradi tega mere ulitka po strjevanju niso enake meram livne votline. Zaradi neenake debeline sten ulitka so hitrosti ohlajanja različne. To povzroči pojav notranjih napetosti in s tem zveganje ali celo razpokanje ulitka. Zaradi zmanjšanja prostornine pri strjevanju mora v ulitek pritekati sveža talina iz napajalnega sistema, ki mora biti dimenzioniran tako, da se strdi zadnji, kajti drugače nastane v ulitku lunker – to je prazen prostor – ki je livarska napaka. Na možnost nastanka lunkerja močno vpliva način strjevanja. Neugodno je tako strjevanje s hrapavo fronto kot tudi lupinasto strjevanje (slika 13.1). Pri strjevanju s hrapavo fronto nastane večji lunker v ulitku, pri lupinastem strjevanju pa je strjevalna poroznost bolj enakomerno porazdeljena. Najugodnejše je strjevanje z gladko fronto, ki je značilno za čiste kovine in evtektične zlitine. Zato je tudi livnost* teh zlitin največja (slika 13.1). Pri litju nastane lahko cela vrsta livarskih napak. Ena od teh je plinska poroznost. Izvira iz tega, da je topnost plinov v talini večja kot v trdnini. Pri strjevanju se plini izločajo, pri čemer nastanejo plinski mehurčki. Za plinsko poroznost so značilne gladke stene por, medtem ko so pri strjevalni poroznosti te hrapave.
13.2 Delitev postopkov litja Postopke litja lahko razdelimo na več načinov. Ena izmed osnovnih delitev je litje v enkratne in litje v trajne forme. Kot že ime pove, je litje v enkratne forme namenjeno posamičnemu litju, medtem ko je litje v trajne forme namenjeno serijskemu litju. 13.2.1 Litje v enkratne forme Pri litju v enkratne forme se uporabljajo livarski peski, ki so sestavljeni iz kremenovega peska, gline in vode, da so primerno oblikovalni ter da imajo zadostne trdnostne lastnosti. Najbolj značilno je litje v dvodelne peščene forme (slika 13.3 a), kjer s primernim modelom oblikujemo livno votlino v spodnji in zgornji del forme. Notranjo votlino ulitka zagotovimo s primernim jedrom.
Dvodelno formo lahko naredimo tudi s postopkom Croning, pri katerem uporabljamo s smolo oplaščeni pesek. Na ogrevani modelni plošči se smola najprej zmehča in poveže zrnca peska med seboj, nato pa v njej potekajo utrjevalne reakcije, ki utrdijo peščeno masko. Spodnji in zgornji del zlepimo ali kako drugače povežemo med seboj (slika 13.3 b).
*
Livnost je sposobnost taline, da teče, da napolni livno votlino in po strjevanju prevzame njeno obliko.
- 135 -
- 136 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Slika 13.1:
a) Krčenja ulitka pri litju čiste kovine in zlitine. b) Oblika lunkerja v odvisnosti od morfologije strjevanja. b1) gladka fronta, b2) hrapava fronta, b3) kašasta fronta.
Slika 13.2:
Livnost v a) sistemu Fe-Fe3C in b) v hipotetičnem evtektičnem sistemu. Najbolj livne so čiste kovine in evtektične zlitine. c) Topnost vodika v železu in aluminiju pri različnih temperaturah. Pri prehodu v tekoče stanje se topnost skokovito poveča.
Zakaj so stene plinskih por gladke, stene por pri strjevalni poroznosti pa hrapave?
Dvodelne modele pred litjem sestavimo. Stik obeh polovic je le redkokdaj zelo točen. Če je forma na delilni ravnini zamaknjena, nastane na ulitku rob, zaradi česar se njegove dimenzije razlikujejo od načrtovanih. Temu se lahko izognemo z uporabo enodelnih iztaljivih ali izparljivih modelov. Pri prvih model iztalimo pred litjem, pri slednjem pa model izpari med litjem. Opišite razlike med litjem v enodelne in večdelne forme!
13.2.2 Litje v trajne forme Litje v trajne forme je namenjeno serijskemu litju. Pri tlačnem in centrifugalnem litju dobi ulitek končne mere, medtem ko je kontinuirno litje navadno namenjeno litju enostavnih oblik (drogovi, večkotni profili, cevi), ki jih nadalje predelujemo s preoblikovanjem (slika 13.4). Zakaj uporabljamo litje v trajne forme? Kakšni materiali se uporabljajo za forme?
13. Litje
Slika 13.3:
137
a) Izdelava dvodelne peščene forma. a1: načrt ulitka, a2: na spodnji del modela nasujemo pesek in ga utrdimo, a3: spodnji del forme obrnemo, nanj položimo zgornjo polovico modela, nasujemo pesek in ga utrdimo. Izdelamo tudi livni sistem in oddušnika. a4: odstranimo obe polovici modela. a5: na spodnji del modela položimo jedro (da dobimo notranjo votlino ulitka). a6: formo sestavimo, tako da je pripravljena za litje. b) Postopek Croning. b1: Kovinska modelna plošča. b2: Nanjo nasujemo oplaščeni pesek. Smola se zmehča in poveže zrnca med seboj. b3: Modelno ploščo obrnemo, da odstranimo odvečni pesek. b4: Peščeno masko dokončno utrdimo. b5: Odstranimo masko z modelne plošče, b6: Oba dela maske sestavimo. b7: Ulivanje v peščeno masko.
Slika 13.4:
Litje v trajne forme. a) Tlačno litje: Talino pod tlakom potisnemo v trajno formo, ki je izdelana iz orodnega jekla. Po strditvi se orodje razpre, in izvrže ulitek. Orodje se premaže, zapre in v formo se ponovno vbrizga talina. b) Centrifugalno litje. b1: Pravo centrifugalno litje. Rotacijsko simetrična forma se vrti, da dobimo votla rotacijska telesa. b2: Litje pod centrifugalnim tlakom, pri katerem z vrtenjem povečamo livni tlak ter dobimo ulitke s točnimi merami. c) Kontinuirno litje: Talina (a) priteka v vodno hlajeno bakreno kokilo (b), kjer se strdi. Ulitek (g) neprekinjeno vlečemo iz kokile. c1: Litje palice ali profila, c2: Litje cevi.
Povzetek Pri litju tekoča kovina zapolni formo, se v njej strdi ter dobi skoraj dokončno obliko. Najbolj livne so čiste kovine in evtektične zlitine. Pri strjevanju se pri večini snovi prostornina zmanjša, zato lahko v ulitku nastane prazen prostor, ki ga imenujemo lunker. Kvaliteten ulitek dobimo, če uporabimo primeren livni in napajalni sistem. Lijemo lahko v forme za enkratno uporabo, pri večjih serijah ulitkov pa v trajne forme.
- 138 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
13.3 Razmisli, odgovori, reši 13.1
Zakaj se ne pojavi lunker, če se prostornina pri strjevanju poveča? Kaj bi se v tem primeru lahko zgodilo s formo (pomislite na zmrzovanje vode v steklenici)? 13.2 Od kod se lahko kovinske taline navzamejo vodika? Kakšen vpliv ima vodik na lastnosti? 13.3 Kolikšna naj bi bila najmanjša prostornina napajalnika, če se prostornina pri strjevanju zmanjša za 2 cm3? Ali bi se ta najmanjša prostornina napajalnika kaj spremenila, če bi napajalnik ogrevali? 13.4 V čem so prednosti enodelnih form pred dvodelnimi? 13.5 Poišči podobnosti in razlike med litjem v dvodelne peščene forme in litjem po postopku Croning! 13.6 V tem učbeniku in drugi literaturi preverite, katere so najbolj znane livne zlitine! 13.7 Katere teme v tem učbeniku so tesno povezane s tem poglavjem? 13.8 V čem je razlika med centrifugalnim litjem in litjem pod centrifugalnim tlakom? 13.9 Poišči podobnosti in razlike med tlačnim in kontinuirnim litjem! 13.10 S katerimi ulitki se srečaš v vsakdanjem življenju? Ugotovi, iz katerih zlitin so narejeni. Podaj predlog, na kakšen način bi izdelal katerega izmed njih!
13.4 Dodatna literatura k poglavju 13.1 13.2
Kovač, Miran: Gradiva, Zapiski predavanj. Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 2001 Paulin, Andrej: Mala slovenska enciklopedija metalurgije in materialov, Rudarsko-metalurški zbornik, Letnik 44, št. 1-2, Ljubljana julij 1997 13.3 Pelhan, Ciril: Livarstvo, Fakulteta za naravoslovje in tehnologija, Ljubljana 1981 (Najprimernejša literatura za študij tematike tega poglavja!) 13.4 Campbell, John: Castings practice, The 10 rules of castings, Elsevier Butterworth-Heinemann, reprented 2005 13.5 Handbuch der Fertigungstechnik, Band 1 Urformen, urednik Günther Spur, Carl Hanser Verlag München Wien 1981
14 Preoblikovanje Kaj bomo izvedeli? Kaj je naloga preoblikovanja? Ali s preoblikovanjem spreminjamo samo obliko delov ali lahko vplivamo tudi na njihove končne lastnosti? Kakšna je razlika med vročim, toplim in hladnim preoblikovanjem? Kakšne so značilnosti osnovnih preoblikovalnih postopkov? Equation Section (Next)
14.1 Uvod Iz trdnih gradiv lahko izdelujemo uporabne oblike na dva glavna načina: ¾ s preoblikovanjem, pri katerem se ohranita prostornina in masa materiala, medtem ko se snov razporedi iz enega na drugo mesto in ¾ z odrezovanjem ali mehansko obdelavo, pri katerem material odstranimo, da dobi predmet primerno obliko.
Pri preoblikovanju ni samo pomembno, da spremenimo obliko obdelovanca, temveč da s primerno načrtovanim procesom dosežemo ustrezne mehanske lastnosti. Na primer, z vročim valjanjem ali kovanjem lahko odstranimo poroznost v litih bramah ali ingotih ter na ta način povečamo duktilnost in lomno žilavost. Pri nekaterih produktih mehanske lastnosti so odvisne od stopnje deformacije, medtem ko je pri drugih potrebno med procesom natančno nadzirati deformacijo, temperaturo in hitrost deformacije, da dosežemo optimalno mikrostrukturo in lastnosti. Čeprav je bilo razvitih veliko različnih preoblikovalnih procesov, jih lahko razvrstimo le v nekaj osnovnih skupin. Postopki plastičnega preoblikovanja, ki so namenjeni izdelavi enostavnih oblik, kot so pločevina, plošče in različni profili, iz ingotov in bram s standardnimi postopki preoblikovanja, spadajo med primarne postopke plastičnega preoblikovanja (masivno preoblikovanje). Postopki, pri katerih dobi material končno obliko, so sekundarni. Med nje spada večina postopkov preoblikovanja pločevine, vlečenje žice in cevi.
Slika 14.1:
Shema deformacijskega procesa. V deformacijski coni se material preoblikuje. Pri tem se utrjuje, potekajo lahko dinamični procesi mehčanja, lokalno se lahko pojavijo tudi porušitve (tem se je treba izogniti). Obdelovanec je v stiku z elastično deformiranim orodjem. Na stiku med njima se pojavlja trenje, skozi vmesno površino pa poteka tudi prenos toplote.
Deformacijski proces prikazuje slika 14.1. V deformacijski coni je pomembna porazdelitev napetosti, deformacije in deformacijske hitrosti, kakor tudi celoten tlak za izvedbo preoblikovalne operacije. Uporabljene obremenitve morajo zagotoviti prehod materiala v plastično stanje, toda napetosti ne smejo povzročiti lokalnih porušitev. Med procesom se material deformacijsko utrjuje, potekajo pa lahko dinamični procesi mehčanja (dinamična poprava, dinamična rekristalizacija), pojavi se lahko tudi lokalni - 139 -
- 140 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
lom. Napetost tečenja materiala je močno odvisna od stopnje in hitrosti deformacije ter temperature, zato jo je težko simulirati v laboratoriju. Med preoblikovanjem je obdelovanec v stiku z elastično deformiranim orodjem. Trenje na stiku in prenos toplote imata pomembno vlogo, saj vplivata tako na značilnosti površine obdelovanca kakor tudi na trajnost orodja. Glede na temperaturo preoblikovanja ločimo hladno, toplo in vroče preoblikovanje. Hladno preoblikovanje poteka pri sobni temperaturi. Kovine se pri tem hladno utrjujejo. Lahko se lokalno ali v celoti porušijo preden dosežemo načrtovano obliko, zato jih je potrebno med različnimi stopnjami preoblikovanja rekristalizacijsko žariti. Glede na stopnjo deformacije lahko dosežemo različna stanja, ki jih imenujemo mehko, četrt-trdo, pol-trdo, tričetrt-trdo, trdo in vzmetno trdo. Vroče preoblikovanje poteka nad temperaturo rekristalizacije. To pomeni, da so procesi mehčanja tako hitri, da se material ne utrjuje. Zato lahko dosežemo velike stopnje deformacije. Slabost vročega preoblikovanja so slabše tolerance mer, oksidacija obdelovanca, material pa je po preoblikovanju v mehkem stanju. Toplo preoblikovanje na nek način združuje značilnosti vročega in hladnega preoblikovanja. Poteka med sobno temperaturo in temperaturo rekristalizacije. Prednosti pred hladnim preoblikovanjem so manjše število stopenj deformacije, manjše sile in prihranek energije, ker se izognemo vmesnemu žarjenju, pred vročim preoblikovanjem pa v večji natančnosti dimenzij, večji kakovosti površine ter v manjši porabi energije. Kaj se dogaja v preoblikovalni coni? Katere so temeljne podobnosti in razlike med hladnim, toplim in vročim preoblikovanjem?
14.2 Osnovni postopki plastičnega preoblikovanja 14.2.1 Valjanje Valjanje je postopno stiskanje materiala med vrtečimi se valjastimi in koničnimi orodji. Razlikujemo vzdolžno, prečno in poševno valjanje. Pri vzdolžnem valjanju se kovina stiska med dvema valjema, ki se vrtita v nasprotni smeri, valjanec pa se pomika pravokotno na osi valjev. Prečni prerez valjanca se zmanjšuje, medtem ko se njegova dolžina povečuje. Ta način valjanja je najbolj razširjen (slika 14.2 a). Gladki valji za valjanje pravokotnih profilov ali pločevine nimajo posebnega kalibra, valji za valjanje profilov pa ga imajo. Zato je prerez valjanca po celi dolžini enak. Pri valjanju votlih teles se uporabljajo še dodatna orodja npr. trni, vodila in polnila. Pri prečnem valjanju se valja vrtita v isto smer in s trenjem obračata valjanec, ki se deformira vzdolž osi valjev. Ker sta valja rotacijski telesi, lahko valjamo na ta način samo rotacijske oblike z enakim ali različnim premerom po dolžini valjanca. Pri poševnem valjanju stojita osi obeh valjev pod določenim kotom, valja pa se vrtita zopet v isto smer. Valjanec se vrti okrog svoje vzdolžne osi, hkrati pa se aksialno premika. Postopek se uporablja predvsem za izdelavo votlih in polnih profilov (slika 14.2 b).
Slika 14.2:
Dva postopka valjanja pločevine
14. Preoblikovanje
141
14.2.2 Kovanje Ločimo prosto in utopno kovanje (slika 14.3). Prosto kovanje je tlačno preoblikovanje z razmeroma preprostimi orodji, ki v splošnem ne objemajo obdelovanca. Želena oblika izkovka nastaja zaradi neomejenega ali omejenega relativnega gibanja med orodjem in obdelovancem in to pri kladivu (z udarci) ali v stiskalnici (statično stiskanje). Pri utopnem kovanju oblikujemo surovec med dvema polovicama oblikovalnega orodja (utopa), ki se gibljeta druga proti drugi in ki material povsem ali pretežno objameta. Surovec zapolni vdolbino v utopu in dobi njeno obliko. Po kovanju je potrebna največkrat še naknadna obdelava, predvsem obrezovanje ter odrezovanje. Tolerance so znatno manjše kot pri prostem kovanju, zato so potrebni dodatki za naknadno obdelavo manjši. Zaradi dobrih trdnostnih lastnosti se danes vsi najbolj obremenjeni strojni deli npr. osi, ojnice, motorne gredi, zobniki kujejo v glavnem v utopih.
Slika 14.3:
a) Prosto kovanje. b) Utopno kovanje. b1) Začetno stanje. b2) Po udarcu. b3) Izkovek.
Slika 14.4:
a) Istosmerno (direktno) iztiskanje. b) Protitočno (indirektno) iztiskanje.
Pojasnite razlike med valjanjem, kovanjem in iztiskanjem!
14.2.3 Iztiskanje ali ekstruzija Iztiskanje je premočrtno tlačno preoblikovanje, pri katerem iztisnemo surovec deloma ali povsem skozi predvideno odprtino v matrici, kjer se njegov prerez (in oblika) zmanjšuje. Na sliki 14.4 sta prikazana istosmerno in nasprotnosmerno iztiskanje, ki jo imenujemo tudi direktno in indirektno iztiskanje. 14.2.4 Vlečenje žice in profilov Valjane ali iztisnjene polizdelke (žico, palice, cevi) preoblikujemo pogosto še naprej, tako da jih hladno vlečemo skozi vlečno orodje z ustrezno profilirano odprtino. S tem lahko spremenimo mere in obliko prereza vlečencev ter dosežemo bolj gladke površine, večjo natančnost in ožje tolerance mer. Postopke vlečenja ločimo po tem, ali vlečemo začetni profil skozi mirujočo vlečno matrico tako imenovano votlico, ali skozi kaliber, ki ga tvorita dva ali več vrtljivih valjev. Prvi način označujemo kot drsni, drugega kot kotalni vlek.
- 142 -
Slika 14.5:
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Prikaz vlečenja
Globoki vlek je natezno-tlačno preoblikovanje ravnih tankih surovcev (plošče, izrezanci, folije, trakovi) v votla telesa ali preoblikovanje že obstoječih votlih polizdelkov v podobne oblike z manjšim obsegom brez namernega spreminjana prvotne debeline začetnega materiala. Izdelujemo posodo, lonce, pokrove, škatle ipd. Postopek poteka tako, da raven kos pločevine z vlečnim pestičem (patrico) potiskamo skozi ustrezno odprtino v vlečni matrici. Medtem ko drsi pločevina prek vlečnega robu matrice v obročasto odprtino med pestičem in matrico, se vzdolž vlečenega robu matrice krivi navzdol, na robu pestiča pa se upogiba navzgor. Ker je obseg začetne oblike znatno večji od obsega vlečenca, se njegov obseg med vlečenjem nenehno zmanjšuje, dokler povsem ne izgine. Tako dobimo gladko votlo telo z ravnimi stenami. Če proces vlečenja pred tem prekinemo, ostane na vrhu prirobnica z določeno širino. 14.2.5 Natezno preoblikovanje Pri nateznem preoblikovanju prevladujejo v preoblikovalni coni obdelovanca natezne napetosti. Ločimo natezanje, izbočevanje in razširjanje. Podrobneje si oglejmo izbočevanje. S tem postopkom izdelujemo vbokline ali izbokline na ravnih ali lupinastih pločevinastih izdelkih. Pri tem se površina obdelovanca povečuje izključno na račun debeline pločevine. Potrebne spremembe oblike lahko dosežemo s togimi ali elastičnimi orodji oziroma z ustreznim medijem. Pogosto na pločevino pritiskamo s togim oblikovalnim pestičem (patrico) pravokotno na površino. Pločevino, ki je na robovih trdno vpeta, obremenimo nad napetost tečenja, tako da se lahko prilagodi oblikam patrice. Postopek je zaradi cenenih in preprostih orodij (patrica je lahko lesena) primeren za majhne serije. Za razliko od globokega vlečenja se pri izbočenju pločevina po obodu ne more krčiti, tako da v preoblikovalni coni ni tlačnih napetosti. Pločevina se zaradi tega samo razteza, hkrati pa se zmanjšuje njena debelina.
Slika 14.6:
Oblikovanje pločevine z a) globokim vlekom in b) izbočevanjem.
Poiščite razlike in podobnosti med globokim vlekom in izbočevanjem!
14. Preoblikovanje
143
Povzetek Preoblikovanje je postopek, pri katerem spremenimo obliko dela brez odvzemanja materiala. S preoblikovanjem lahko dosežemo tudi spremembo lastnosti. Z različnimi postopki preoblikovanja lahko izdelamo dele najrazličnejših oblik.
14.3 Razmisli, odgovori, reši 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5
Zakaj je pri preoblikovanju pomembna deformacijska cona? Kakšno vlogo imajo dislokacije pri preoblikovanju kovin? Zakaj se kovine pri hladnem preoblikovanju utrjujejo? Ali je to zaželeno ali ne? Opišite in pojasnite razlike med hladnim, toplim in vročim preoblikovanjem! Jeklena žica je bila vlečena skozi zaporednje matric z vedno manjšim premerom. Pri vleku skozi določeno matrico se je žica vedno pretrgala. Predlagaj ustrezen ukrep, da bo možno doseči načrtovan premer žice! 14.6 Poišči poglavje v učbeniku, v katerem je opisana rekristalizacija in ga preberite! 14.7 V čem je razlika med prostim in utopnim kovanjem? 14.8 Opišite razliko med istosmernim in nasprotnosmernim iztiskanjem. Poiščite predmete v vsakdanjem življenju, ki so bili izdelani z iztiskanjem. Ugotovite tudi, iz katerih gradiv so izdelani. 14.9 Razmisli, zakaj je pri globokem vlečenju potrebna pritisna plošča! 14.10 Na kakšen način je izdelana kuhinjska posoda? 14.11 S katerimi izdelki, ki so narejeni s preoblikovanjem, se srečaš v vsakdanjem življenju? Ugotovi, iz katerih zlitin so narejeni. Podaj predlog, na kakšen način bi izdelal katerega izmed njih!
14.4 Dodatna literatura k poglavju 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6 14.7
Dieter, George E.: Mechanical Metallurgy, McGraw-Hill Book Company, London 1988 Gologranc, Franc: Uvod v preoblikovanje, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 1978 Kovač, Miran: Gradiva, Zapiski predavanj. Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 2001 Metalurški priročnik, Tehniška založba Slovenije, Ljubljana 1972 Soković, Mirko; Kampuš, Zlatko: Mehanska tehnologija, 1. zvezek, Računske vaje iz preoblikovanja, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 1990 Lange, K (urednik): Umformtechnik, Handbuch für Industrie und Wissenschaft, Springer-Verlag, 1984 Paulin, Andrej: Mala slovenska enciklopedija metalurgije in materialov, Rudarsko-metalurški zbornik, Letnik 44, št. 1-2, Ljubljana julij 1997
15 Izdelava gradiv iz prahov Kaj bomo izvedeli? Zakaj izdelujemo gradiva iz prahov? Kako izdelamo prahove? Na kakšen način lahko prahove stiskamo? Zakaj moramo prahove sintrati? Ali lahko odpravimo poroznost? Zakaj obdelujemo dele tudi po sintranju?
Equation Section (Next)
15.1 Uvod Metalurgija prahov se uporablja za izdelavo širokega kroga najrazličnejših konstrukcijskih elementov, samomazalnih ležajev in rezalnih orodij iz kovinskih materialov. Iz prahov izdelujemo tudi praktično vso tehnično keramiko. Gradiva izdelana iz prahov imajo ali boljše lastnosti, kot enaka gradiva izdelana na drugačen način, ali pa so cenejša. Poleg tega lahko izdelamo nekatera gradiva, ki jih na drugačen način sploh ni mogoče. Izdelava delov iz prahov vključuje stiskanje prahov, pri katerem nastane surovi stisnjenec (tudi zeleni stiskanec), ki ima zadostno trdnost, da ga lahko dvigujemo in prenašamo (z njim rokujemo, manipuliramo). Nato ga segrejemo, navadno v varovalni atmosferi, na temperaturo pod tališčem glavne sestavine. Pri tem se posamezni delci združijo in zavarijo ter s tem pridobijo zadostno trdnost za uporabo. Ta del izdelave, ko material segrevamo, imenujemo sintranje. Ker je sintranje bistveni del izdelavnega postopka, dele narejene iz prahov pogosto imenujemo sintrani deli. Izdelamo lahko tudi dele, ki dobijo končno obliko z gnetenjem.
15.2 Izdelava prahov • • • • •
Kovine lahko izdelamo v obliki prahov na različne načine. Z: izločanjem iz raztopine kovinskih soli toplotnim razkrojem kemične spojine redukcijo iz spojine (navadno oksida) v trdnem stanju elektroliznim izločanjem (izločanje pod vplivom električnega toka) atomizacijo (razprševanje) taline. Podrobneje si oglejmo redukcijo v trdnem stanju in atomizacijo taline.
15.2.1 Redukcija v trdnem stanju To je bila najdlje najpogosteje uporabljena metoda za izdelavo železovega prahu. Izbrana ruda se zdrobi, pomeša z ogljikom in potuje skozi kontinuirno peč, kjer poteka reakcija, pri katerih nastane železova goba, ki jo nato zdrobimo, odstranimo nekovinski material in presejemo. Ker postopek ne vključuje nobene rafinacije (očiščenja), je čistoča prahu zelo odvisna od čistoče surovin. Nepravilni gobasti delci so majhni, dobro stisljivi, tako da dobimo stisnjence z dobro zeleno trdnostjo. V ognju obstojne kovine navadno reduciramo z vodikom, prav tako pa tudi baker. 15.2.2 Atomizacija (razprševanje taline) Pri tem procesu tekočo kovino razpršimo v drobne kapljice in jih hitro strdimo, preden se zaletijo druga v drugo ali zadenejo ob trdno površino. Osnova te metode je, da tanek curek taline razbijemo z močnim prečnim curkom plina ali tekočine. Zrak, dušik, in argon so najpogosteje uporabljeni plini, voda pa je najpogostejša tekočina.
S spreminjanjem številnih parametrov: oblika, velikost in število šob, tlak in pretok fluida, premer curka taline, lahko nadziramo velikostno porazdelitev prašnih delcev v širokih mejah. Obliko delcev - 144 -
15. Izdelava gradiv iz prahov
145
pretežno določa hitrost strjevanja in se spreminja od okrogle, ko uporabimo plin z majhno toplotno kapaciteto, do zelo nepravilne, če uporabimo vodo. To metodo lahko uporabimo pri vseh kovinskih gradivih, ki jih lahko stalimo. Komercialno se uporablja za izdelavo prahov železa, bakra, orodnih jekel, legiranih jekel, brona, medi in nizkotaljivih kovin, kot so aluminij, kositer, svinec, cink, kadmij. Kovinska gradiva, ki so nagnjena k oksidaciji (npr. zlitine, ki vsebujejo krom), atomiziramo z inertnim plinom, predvsem z argonom. Obstaja še več postopkov, ki se vedno bolj uporabljajo, eden izmed njih je centrifugalna atomizacija. Atomizacija je posebej uporabna za izdelavo zlitin v obliki prahov, kajti zlitinski elementi so v tekočem stanju povsem pomešani med seboj. Tako ima vsak delec enako kemično sestavo. S tem postopkom lahko izdelamo tudi zlitino Cu-Pb, ker se Cu in Pb v tekočem tudi delno mešata, pri strjevanju pa se svinec izloči iz taline. Pri normalnem strjevanju zlitine nastanejo močne svinčeve izceje, po atomizaciji pa vsebuje končni produkt drobne in enakomerno porazdeljene delčke svinca v vsakem prašnem delcu.
15.3 Značilnosti prahov Nadaljnje obdelave in končne lastnosti sintranih delov (sinter: produkt sintranja) so zelo odvisne od značilnosti prahov, kot so srednja velikost delcev, porazdelitev velikosti (zrnavost), oblika delcev, mikrostruktura delcev in stanje površine. Zelo pomemben parameter je nasipna gostota; to je masa deljena s prostornino nasutega prahu. Navidezna gostota je odvisna od oblike delcev in njihove poroznosti. Izbira značilnosti prahu je navadno stvar kompromisa, kajti vplivni dejavniki imajo pogosto povsem nasprotujoč si učinek. S povečanjem nepravilnosti oblike in poroznosti (manjša navidezna gostota) se poveča zmanjšanje prostornine pri stiskanju in s tem število in trdnost hladnih zvarov. Iz tega izhajata večja zelena gostota in trdnost ter zaradi večje kontaktne površine tudi hitrejše sintranje. Toda doseganje večje zelene gostote prahu z majhno navidezno gostoto je povezano z večjimi tlaki, kar zahteva trdnejšo in dražjo formo.
15.4 Izdelava sintranih delov Potek izdelava prahov je prikazan na sliki 15.1. Prahovi komponent se pomešajo skupaj z mazivom, dokler ne dosežemo homogene mešanice. Mešanico vsujemo v formo, kjer jo s stiskanjem zgostimo. Zatem se stisnjenec sintra. Izjema je izdelava filtrov iz kroglastega prahu brona, ki ga ne stiskamo, temveč le vsujemo v primerno oblikovano formo, kjer se sintra: to je sintranje nasutega prahu (angl. loose powder sintering). 15.4.1 Mešanje Cilj mešanja je zagotoviti homogeno mešanico in primešati mazivo. Najpogostejša maziva so stearinska kislina, stearin, kovinski stearati, predvsem cinkov stearat, in druga organska maziva na osnovi voska. Glavna naloga maziva je zmanjšati trenje med prahom in površino orodja – stenami forme ter stiskalnimi bati, vzdolž katerih drsi prah med stiskanjem. To pripomore k doseganju želene enakomernosti gostote od vrha do dna stisnjenca. Enako pomembno je tudi, da zmanjšanje trenja olajša izmetavanje stisnjenca in minimizira možnost tvorbe razpok. 15.4.2 Stiskanje Pomešane prahove stisnemo v togi formi, ki je narejena iz jekla ali iz karbidne trdine (slika 15.2). Tlaki so navadno med 150 MPa in 190 MPa. Na tej stopnji stisnjenec obdrži svojo obliko zato, ker se delci prahu hladno zavarijo. Stisnjenec mora biti dovolj trden, da vzdrži izmetavanje iz forme in nadaljnje transportiranje pred sintranjem. Stiskanje je kritična operacija celotnega procesa, saj so končna oblika in mehanske lastnosti v največji meri odvisne od stopnje in enakomernosti gostote po stiskanju. Prahovi pod tlakom se ne obnašajo kot tekočine, saj se tlak ne prenaša enakomerno, poleg tega pa je tok prahu v prečni smeri minimalen. Zato je doseganje primerne gostote predvsem odvisno od konstrukcije forme. Uporabljeni tlak in gostota se zmanjšujeta z dolžino stisnjenca. Stiskanje z obeh strani izenači
- 146 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
porazdelitev tlaka, toda v sredini dela ostane področje z manjšo gostoto. Zato ni priporočljivo, da bi razmerje dolžina : širina preseglo 3 : 1. Poleg tega utori v orodju, prečne luknje in obratna koničnost niso možni, ker stisnjenca ni mogoče odstraniti iz orodja. Obstaja še cela vrsta postopkov stiskanja, ki pa jih ne bomo podrobneje obravnavali. Tukaj bomo našteli samo nekatere: vroče stiskanje (stiskanje pod tlakom), hladno izostatsko stiskanje, vroče izostatsko stiskanje, sinter - HIP (sintranje in vroče izostatsko stiskanje v isti posodi), vbrizgovalno oblikovanje prahov (angl. metal injection moulding).
Slika 15.1:
Prikaz postopkov izdelave gradiv iz prahov.
Slika 15.2:
Postopek hladnega stiskanja prahov.
15.5 Sintranje Sintranje je proces zgostitve in mehanske utrditve, pri katerem preide porozni material (zeleni oblikovanec) iz drobnodisperznega prašnatega stanja, ki ima gostoto med 40 % in 75 % teoretične gostote začetne snovi, pod vplivom toplote v trdno telo z bistveno manjšo specifično površino (slika 15.3). Definicija po ISO pravi: » Toplotna obdelava prahu ali stisnjenca pri temperaturi pod tališčem glavne
15. Izdelava gradiv iz prahov
147
sestavine z namenom povečanja njegove trdnosti s povezovanjem delcev.« Temperatura, pri kateri poteka proces, je torej nižja od temperature tališča materiala, tako da izdelek ohrani obliko, ki jo je imel pred sintranjem. Pri tej temperaturi običajno tudi ne sme potekati kaka kemična reakcija. Pri sintranju želimo doseči: • čim večjo gostoto materiala, • zgostitev pri čim nižji temperaturi, • ustrezno mikrostrukturo. Glede na potek procesa, lahko razdelimo sintranje na: • sintranje v trdnem stanju, • sintranje pod tlakom, • sintranje s tekočo fazo. Pri sintranju poteka difuzija, s katero se zvarjena mesta nastala pri stiskanju povečujejo, poroznost pa izginja, dokler v celoti ne izgine. Sledita lahko rekristalizacija in rast zrn, preostale pore pa postanejo zaokrožene in celotna poroznost se začne zmanjševati. Sintranje je potrebno izvajati v varovalni atmosferi zaradi velike površine delcev, pri temperaturah med 60 % in 90 % tališča kovine oziroma zlitine. Za mešanice prahov je lahko temperatura sintranja nad tališčem nizkotaljive sestavine (Cu-Sn, Fe-Cu, WCCo), tako da sintranje poteka v navzočnosti tekoče faze. Bistveno je, da je delež tekoče faze omejen, da se ohrani oblika dela.
Slika 15.3:
Spreminjanje izbranih lastnosti v odvisnosti od temperature sintranja
15.5.1 Spremembe mer med sintranjem Pri sintranju se povečuje trdnost ob tem, da se delci zavarijo z difuzijo. Navadno se s stopnjo sintranja povečuje gostota, kar še dodatno poveča trdnostne lastnosti (slika 15.3). Povečanje gostote pomeni tudi splošno krčenje, ki lahko povzroči zaplete. Toda med sintranjem se lahko prostornina tudi poveča. Razlog za to so lahko številni dejavniki:
a) ujeti plini v stisnjencu b) vodna para, ki nastane v stisnjencu pri redukciji oksidov c) razkroj veziva. Hitro segrevanje in velika zelena gostota ojačita vse te pojave in ne vodita k celotni rasti, temveč tudi k pojavu mehurjavosti in zveganju. Takšnemu obnašanju se moramo izogniti. Drugi razlog izvira iz mešanice prahov različnih elementov. Izrazit primer je železo, ki vsebuje baker, ali baker, ki vsebuje kositer (bron). V vseh primerih natančen mehanizem še ni pojasnjen, toda privzamemo lahko, da je to difuzijski pojav. Rast je izrazita nad tališčem komponent z nizkim tališčem, ki jo ojači še velika hitrost segrevanja. V nadzorovanih razmerah je možno zagotoviti ponovljive spremembe mer. Te spremembe je potrebno že upoštevati pri načrtovanju in izdelavi orodij, toda v vedno večjem številu primerov je mogoče voditi proces tako, da sprememb mer ni! Poudariti je treba, da na spremembe mer močno vplivajo gostota stisnjenca, čim manjša je, večja je težnja h krčenju. To je eden izmed razlogov, zakaj je enakomernost gostote stisnjencev tako pomembna.
- 148 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
15.5.2 Gonilna sila sintranja Kovinski prahovi imajo veliko površino, katere precejšen del pri sintranju izgine zaradi spajanja delcev na stični površini. Ker so mejne površine področja z večjo energijo kot notranjost kristala, velja, da ima material v stanju z večjim deležem mejnih površin tudi večjo energijo. Torej imajo zeleni oblikovanci pred sintranjem večjo energijo kot material po sintranju. Ker vemo, da vsak sistem želi preiti v stanje z najmanjšo prosto energijo, lahko imamo težnjo po zmanjšanju površin za gonilno silo sintranja, saj s tem preide oblikovanec v termodinamsko stabilnejše stanje z manjšo energijo.
Slika 15.4:
Prenos atomov iz mejnega področja med zrni na prosto površino pore z difuzijo po mejah (1) ali s prostorninsko difuzijo (2) (a), in drobnozrnata mikrostruktura v področju stikov (b).
15.5.3 Model sintranja Shematično si lahko prašne delce, ki jih sintramo, predstavljamo kot toge kroglice, ki se stikajo v točkah. Med njimi se nahajajo pore, katerih mejne površine so proste površine kroglic (slika 15.4). Proces sintranja takšnih delcev lahko razdelimo na štiri stopnje:
1. nastanek grl, 2. debeljenje grl in naraščanje stične površine; pore se zaoblijo, nastopi krčenje, 3. krčenje por in rast zrn, 4. zaprte pore se združujejo in počasi izginjajo na površino; zrna intenzivno rastejo. Prostornina por med prašnimi delci se med sintranjem zmanjšuje. Površinska napetost mejnih površin por skuša te pore stisniti. V atomskem merilu se to zgodi s prenosom snovi z meje med delci (iz stičnih površin) na mesta notranje površine por (na proste površine kroglic). Na ta način se centra dveh zrn približujeta, pora postaja vse manjša, površina stika med zrni pa se veča – skrček materiala (slika 15.5). Procese sintranja spremljamo v določenih razmerah na laboratorijskih vzorcih z dilatometrskimi meritvami ali z opazovanjem v visokotemperaturnem mikroskopu. Merimo skrček v odvisnosti od časa izotermnega sintranja oziroma spreminjanje gostote od časa ali temperature sintranja. Krivulje izotermnega sintranja pri različnih temperaturah kažejo, da dosežemo večjo gostoto veliko lažje pri višji temperaturi sintranja kot pa po daljšem času. Ker je potek zgoščevanja odvisen tudi od hitrosti segrevanja, spremljamo proces sintranja pogosto že med segrevanjem. Tako dobimo popolno krivuljo sintranja (slika 15.6), ki je sestavljena iz dilatometrske krivulje med segrevanjem in dilatometrske krivulje med izotermnim sintranjem. Na takšni popolni krivulji sintranja lahko ocenimo temperaturo začetka zgoščevanja in tudi hitrost zgoščevanja ( d Δ l ⋅ 1 ). Vzorce segrevamo pri takšnih poskusih s konstantno hitrostjo segrevanja. Do začetka
l
dt
sintranja se dimenzija vzorca povečuje zaradi temperaturne razteznosti. Ko dosežemo temperaturo sintranja, poteče zgoščevanje zelo hitro, tako da dosežemo že v zelo kratkem času skoraj končno gostoto.
15. Izdelava gradiv iz prahov
149
Slika 15.5:
Skrček pri sintranju dveh kroglic (a) in vpliv velikosti prašnih delcev volframa na skrček pri sintranju pri Tsin = 1800 °C in t = 5 h.
Slika 15.6:
Dilatometrska krivulja sintranja.
Med sintranjem rastejo tudi kristalna zrna. Gonilna sila procesa je površinska napetost. Z večanjem kristalnih zrn se namreč zmanjšuje površina kristalnih mej. Na rast zrn med sintranjem vplivata tudi poroznost in vključki. Pora ali vključek na meji zadržita rast zrn. Pora na meji zrna se lahko z mejo tudi pomika – meja vleče poro in zrno raste počasneje. Meja pa lahko oviro tudi preskoči (pri povišanih temperaturah) in rast zrn je znova hitrejša.
15.6 Operacije po sintranju Sintranju navadno sledi še več operacij, kot so: ponovno stiskanje, vroče ponovno stiskanje, Vroče izostatsko stiskanje, kovanje, infiltracija, impregnacija, toplotna obdelava, utrjanje površine, obdelava s paro, galvaniziranje, nanašanje prevlek, mehanska obdelava ipd. Povzetek Številnim znanim gradivom lahko bistveno izboljšamo lastnosti ali pa jih izdelamo ceneje, če jih izdelamo iz prahov. Izdelamo lahko tudi gradiva, ki jih na drugačen način ni mogoče.
- 150 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Prahove lahko izdelamo na različne načine. Nato jih mešamo z mazivi, da zmanjšamo trenje pri stiskanju, in po potrebi s prahovi drugih snovi. Pri stiskanju se prahovi zgostijo in pridobijo dovolj trdnosti, da jih lahko prenašamo. Pri sintranju, ki navadno poteka v varovalni atmosferi, se delci prahov trdno povežejo med seboj. Na lastnosti delov po sintranju močno vpliva delež poroznosti in velikost kristalnih zrn.
15.7 Razmisli, odgovori, reši 15.1 15.2 15.3
Zakaj izdelujemo materiale iz prahov? Primerjaj izdeLavo prahov z redukcijo v trdnem in z atomizacijo taline! Utemelji podobnosti in razlike! Ali ima začetna oblika prahov sploh kakšen vpliv na končne lastnosti sintranega dela? Če ima, utemelji razloge! 15.4 Zakaj prahovom primešavamo maziva? 15.5 Zakaj je pomembno, da pri stiskanju prahov razmerje višina proti širini ni preveliko? 15.6 Predlagaj metodo, s katero bi lahko dobili enakomerno gostoto po celotni prostornini stisnjenca! 15.7 Kaj je gonilna sila za sintranje? 15.8 Kako se spremenijo lastnosti pri sintranju? 15.9 Na kaj vpliva izbira pravilne temperature sintranja? 15.10 Zakaj je potrebna po sintranju dodatna obdelava delov? 15.11 S katerimi izdelki, ki so narejeni s preoblikovanjem, se srečaš v vsakdanjem življenju? Ugotovi, iz katerih zlitin so narejeni. Podaj predlog, na kakšen način bi izdelal katerega izmed njih!
15.8 Dodatna literatura k temu poglavju 15.1 15.2 15.3 15.4
Spur, Günther (urednik): Handbuch der Fertigungstechnik, Band 1 Urformen, Carl Hanser Verlag München Wien 1981 Introduction to powder metallurgy, European Powder Metallurgy Association, (EPMA), reprinted 1998, ISBN 1 899072 07 1 Paulin, Andrej: Kovinarstvo, Ljubljana 1989 (o eksplozivnosti prahov) Paulin, Andrej: Mala slovenska enciklopedija metalurgije in materialov, Rudarsko-metalurški zbornik, Letnik 44, št. 1-2, Ljubljana julij 1997
16 Obdelava površin Kaj bomo izvedeli? Kaj dosežemo z nanašanjem prevlek na površine gradiv in modificiranjem površin? Kakšne so značilnosti fizikalnega in kemijskega naparjanja? Kako nanašamo z obstreljevanjem z delci? Kako spremenimo površino gradiv, če jih obdelujemo z ionskimi curki in laserskimi žarki? Equation Section (Next)
16.1 Nanašanje prevlek in modifikacija površin Novi postopki nanašanja prevlek ali spreminjanja (modifikacije) površin materialov (z naparjanjem ali obstreljevanjem s curki delcev ali žarkov) omogočajo natančno usmeritev na točno določene dele površine in veliko energijsko učinkovitost. Na ta način lahko natančno nadzorujemo kemijske sestavo in fizikalno zgradbo površin. Obdelujemo lahko številne materiale, ki jih s klasičnimi postopki nismo mogli. Velikost kristalnih zrn in stopnjo kristalne urejenosti lahko spreminjamo v širokih mejah in tako dosežemo številne koristne spremembe lastnosti. Pri novih tehnikah ni potrebna naključna difuzija atomov, tako da so temperature lahko relativno nizke, časi obdelave pa kratki. Narava postopkov je takšna, da se lahko pogosto izognemo termodinamskim omejitvam pri legiranju, dobimo lahko nenavadne trdne raztopine in nove vrste metastabilnih faz. Metod za nanašanje prevlek in spreminjanje površine je zelo veliko. Razdelimo jih lahko v štiri glavne skupine: a) Prevleke tvorijo atomi ali ioni. b) Prevleke nastanejo iz kapljic kovine ali drobnih delcev. c) Prevleke nastanejo z barvanjem, potapljanjem v talino, navarjanjem… d) Površino spreminjamo s kemijskimi, fizikalnimi in mehanskimi sredstvi ter z obstreljevanjem z delci ali žarki (ionska implantacija, obdelava z laserjem). V nadaljevanju bomo obravnavali le postopke, pri katerih nastane prevleka na materialu z naparjanjem, ter postopke, pri katerih spremenimo površino materiala z neposrednim obstreljevanjem z delci, ioni ali svetlobo. Vsak postopek je sestavljen iz treh skoraj neodvisnih stopenj: 1) sproščanje snovi iz vira za nastanek prevleke ali za spremembo površine, 2) transport (prenos) te snovi od vira do podlage, 3) vdor snovi v material, da spremeni podlago, oziroma, da tvori prevleko.
16.2 Nanašanje prevlek z naparjanjem 16.2.1 Kemijsko naparjanje (CVD – Chemical Vapour Deposition) Pri kemijskem naparjanju nastane na ali tik ob segreti podlagi s kemijsko reakcijo med paro in nosilnim plinom prevleka, ki je lahko čista kovina, zlitina ali v ognju obstojna spojina (slika 16.1 a). Prevleka ne nastane le v delujočem (»vidnem«) polju vira, temveč enakomerno tudi po celotni površini delov, ki imajo komplicirano obliko. Značilni reakciji za nanos prevleke iz borovega nitrida in titanovega karbida sta: 500 −1500°° C BCl3(g) + NH 3( g ) ⎯⎯⎯⎯⎯ → BN ( s ) + 3HCl( g ) 800 −1000 °° C → TiC(s) + 4HCl( g ) TiCl4( g ) + CH 4( g ) ⎯⎯⎯⎯⎯
(16.1)
Opozoriti je potrebno, da je temperatura podlage, ki močno vpliva na proces nanašanje prevlek, relativno visoka. Čeprav lahko s kemijskim naparjanjem prevlečemo materiale s spojinami obstojnimi v - 151 -
- 152 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
ognju (npr. karbidne trdine s TiC, TiN, Al2O3), se kaljeno jeklo zmehča in ga je potrebno ponovno toplotno obdelati. Pri variantni metodi kemijskega naparjanja (PACVD, angl. Plasma Assisted CVD: plazemsko kemično naparjanje), je nad podlago plošča, ki jo napajamo z napetostjo, ki ima radijsko frekvenco. Nastalo področje plazme vpliva na zgradbo prevleke. To metodo uporabljamo za naparjanje keramičnih prevlek (npr. SiC in Si3N4), toda temperatura osnove, ki je najmanj 650 °C, je še vedno previsoka za toplotno obdelavo legiranih jekel. Največja debelina prevleke, ki jo lahko ekonomično izdelamo s postopkoma CVD in PACVD, je okoli 100 μm. V poglavju o toplotni obdelavi jekel preberi, kakšne lastnosti dosežemo s kaljenjem in razmisli, zakaj CVD postopek ni primeren za nanašanje prevlek na kaljene dele!
16.2.2 Fizikalno naparjanje (PVD – Physical Vapour Deposition) Čeprav obstaja veliko verzij postopkov fizikalnega naparjanja, prevladujeta postopka izparevanja in naprševanja (sliki 16.1 b in c). Pri prvem postopku se material vira segreje v vakuumski komori z visokoenergijskim curkom (elektroni, ioni, laserski žarki), zaradi električne upornosti ali induktivnosti vira. Kovine izparevajo dovolj hitro, če njihov parni tlak presega 1 Pa in če je tlak v komori manjši kot 10-3 Pa. Uparjeni atomi potujejo proti podlagi v ravni črti, zato nastane plast le na tistih delih podlage, ki so v vidnem polju vira.
Če pri postopku PVD uporabljamo naprševanje, je katodni vir priključen na enosmerno napetost ali na izmenično napetost z radijsko frekvenco, ki doseže do 5 kV v atmosferi inertnega plina (Ar). Vakuum je okoli 10-2 Pa. Ko pozitivni ioni argona trčijo v tarčo, izbijejo atome, ki potujejo do podlage in na njej tvorijo prevleko. Enakomernost prevleke je bistveno večja kot pri uporabi izparevanja. Prednost postopka je tudi v tem, da je število atomov, ki jih izbije ion, skoraj enako za vse kovine. Ravno nasprotno je pri izparevanju, kjer so razlike v hitrosti izparevanja pri isti temperaturi različne za več redov velikosti. Tako kot pri kemijskem je tudi pri fizikalnem naparjanju temperatura podlage zelo pomembna. Toda pri fizikalnem je le 200–400 °C, zato lahko naparjamo tudi rezalna in preoblikovalna orodja iz kaljenega jekla. Prevleka iz titanovega nitrida TiN, ki je debela manj kot 5 μm lahko bistveno podaljša dobo trajanja orodja. TiN je zelo trd (2400 HV), ima zelo majhen koeficient trenja in nastane lahko zelo gladka površina. Z njim lahko prevlečemo tudi neželezne kovine ter karbidne trdine. Izkušnje z jekli, ki so prevlečena s TiN, so pokazala, da moramo vedno obravnavati prevleko in podlago kot celoto. Dobro prekritje žilavega materiala s prevleko, ki je odporna proti obrabi, lahko hitro odpove, če delovne napetosti povzročijo plastično deformacijo podlage. Zato se priporoča, da se pred fizikalnim naparjanjem TiN površino utrdi z nitridiranjem. Dve pomembni modifikaciji postopka fizikalnega naparjanja sta: plazemsko fizikalno naparjanje (PAPVD) in magnetronsko naprševanje. Postopek PAPVD je znan tudi kot ionsko platenje (ion plating), pri katerem naparjanje pospešujemo z bombardiranjem podlage s pozitivnimi ioni. Nato segrejemo vir in kovinske pare lahko vstopijo v komoro. Pri magnetronskem naprševanju ustvarimo z magnetnim poljem v bližini tarče (vira) gosto plazmo. Magnetron, ki je sestavljen iz več magnetov ali elektromagnetov, pritrdimo na zadnjo stran vodno hlajene tarče. Njegovi severni in južni poli so razporejeni tako, da je magnetno polje pravokotno na električno polje med tarčo in podlago. Magnetno polje povzroči, da so elektroni zelo blizu površine tarče, tako da se stopnja ionizacije poveča, plazma pa je zelo gosta. Zaradi večje ionizacijske učinkovitosti je lahko tlak v komori manjši in manjša je verjetnost, da bi izbite atome na poti od tarče do podlage preusmerile plinske molekule. Najpomembnejši učinek je ta, da se hitrost debelitve prevleke poveča. Navadno se področje goste plazme razteza le okoli 6 cm od površine tarče. Pri novejših izvedbah lahko področje plazme doseže tudi podlago, ki se prav tako obstreljuje z ioni, ki spremenijo kemične in fizikalne lastnosti prevleke. Zato lahko naparjamo večje kose, nastane trdna povezava med podlago in prevleko, plazma pa sega tudi do 20 cm od vira.
16. Obdelava površin
153
Kaj je plazma? Zakaj lahko z magnetnim poljem vplivamo na gostoto plazme?
Slika 16.1:
Shematični prikaz postopkov nanašanja prevlek: a) kemijsko naparjanje (CVD), b) naparjanje (PVD) in c) naprševanje (PVD)
16.3 Nanašanje prevlek z obstreljevanjem z delci Od prve praktične uporabe reaktivnih motorjev v štiridesetih letih dvajsetega stoletja je bil tehnični razvoj določen z razpoložljivostjo primernih visokotemperaturnih materialov. Komponente v najbolj kritičnih delih naprave so izpostavljene vročim produktom zgorevanja, ki se premikajo z veliko hitrostjo. Poleg teh skozi motor potujejo razdiralne snovi, kot sta morska sol in pesek. Za takšno neprijazno okolje je zelo težko, če že ne nemogoče, razviti zlitino, ki obenem visokotemperaturno trdna kot tudi korozijsko odporna. Veliko naporov je bilo vloženih v razvoj takšnega zlitinskega sistema, ki bi imel na površini samozaščitno oksidno plast. V praksi ta zunanja plast ne prepreči difuzije atomov iz okolice skozi plast do podlage, poleg tega pa se tanjša z erozijo. Razlika v toplotni razteznosti med oksidno (keramično) plastjo in kovinsko podlago lahko povzroči razpokanje plasti, če ta ni plastična ali je slabo sprijeta s podlago. V ognju obstojne prevleke, ki so odporne proti obrabi in koroziji, so lahko rešitev problema. Opisana bosta dva postopka toplotnega nabrizgovanja. Pri prvem vbrizgamo prah v zelo vroč plin in ga usmerimo z veliko hitrostjo na površino podlage. Ob udarcu se delci plastično deformirajo ter sprimejo s podlago in med seboj. Mikrostruktura, ki ima navadno lečast videz v prečnem prerezu, je sestavljena iz mikrostrukturnih sestavin, ki so obstojne v ognju, kot so karbidi, aluminidi ali oksidi in kovinske osnove. Veliko toplotno nabrizganih prevlek lahko obratuje pri temperaturah nad 1000 °C, njihova debelina pa je lahko od nekaj mikrometrov do nekaj milimetrov. Pri plazemskem nabrizgovanju se prah segreje v obloku istosmerne napetosti in usmeri na površino obdelovanca s hitrostjo 125–600 m/s. Zaščitni ovoj iz Ar ščiti material, ki ga nabrizgavamo, pred oksidacijo. Postopek uporabljamo, da prevlečemo turbinske komponente, ki morajo biti korozijsko obstojne pri visokih temperaturah (npr. lopatice) s prevleko na osnovi MCrAlY. Oznaka M pomeni eno izmed kovin z visokim tališčem: Fe, Ni ali Co. V tej prevleki je lahko mnogo več Cu in Al, ki tvorita oksidno prevleko, kot v superzlitinah (39Co-32Ni-21Cr-7,5Al-0,5Y). Prevleka je rezervoar oksidotvornih elementov in omogoča, da se oksidna plast sama obnavlja. Majhen dodatek Y izboljša sprijetje s podlago. V poglavju Korozija preberi, kako propadajo gradiva, ki so izpostavljena visokim temperaturam in agresivnim plinom!
16.4 Spreminjanje (modificiranje) površine z visokoenergijskimi curki 16.4.1 Ionska implantacija Kemijska sestava ter nano- in mikrostrukturna zgradba površine materiala se lahko spremenita, če površino v vakuumu bombardiramo z visokoenergijskimi ioni. Energija curka je lahko okoli 100 keV. V razvoju so naprave, s katerimi bi lahko tok ionov dosegel 5 mA, ker bi se s tem procesni čas skrajšal. Sedaj zahteva implantacija več ur. Uporabljamo lahko katere koli elemente iz periodnega sistema. Ioni so lahko lahki (npr. dušik) ali težki, celo radioaktivni elementi. Ionska implantacija lahko doseže področja v
- 154 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
vidnem polju vira. Doza, ki jo prejme vsak kvadratni centimeter je med 1017–1019 ionov. Ioni prodrejo do globine 100–200 nm, koncentracijski profil v ravnini, ki je pravokotna na površino, pa je enak Gaussovi krivulji. Izven spremenjenega področja so lastnosti podlage nespremenjene. Ionski snop tudi izbija atome iz površine, tako da se koncentracijski profil popači. Učinek je največji pri uporabi težkih ionov in pri velikih dozah. Možno je, da se doseže stacionarno stanje, pri katerem sta hitrosti izbijanja in implantacije enaki. Zaradi izbijanja atomov je delež implantiranih ionov omejen na največ 50 at. %. V primerih, ko je težko doseči to koncentracijo, najprej podlago prevlečemo s tanko plastjo materiala, ki ga hočemo implantirati. Nato ga »potisnemo« v podlago z bombardiranje z ioni žlahtnih plinov (Ar, Kr, Xe). To je mešanje z ionskim curkom. Med bombardiranjem z ioni se vsak atom ob površini večkrat premakne. Nastanejo številne poškodbe s kaskadami trkov (Frenkelovi pari, dislokacijske zanke). Kaskade poškodb so najbolj koncentrirane pri bombardiranju z ioni, ki imajo veliko vrstno število (Z). Vgraditev atomov in nastanek praznin poveča prostornino materiala tarče, tako da nastanejo na površini tlačne napetosti. Izboljša se odpornost proti utrujanju. Ioni prodrejo v globino 300–500 atomski razdalj. Globina je večja v kristaliziranih kot v steklastih gradivih, predvsem velika je vzdolž ravnin z majhnimi Millerjevimi indeksi (channelling, kanalski pojav). Tudi lahki ioni prodrejo globlje. Ionsko implantacijo lahko natančno krmilimo, procesne spremenljivke pa so: energija curka, vrsta iona, ionska doza, temperatura in material podlage. Ionska implantacija se uporablja za dopiranje polprevodnikov in izboljšanje odpornosti proti obrabi, koroziji in utrujanju. Temperatura je manjša od 150 °C, zato lahko brez težav obdelujejo tudi kaljena jekla. To v industriji polimerov močno izboljša obrabno obstojnost polžev, ekstruzijskih matric ipd. Kaj je ion? Ali v tem primeru uporabljamo anione ali katione? Ali poznaš še kakšno drugo uporabo ionov v tehniki?
16.4.2 Obdelava z laserjem Enako kot ionska implantacija se tudi obdelava z laserjem hitro razvija. Laserski žarki krajevno segrejejo površino materiala na zelo visoko temperaturo, učinkujejo pa do globine 10–100 μm, kar je tisočkrat več kot ionski curek. V odvisnosti od energije laserski žarki segrevajo, talijo ali uparjajo snov oziroma ustvarjajo plazmo. Trajanje energijskega impulza je lahko 1 ns ali manj. Kasnejše ohlajanje lahko vodi do ponovnega strjevanja z drobnozrnato mikrostrukturo, v jeklih se lahko tudi pojavi premena avstenit/martenzit. Med spremenjeno površino in podlago je navadno epitaksija (popolno skladanje). Ohlajanje je lahko dovolj hitro, da se tvori steklasta faza.
Površino pripravimo tako, da jo najprej prevlečemo z ustrezno kovino ali zlitino ali prahom (slika 16.2). Prevleko segrejemo z laserskim žarki, da se skupaj s podlago stali in tvori homogeno talino. Nato ohladimo. Na ta način lahko npr. izdelamo enakomerno plast avstenita na podlagi iz feritnega jekla. Najpomembnejše procesne spremenljivke pri obdelavi z laserjem sta vnos energije in trajanje impulza. Za uveljavljene tehnike, kot so rezanje, vrtanje in varjenje, je vnos energije 104 MW/m2 (1 MW/cm2), impulzi pa trajajo tudi do 1 ms. Po drugi strani pa za utrjanje kovin s proizvajanjem udarnih valov potrebujemo vnos energije do 10 MW/m2 (100 MW/cm2) in trajanje 1 ns. Kratki impulzi omogočajo hitro ohlajanje in nastanek metastabilnih faz. 6
Kaj je laser? Kje vse še uporabljamo laserke žarke?
16. Obdelava površin
Slika 16.2:
155
Lasersko legiranje komponent A in B
Povzetek Od sodobnih gradiv pogosto zahtevamo kombinacijo lastnosti, ki jih posamezna gradiva nimajo. Eden izmed načinov, da jih dosežemo, je z nanašanjem prevlek na njihovo površino ali s spremembo (modificikacijo) površine. Osnovni metodi nanašanja prevlek sta fizikalno in kemijsko naparjanje. Pri fizikalnem naparjanju snov, ki je v izviru, na nek način preide v plinasto stanje, njeni atomi potujejo do tarče in na njej tvorijo tanko prevleko. Snov se pri tem kemijsko ne spremeni. Pri kemijskem naparjanju nastane na površini tarče prevleka s kemijsko reakcijo. Z ionskimi ter elektronskimi curki ter laserskimi žarki, ki imajo veliko energijo, lahko spremenimo površino na različne načine: lahko jo mestoma uparimo, pretalimo, utrdimo ali kemično spremenimo z legiranjem in ionsko implantacijo.
16.5 Razmisli, odgovori, reši 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 16.6 16.7 16.8 16.9
V čem se razlikujeta postopka CVD in PACVD? Katere so prednosti in slabosti postopkov CVD in PVD? Kateri od postopkov PVD ali CVD je ekološko sprejemljivejši? Opiši in pojasni razliko med naparevanjem in naprševanjem! Jeklo smo pravilno kalili in popustili. Katerega od postopkov nanašanja prevlek lahko uporabimo, da lastnosti jekla ne spremenimo? V čem se razlikujeta plazemsko nabrizgovanje in ionska implantacija? Pojasni, kako lahko z uporabo laserja spremenimo površino gradiv? Katere so prednosti spremembe površin z ionsko implantacijo ali obdelavo z laserjem pred klasičnimi postopki termokemične toplotne obdelave (nitridiranje, cementiranje)? S katerimi izdelki, ki so prevlečeni s tanko plastjo, se srečaš v vsakdanjem življenju? Ugotovi, iz katera plast je na površini. S katerim postopkom je bila nanešena? Kateri je temeljni razlog za uporabo te plasti?
16.6 Dodatna literatura k temu poglavju 16.1 16.2 16.3
Panjan, Peter; Čekada, Miha: Zaščita orodij s trdimi PVD-prevlekami, Institut Jožef Stefan, Ljubljana 2005 Paulin, Andrej: Mala slovenska enciklopedija metalurgije in materialov, Rudarsko-metalurški zbornik, Letnik 44, št. 1-2, Ljubljana julij 1997 Kansky, Evgen: Nastajanje in rast vakuumskih tankih plasti, Društvo za vakuumsko tehniko Slovenije, Ljubljana, 1990
17 Osnovne toplotne obdelave kovin Kaj bomo izvedeli? Zakaj uporabljamo toplotno obdelavo? Kako izvedemo in kaj dosežemo s homogenizacijskim žarjenjem? Zakaj nastanejo v gradivih notranje napetosti in kako jih odpravimo? Kako lahko zmehčamo gradiva, ki smo jih utrdili s hladno plastično deformacijo? Kaj je izločevalno utrjanje?
Equation Section (Next)
17.1 Uvod S toplotno obdelavo kovinskih gradiv lahko pogosto močno izboljšamo posamezno lastnost ali več lastnosti hkrati ter dosežemo primerno kombinacijo uporabnih lastnosti. Neredko lahko lastnosti spreminjamo v zelo širokih mejah, čeprav večinoma ne v tolikšni meri, kot je to možno pri kompozitnih gradivih. V tem poglavju bomo obravnavali postopke toplotne obdelave, ki so primerni za večino kovinskih gradiv, tudi jekel; medtem ko so toplotne obdelave značilne za jekla opisane v naslednjem poglavju. Neko kovinsko gradivo lahko toplotno obdelamo na več načinov. Možne toplotne obdelave so zelo odvisne od značilnosti zgradbe gradiva (konstitucije), ki je razvidna iz njegovega faznega diagrama. Zaradi enostavnosti bomo vzeli za izhodišče binarne (dvokomponentne) fazne diagrame. Med njimi predstavlja primerno izhodišče za obravnavo toplotnih obdelav fazni diagram s popolno topnostjo v tekočem in trdnem in stanju (glej sliko 8.1), v katerem so razvidna območja za naslednje toplotne obdelave: • homogenizacijsko ali difuzijsko žarjenje, • napetostno žarjenje ter • rekristalizacijsko žarjenje po hladni deformaciji.
17.2 Homogenizacijsko ali difuzijsko žarjenje Cilj homogenizacijskega ali difuzijskega žarjenja je doseči homogeno ali enakomerno kemijsko sestavo v mikrostrukturnih sestavinah. Neenakomerna ali nehomogena kemijska sestava nastane pri neravnotežnem strjevanju enofaznih zlitin (slika 8.2), ker prevelika hitrost strjevanja difuzivnost v trdnem stanju in onemogoči izenačitev sestave. Posledice nehomogene kemijske sestave – kristalnih izcej - so lahko neugodna kombinacija mehanskih lastnosti, slabša korozijska odpornost ipd. Dendritu faze α, ki nastane pri strjevanju poljubne zlitine v zlitinskem sistemu s popolno topnostjo v tekočem in trdnem stanju, se koncentracija topljenca B spreminja od središča dendrita do meddendritnega prostora. Valovna dolžina kristalnih izcej λ je približno enaka razdalji med sekundarnimi dendritnimi vejami λ2. Kristalne izceje lahko odpravimo tako, da komponenta B preide iz območij z večjo koncentracijo v področja z manjšo. Prenos snovi v trdnih snoveh poteka z difuzijo. Kot že vemo, je difuzija tem hitrejša, čim višja je temperatura. Najvišja dovoljena temperatura homogenizacijskega žarjenja je temperatura solidus, saj natalitev zlitine povzroči številne napake. Čas žarjenja je obratno sorazmeren difuzijskemu koeficientu D in valovni dolžini kristalnih izcej λ. Med žarjenjem se amplituda kristalnih izcej zmanjšuje (slika 17.1) in se polagoma približuje enakomerni porazdelitvi zlitinskih elementov. Temperature tik pod krivuljo solidus so zadosti visoke, da se bo sestava izenačila v relativno kratkem času, toda hkrati bo obstajala resna nevarnost, da se kristalna zrna močno povečajo ter da zlitina oksidira (slika 17.1 b3). Slednje lahko preprečimo z žarjenjem v primerni varovalni atmosferi.
- 156 -
17. Osnovne toplotne obdelave kovin
157
Homogenizacijsko žarjenje lahko izvajamo ločeno ali kot sestavni del segrevanja na temperaturo vročega preoblikovanja (npr. kovanja in valjanja). Med vročim preoblikovanje se zmanjša tudi λ ter poveča število kristalnih napak, kar lahko bistveno pospeši homogenizacijo.
Slika 17.1:
a) Zmanjšanje kristalnih izcej pri homogenizacijskem žarjenju. b) Mikrostrukturne spremembe pri homogenizacijskem žarjenju: b1) začetna mikrostruktura z dendritno oblikovanimi enakoosnimi kristalnimi zrni in kristalnimi izcejami, b2) homogena mikrostruktura, b3) mikrostruktura z velikimi kristalnimi zrni.
Kaj moramo storiti, da dosežemo enakomerno porazdelitev kemijskih elementov?
17.3 Napetostno žarjenje Cilj napetostnega žarjenja je zmanjšati notranje napetosti v gradivu. Navadno napetostno žarjenje izvajamo pri temperaturah, pri katerih naj se mikrostruktura gradiva ter s tem druge njegove lastnosti čim manj spremenijo. 17.3.1 Nastanek notranjih napetosti V materialih deluje več vrst napetosti. Od tistih, ki jih povzročajo tuji raztopljeni atomi, do makroskopskih napetosti, ki delujejo v večjih območjih materiala. V tem poglavju bo govora o slednjih.
Notranje napetosti so napetosti v materialu pri odsotnosti zunanjih obremenitev. Preostale notranje napetosti so napetosti v materialu, ki ima po celotni prostornini enako temperaturo (navadno sobno) in ni obremenjen z zunanjimi obremenitvami. Notranje napetosti povzročijo izveganje materiala (spremembo oblike in mer), nastanek mikro- in makrorazpok, zmanjšanje trajne nihajne trdnosti, itd. Glavni vzrok za nastanek notranjih napetosti v materialu je neenakomerna porazdelitev temperature. Za pojasnitev si poglejmo naslednji primer (slika 17.2 a). Zamislimo si, da segrejemo valj na začetno temperaturo T0. Pri tem sta dolžini jedra in plašča valja enaki L0. Če plašč valja hitro ohladimo, se bo njegova temperatura zmanjšala na T < T0, medtem ko bo temperatura jedra ostala praktično nespremenjena. Če bi bila jedro in plašč ločena, bi bila dolžina jedra še vedno L0, medtem ko bi se plašč skrčil za
Δ L = L0 ⋅ α ⋅ ΔT
(17.1)
kjer je α linearni temperaturni razteznostni koeficient, ΔT pa temperaturna razlika med plaščem in jedrom valja (ΔT = T0 – T). Toda ker sta med seboj povezana, jedro ne dovoli, da bi se plašč skrčil za ΔL, temveč le za ~ΔL/2. Zato je plašč daljši, kot bi bil, torej so v njem natezne napetosti. Jedro je krajše za ~ΔL/2, kot bi bilo, zato so v njem tlačne napetosti. Velikost notranjih napetosti je:
σ = 1 2 E ⋅ α ⋅ ΔT
(17.2)
kjer je E modul elastičnosti. Ohlajanje jedra in plašča je ponazorjeno na sliki 17.2 b. Med ohlajanjem se temperaturna razlika med njima spreminja in s tem tudi velikost notranjih napetosti. Če so notranje napetosti vselej v elastičnem področju (polni krivulji na sliki 17.2 b2), bosta tako jedro kot plašč imela po ohladitvi na sobno temperaturo enako dolžino in v valju ne bo notranjih napetosti – preostale notranje napetosti bodo enake nič.
- 158 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
V materialu ostanejo preostale notranje napetosti le v primeru, če se valj med ohlajanjem neenakomerno plastično deformira. To se zgodi, ko notranje napetosti pri neki temperaturi presežejo napetost tečenja. Glede na to, da so v plašču natezne napetosti, se bo ta trajno raztegnil, jedro pa se bo trajno skrčilo. Zato po ohladitvi na sobno temperaturo jedro in plašč ne bosta več enako dolga. Plašč bo daljši, jedro pa krajše. Ker sta med seboj trdno povezana, bodo v plašču tlačne, v jedru pa natezne napetosti. To so preostale notranje napetosti.
Slika 17.2:
a) Ohlajanje plašča in jedra valja ter spreminjanje njunih mer. b) Ohlajevalni krivulji za jedro in plašč valja ter spreminjanje notranjih napetosti med ohlajanjem, če napetosti pri nobeni temperaturi ne presežejo napetosti tečenja. c) Ohlajevalni krivulji za jedro in plašč valja ter spreminjanje notranjih napetosti med ohlajanjem, če napetosti v določenem temperaturnem območju presežejo napetost tečenja. t1: Jedro se začne plastično deformirati; t2: Površina se začne plastično deformirati; t3: Površina se preneha plastično deformirati; t4: Jedro se preneha plastično deformirati; t0: Napetosti v jedru in površini so enake (navadno nič).
Kateri je temeljni pogoj, da v gradivu ostanejo preostale notranje napetosti?
17.3.2 Vrste notranjih napetosti Preostale napetosti, ki smo jih opisali zgoraj, imenujemo toplotne napetosti. Pojavijo se, ker se zaradi neenakomerne porazdelitve temperature pri ohlajanju ali segrevanju različni deli obdelovanca različno krčijo ali raztezajo. Zato nastanejo v njem notranje napetosti. Če je deformacija le elastična, potem v obdelovancu ni preostalih napetosti, ko se v celoti ohladi na sobno temperaturo; ob pojavu neenakomerne plastične deformacije pa so.
Notranje napetosti nastanejo tudi zaradi faznih premen v trdnem stanju, ker se pri teh navadno spremeni tudi prostornina. Vzemimo za primer, da se fazna premena začne pri temperaturi Tp < T0. Ker se plašč ohlaja hitreje kot jedro, se bo fazna transformacija v njem začela prej kot v jedru. Če se pri njej prostornina poveča (kot se npr. pri kaljenju jekel), bodo v plašču tlačne, v jedru pa natezne napetosti. Ob prekoračitvi napetosti tečenja se bo plašč trajno skrčil, jedro pa trajno raztegnilo. Po ohladitvi na sobno temperaturo bodo v jedru tlačne, v plašču pa natezne napetosti: to so premenske napetosti. Tretja vrsta notranjih napetosti so strukturne napetosti. Te se pojavijo, če so v jedru in valju različne mikrostrukturne sestavine, ki nimajo enake specifične prostornine. Na primer pri ohlajanju nekaterih jekel lahko v plašču nastane martenzit, ki ima večjo specifično prostornino kot perlit. Ob odsotnosti toplotnih in premenskih napetosti, bi bile v plašču tlačne, v jedru pa natezne napetosti. Podajte razlike med toplotnimi, premenskimi in strukturnimi notranjimi napetostmi?
17. Osnovne toplotne obdelave kovin
159
17.3.3 Odpravljanje notranjih napetosti Notranje napetosti v obdelovancu so navadno kombinacija vseh omenjenih vrst napetosti. Njihova največja vrednost je lahko enaka napetosti tečenja pri neki temperaturi. Z naraščanjem temperature se napetost tečenja zmanjšuje. Če so pri sobni temperaturi preostale notranje napetosti v elastičnem področju, lahko te napetosti pri neki višji temperaturi povzročijo plastično deformacijo obdelovanca in s tem zmanjšanje notranjih napetosti. Iz tega sledi: Čim višja bo temperatura napetostnega žarjenja, tem bolj se bodo notranje napetosti zmanjšale. Toda pri višjih temperaturah se lahko pojavijo fazne premene, ki povzročijo neželene mikrostrukturne spremembe. Če je temperatura žarjenja nad 0,4 Tt, bo deformacija tudi časovno odvisna (enako kot pri lezenju). To povzroči zmanjševanje notranjih napetosti v materialu. Notranje napetosti po nekem času žarjenja bodo enake časovni napetosti tečenja Rp0,2/T/t. Po žarjenju je potrebno počasi ohlajati, da ne povzročimo novih notranjih napetosti.
Slika 17.3:
a) Trenutno zmanjšanje notranjih napetosti pri segretju na neko temperaturo. Začetne notranje napetosti so v točki 1. Pri hitrem segretju na neko višjo temperaturo se zmanjšajo do točke 2, ker je pri višji temperaturi modul elastičnosti manjši. Ker je ta napetost večja od napetosti tečenja pri tej temperaturi, se material plastično deformira, napetosti se zmanjšujejo po črti 2-3. Po ohladitvi do sobne temperature bodo notranje napetosti ustrezale točki 5. Torej so se napetosti zmanjšale od točke 1 do točke 5. b) Čim višja je temperatura žarjenja, tem manjše bodo notranje napetosti. Ker material pri višjih temperaturah tudi leze, se notranje napetosti zmanjšujejo tudi z daljšanjem časa žarjenja – relaksacija napetosti.
Zakaj na zmanjšanje notranjih napetosti vplivata tako temperatura kot tudi čas žarjenja?
17.4 Rekristalizacijsko žarjenje Rekristalizacijsko žarjenje je toplotna obdelava, s katero zmehčamo materiale, ki smo jih utrdili s hladno plastično deformacijo. Med hladno deformacijo se v kovinah poveča število dislokacij in točkastih napak, zato se utrdijo. Imajo veliko napetost tečenja in natezno trdnost, vendar majhno razteznost in kontrakcijo ter s tem tudi slabšo preoblikovalnost. Kristalna zrna so navadno prednostno orientirana, njihove lastnosti pa so anizotropne - govorimo o deformacijski teksturi. Kovine lahko zmehčamo z rekristalizacijskim žarjenjem. Procese, ki potekajo pri tem lahko razdelimo na: • popravo, • primarno rekristalizacijo in • sekundarno rekristalizacijo ali rast zrn. Spremembo lastnosti in mikrostrukture med žarjenjem prikazuje slika 17.4. Pri žarjenju deformiranih kovin pri povišanih temperaturah - povišane temperature so tiste, pri katerih difuzijskih procesov v kovinah ne moremo več zanemariti, to je ~0,3 – 0,4 absolutne temperature tališča kovine Tt - najprej poteka poprava.
- 160 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Slika 17.4:
Levo: Sprememba nekaterih lastnosti pri rekristalizacijskem žarjenju. Na začetku žarjenja vidimo v svetlobnem mikroskopu deformirana in usmerjena kristalna zrna. Med popravo se oblika in velikost kristalnih zrn ne spreminjata, vse spremembe se dogajajo znotraj kristalnih zrn. Na začetku primarne rekristalizacije (čas t1) nastajajo nova nedeformirana zrna tako na mejah kristalnih zrn kot tudi v njih. Po primarni rekristalizaciji je mikrostruktura sestavljena iz enakoosnih kristalnih zrn (čas t2). Če imajo prednostno kristalno usmeritev, govorimo o rekristalizacijski teksturi. Nadaljnje žarjenje vodi do sekundarne rekristalizacije ali rasti kristalnih zrn (čas t3).
Slika 17.5:
Procesi med popravo a) plezanje dislokacij in izničenje praznin, b) razporeditev istovrstnih dislokacij ene nad drugo – poligonizacija ali nastanek podzrn, c) razdelitev zrna na podzrna po deformaciji, d) razdelitev zrna na podzrna po popravi.
Med popravo se velikost in oblika kristalnih zrn ne spremenita, ker so meje zrn takrat negibljive. Procesi poprave potekajo znotraj kristalnih zrn. Med popravo se točkasti defekti izničijo - anihilirajo, robne dislokacije plezajo (slika 17.5 a), nasprotne dislokacije se izničijo, istovrstne dislokacije pa se razvrstijo druga nad drugo (poligonizacija). Pri poligonizaciji nastajajo malokotne meje (slika 17.5 b). Po poligonizaciji so kristalna zrna razdeljena na več podzrn, ki so med seboj ločena z malokotnimi mejami. Večina dislokacij je zbranih v malokotnih mejah, medtem ko je znotraj podzrn gostota dislokacij precej manjša. Med popravo se zmanjša električna upornost zaradi zmanjšanja števila točkastih napak, rahlo se zmanjšujeta tudi napetost tečenja in trdota zaradi zmanjšanja števila dislokacij, poveča pa se gostota. Znatno se zmanjša le električna upornost. Po določenem času žarjenja t1 nastanejo predvsem na kristalnih mejah zametki - kali nedeformirane kristalne zgradbe. Začne se primarna rekristalizacija. Pri primarni rekristalizaciji se deformirana kristalna zrna nadomestijo z nedeformiranimi; gostota dislokacij se močno zmanjša npr. z 1015 m/m3 na 1010 m/m3. Po primarni rekristalizaciji običajno izgine anizotropnost lastnosti. Kadar se to ne zgodi, pa govorimo o rekristalizacijski teksturi. Trdnostne lastnosti se močno zmanjšajo. Temperatura, pri kateri se prične primarna rekristalizacija, se znižuje s povečanjem stopnje deformacije. V močno deformiranih kovinah znaša okoli 0,4 Tt. Velikost rekristaliziranih zrn je odvisna od dejavnikov, ki vplivajo na število nastalih zametkov in na hitrost njihove rasti. Najpomembnejši dejavniki so stopnja deformacije ε, temperatura žarjenja Tž, sestava zlitine C0 in prisotnost izločkov ali disperzoidov. Z večanjem stopnje deformacije se poveča število nastalih kali, zaradi česar so zrna na koncu rekristalizacije manjša. Pri višjih temperaturah in manjših deležih zlitinskih elementov je hitrost rasti nedeformiranih zrn večja, zato je končna velikost rekristaliziranih zrn večja. Izločki in disperzoidi prav tako vplivajo na manjšo hitrost rasti kristalnih zrn in s tem na zmanjšanje velikosti kristalnih zrn.
17. Osnovne toplotne obdelave kovin
161
Primarna rekristalizacija se konča po času t2. Če zlitino še naprej žarimo, začne potekati sekundarna rekristalizacija ali rast zrn. Gonilna sila za rast zrn je zmanjšanje celotne površine kristalnih mej, saj se s tem zmanjšuje energija sistema. Zrna, ki imajo v prečnem prerezu več kot šest sosedov, rastejo, medtem ko se zrna, ki imajo manj kot šest sosedov, zmanjšujejo in končno izginejo. Rast zrn je neželena, ker se zmanjšujeta napetost tečenja in žilavost.
Slika 17.6:
Rekristalizacijski diagram prikazuje velikost kristalnih zrn po rekristalizaciji v odvisnosti od temperature žarjenja in stopnje deformacije.
Velikost zrn v odvisnosti od temperature žarjenja in stopnje deformacije je podana v rekristalizacijskih diagramih. V rekristalizacijskih diagramih lahko opazimo, da je velikost zrn majhna pri velikih stopnjah deformacije in nižjih temperaturah žarjenja. Nenormalno velika zrna se pojavijo pri majhnih (1-2 %) in zelo velikih deformacijah pri visokih temperaturah žarjenja. Zakaj kovinske materiale rekristalizacijsko žarimo? Ugotovite podobnosti in razlike med procesi, ki potekajo pri popravi, primarni in sekundarni rekristalizaciji! Ali pri primarni rekristalizaciji čistih kovin poteka premena z difuzijo kratkega ali difuzijo dolgega dosega? Utemeljite odgovor!
17.5 Izločevalno utrjanje Izločevalno utrjanje je toplotna obdelava, s katero želimo doseči enakomerno razporeditev drobnih izločkov v mikrostrukturi, da bi dosegli primerno trdnost materiala. Zlitin iz sistema popolne topnosti v tekočem in trdnem stanju ne moremo izločevalno utrjevati. V njih je samo ena trdna raztopina. Pri izločevalnem utrjanju pa morajo v osnovi α nastati izločki druge faze β, torej mora biti zlitina vsaj v dvofaznem področju. Potreben, vendar ne zadosten pogoj, da lahko neko zlitino izločevalno utrdimo, je zmanjševanje topnosti ene ali več komponent v osnovni fazi (npr. α). Praviloma se doseže velik utrjevalni učinek, če se v prvi stopnji iz raztopine izloča koherentna ali delno koherentna faza (tega podatka ne moremo dobiti iz faznega diagrama). Eden izmed faznih diagramov, v katerem je možno izločevalno utrjanje, je evtektični sistem z delno topnostjo v trdnem stanju (slika 17.7 a). V tem diagramu se topnost komponente B v komponenti A zmanjšuje z zniževanjem temperature, kar ponazarja krivulja solvus αE - αS. Mikrostruktura počasno ohlajenih zlitin s sestavo med αE - αS je navadno sestavljena iz nehomogenih kristalnih zrn faze α in grobih delcev faze β, ki so izločeni pretežno po kristalnih mejah faze α (slika 17.8 a). Grobi delci so neželeni, saj negativno vplivajo na mehanske lastnosti, predvsem pa poslabšajo žilavost.
- 162 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Slika 17.7:
a) Fazni diagram in b) časovni potek izločevalnega utrjanja. 1: topilno žarjenje, 2: gašenje, 3 staranje.
Slika 17.8:
Sprememba mikrostrukture v različnih stopnjah izločevalnega utrjanja. t0: Začetno stanje. Dendritna kristalna zrna s kristalnimi izcejami in delci faze β. t1: Trdna raztopina α pri topilnem žarjenju. t2: Prenasičena trdna raztopina α po gašenju. t3: Začetna stopnja izločanja. Koherentni metastabilni izločki β' v kristalnih zrnih in stabilni izločki β po kristalnih mejah. t4: Izginjanje metastabilnih izločkov in nastajanje stabilnih. t5: Preostali so le stabilni izločki. t6: Rast ali ogrobitev stabilnih izločkov (Ostwaldovo zorenje). t7: Sferoidizacija izločkov. Izločki dobijo obliko krogel.
17.5.1 Topilno žarjenje Pri topilnem žarjenju raztopimo izločke in dosežemo homogeno trdno raztopino.
To je prva stopnja pri izločevalnem utrjanju. Izločevalno lahko utrjujemo tako zlitine s koncentracijo do največje topnosti B v komponenti A: αE, kot tudi zlitine nad največjo topnostjo. Pri zlitinah s koncentracijo B pod αE segrejemo zlitino med temperaturo solvus in solidus. Pomembno je, da se zlitina ne natali. Takšna nevarnost obstaja predvsem pri zlitinah, ki močno izcejajo med strjevanjem in so blizu sestava αE. Iz dvofazne zlitine (α + β) nastane homogena trdna raztopina α; segregati faze β se raztopijo, kemijska sestava faze α pa se izenači. Pri tem je tudi možno, da kristalna zrna močno zrastejo. Pri zlitinah s koncentracijo komponente B nad αE žarimo malo pod temperaturo invariantne reakcije (to je zelo pogosto pod temperaturo evtektične reakcije), torej v dvofaznem področju α + β). Pri žarjenju tako ne moremo doseči enofaznega stanja (zgolj fazo α), temveč dvofazno stanje: fazo α nasičeno z B in neraztopljeno ravnotežno evtektsko fazo β 17.5.2 Gašenje Cilj gašenja je zadržanje visokotemperaturnega stanja mikrostrukture, ki je nastala pri topilnem žarjenju: to je homogene trdne raztopine α.
Zato zlitino zelo hitro ohladimo s temperature topilnega žarjenja do sobne temperature. S tem v veliki meri onemogočimo difuzijske procese v zlitini in preprečimo izločanje atomov B iz trdne raztopine. Tako zadržimo pri sobni temperaturi metastabilno, prenasičeno trdno raztopino atomov B v komponenti A, katere sestava je enaka sestavi zlitine: C0. V trdni raztopini zamrzne poleg topljenca še del praznin*, tako da je njihova koncentracija pri sobni temperaturi večja od ravnotežne. Mikrostruktura zlitine po gašenju je skoraj enaka kot po topilnem žarjenju: enofazna prenasičena trdna raztopina s presežnim deležem praznin, medtem ko je ravnotežno stanje dvofazna zmes faze α (s sestavo αS) in faze β (s sestavo βS), s faznim deležem faze β fβ = (C0 - αS)/(βS - αS). Zaradi tega obstaja gonilna sila za pretvorbo prenasičene trdne raztopine v zmes faz α + β. Vendar je to možno le, če je difuzivnost elementov dovolj velika.
*
Kot vemo, je koncentracija praznin večja pri višjih kot pri nižjih temperaturah.
17. Osnovne toplotne obdelave kovin
163
Ugotovite razliko med gašenjem in kaljenjem (kaljenje je opisano v poglavju Toplotna obdelava jekel)!
17.5.3 Staranje Cilj staranja je doseči optimalno razporeditev izločkov v osnovi, s katero dosežemo načrtovane mehanske lastnosti.
Z gašenjem dobimo pri sobni temperaturi metastabilno trdno raztopino α, ki lahko z izločanjem neposredno ali preko več stopenj preide v termodinamsko ravnotežno stanje: α + β. Ravnotežni sestavi α in β ter njuna fazna deleža lahko ugotovimo iz faznega diagrama oziroma z uporabo vzvodnega pravila. Izločanje lahko poteka pri sobni temperaturi – naravno staranje, če je difuzivnost zlitinskih elementov dovolj velika, ali pa pri povišanih temperaturah – umetno staranje. Izloča se lahko ravnotežna faza (to je faza, ki jo zasledimo v ravnotežnem faznem diagramu) ali pa neravnotežna (metastabilna), ki je v ravnotežnem faznem diagramu ni.
Slika 17.9:
a) Oblike izločkov. b) Izotermni diagram čas – temperatura – izločanje. α': prenasičena začetna trdna raztopina. α: ravnotežna osnovna trdna raztopina, β: ravnotežni izločki, β': metastabilni izločki.
Izločanje iz trdne raztopine je sestavljeno iz dveh procesov (1) nastanka ali nukleacije izločkov in (2) iz njihove rasti. Izločki nastanejo s homogeno ali heterogeno nukleacijo in rastejo tako dolgo, dokler sestava faze α ne doseže ravnotežne sestave pri dani temperaturi, morebitni metastabilni izločki faze β' pa se pretvorijo v stabilne. Zatem se delež izločene faze β ne spreminja več, vendar pa delci postajajo vse bolj grobi. Manjši izločki se raztapljajo, večji pa rastejo. Proces ogrobitve delcev imenujemo Ostwaldovo zorenje. Dodatno zmanjšajo svojo energijo tako, da dobijo okroglo obliko (slika 17.8). S staranjem pri neki temperaturi nastajajo v prenasičeni trdni raztopini zaradi bolj ali manj naključnega gibanja atomov skupki atomov, ki se med seboj razlikujejo po kemijski sestavi, kristalni zgradbi in fazni meji z osnovo. Če je njihova velikost manjša od kritične (glej poglavja Fazne premene), prej ali slej izginejo, če pa so večji, lahko rastejo. Prva bo nastala tista faza, ki ima v danih razmerah najmanjše nukleacijsko delo. Čeprav je gonilna sila ΔG za izločanje ravnotežne faze β vedno največja, lahko druge (metastabilne) faze zmanjšajo svoje nukleacijsko delo tako, da zmanjšajo svojo deformacijsko in/ali površinsko energijo, dodatno k temu pa lahko nastanejo na napaki kristalne mreže, kar še dodatno zmanjša nukleacijsko delo. Za primer vzemimo hipotetični premenski diagram na sliki 17.9 b. Pri temperaturi staranja, ki je tik pod krivuljo solvus, je gonilna sila za nastanek izločkov majhna, zato je kritični delec velik in izločanje se začne po daljšem času. V teh razmerah se navadno izloča ravnotežna faza β, ki ima nekoherentno (neskladno) fazno mejo z osnovo. Zato je njena površinska energija velika, deformacijska pa majhna. Nukleacijsko delo se lahko zmanjša na ta način, da izloček nastane na kristalni meji α/α, ki jo s tem uniči. Zaradi prednostne difuzijske poti po kristalnih mejah nastali izločki zelo hitro rastejo. Z večanjem podhladitve se hitrost nastanka izločkov in njihove rasti najprej povečujeta, ravnotežna faza pa se lahko tvori tudi v kristalnih zrnih npr. na dislokacijah. Pri nadaljnjem večanju podhladitve pod ravnotežno krivuljo solvus se hitrost nastajanja in rasti izločkov ravnotežne faze začneta zmanjševati, pojavijo se metastabilni izločki β', ki imajo različno sestavo in kristalno zgradbo kot β. Površinsko energijo
- 164 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
zmanjšajo tako, da imajo fazno mejo koherentno (skladno) z osnovo, deformacijsko energijo, ki je povezana s spremembo prostornine pa tako, da imajo npr. obliko ploščic, ki ležijo v ravninah osnove, ki ima najmanjši elastičnostni modul (sliki 17.9 a). Koherentni izločki lahko nastanejo homogeno v kristalnih zrnih, medtem ko nekoherentni na napakah kristalne mreže. Pri nadaljnjem žarjenju začnejo nastajati stabilni izločki tudi v notranjosti kristalnih zrn, medtem ko se metastabilni raztapljajo. Sčasoma metastabilni izločki povsem izginejo, ostanejo le stabilni. Manjši med njimi se nato raztapljajo, večji pa rastejo (Ostwaldovo zorenje). Na koncu pa se zmanjša površinska energija tako, da dobijo izločki obliko krogel (slika 17.8). Primerjajte procese, ki potekajo pri topilnem žarjenju, gašenju in staranju!
17.5.4 Utrjanje z izločki Utrjanje kovinskih materialov si razložimo z dislokacijsko teorijo. Če na kakršen koli način oviramo drsenje dislokacij, dosežemo utrditev materiala. Poglejmo si razloge za utrditev z delci.
Interakcije (medsebojno vplivanje) med izločki in dislokacijami so odvisne od vrste mejne površine izloček/osnova, od velikosti, porazdelitve, prostorninskega deleža ter trdnosti izločkov. Kadar so izločki koherentni, majhni in gosto porazdeljeni (majhne razdalje med izločki), jih dislokacije pri drsenju prerežejo (slika 17.10). Ta mehanizem se imenuje Kellyjev mehanizem utrjanja. Napetost, ki je potrebna, da se dislokacija izločku približa in ga prereže, je večja kot za drsenje dislokacij skozi kristalno mrežo brez izločkov. Zaradi tega se povečata tako trdnost kot trdota materiala, medtem ko se razteznost zmanjša. Dislokacije kot tudi koherentni izločki povzročajo v svoji okolici elastične napetosti. Medsebojni vpliv napetostnih polj izločka in dislokacije je lahko takšen, da se pri približevanju odbijata ali pri oddaljevanju privlačita. V obeh primerih je potrebno uporabiti večjo napetost za drsenje dislokacij kot v kristalni mreži brez izločkov. Pogosto so izločki intermetalne faze ali tudi nanokristali kovin, ki so trdnejše kot osnovni material. Pri teh so potrebne precej večje napetosti za drsenje kot v osnovnem materialu. Ko dislokacija prereže izloček, nastane nova površina. Za povečanje površine pa je vedno potrebna dodatna energija. Napetost, ki je potrebna za rezanje izločkov, je sorazmerna velikosti delcev.
Slika 17.10:
a) Dislokacije prerežejo koherentne izločke (Kellyjev mehanizem utrjanja z izločki). b) Orowanov ali disperzijski mehanizem utrjanja. Dislokacije ne morejo prerezati nekoherentnih izločkov, temveč jih obidejo. Okoli izločkov nastanejo dislokacijske zanke. c) Napetost za rezanje izločkov je sorazmerna njihovi velikosti, medtem ko se napetost za delovanje Orowanovega mehanizma zmanjšuje z večanjem njihove velikosti in razdalje. Največje utrjanje dosežemo pri optimalni velikost izločkov dc.
Drugi način utrjanja prevladuje, ko so izločki nekoherentni z osnovo in jih zato dislokacije ne morejo prerezati. Imenujemo ga disperzijski ali Orowanov mehanizem utrjanja. Pri drsenju se dislokacijska črta najprej ustavi pred izločki. Pri povečanju napetosti se dislokacijska linija med izločki izboči. Z nadaljnjim naraščanjem napetosti se dislokacijska linija boči tako dolgo, dokler se ne združijo odseki nasprotne dislokacije. Napetost potrebna za to je: τ=
2αGb λ
(17.3)
17. Osnovne toplotne obdelave kovin
165
G - strižni modul, b - dolžina Burgersovega vektorja, λ - razdalja med izločki. Pri istem prostorninskem deležu izločkov se ob rasti izločkov povečuje njihova medsebojna razdalja λ. Po združitvi različnih odsekov dobimo popolno dislokacijsko črto, ki potuje naprej, okoli izločkov pa ostanejo dislokacijske zanke. Pri naslednji dislokaciji bo že potrebna večja napetost zaradi obročev, ki so okoli izločkov. Podajte razliko med Kellyjevim in Orowanovim mehanizmom utrjanja!
Slika 17.11:
Sprememba trdote in zaporedje izločanja pri umetnem staranju zlitin Al-Cu. V sistemu Al-Cu se pojavijo pri izločanju tri metastabilne faze: GP, Θ", Θ'. Šele za Θ' se izloča ravnotežna faza Θ - Al2Cu. Pri žarjenju zlitine s 4,5 % Cu pri 130 °C se iz trdne raztopine najprej izločajo GP-cone. GP-cone imajo obliko diskov in so izločene v ravnini [100]Al. Diski imajo premer okoli 10 nm. Vse meje GP-con s fazo α so koherentne, zaradi česar je površinska energija medfazne meje α/GP-cona majhna. GP-cone povzročajo v svoji okolici tudi majhne deformacijske napetosti, ker je modul elastičnosti v ravnini [100] majhen. Kombinacija majhne površinske in deformacijske energije omogoča GP-conam, da nastanejo prve, torej zmagajo v konkurenčnem boju z vsemi ostalimi možnimi fazami. Nekateri imenujejo nukleacijo GP-con homogena nukleacija, vendar je bolj verjetno, da je heterogena - na conah praznin kristalne mreže. Trdota s časom narašča, ker se povečuje število GP-con. Čez čas se pojavijo izločki Θ", kar povzroči hitro naraščanje trdote. Ti izločki so prav tako popolnoma koherentni s fazo α, zato je njihova površinska energija majhna, vendar pa povzročajo v okolici že večje napetosti. Faza Θ" nastaja heterogeno na GP-conah. Fazi Θ" sledi faza Θ', ki ima določene ploskve še vedno koherentne s fazo α, medtem ko so druge že delno nekoherentne. Faza Θ' nastaja na dislokacijah in na mejah zrn. Takrat dosežemo tudi največjo trdoto, ker hkrati delujeta tako Kellyjev kot Orowanov mehanizem utrjanja. Pri nadaljnjem staranju koherentni izločki izginejo. Med preostalimi izločki se drobni raztapljajo, večji pa rastejo. S tem se razdalja med izločki veča, napetost, ki je potrebna za delovanje Orowanovega mehanizma (enačba (17.3)), pa manjša. To opazimo kot zmanjševanje trdote s časom žarjenja. Po zadostnem času žarjenja dosežejo vsi izločki približno enako velikost, zato se njihovo število in razdalja med njimi ne spreminjata več, prav tako pa tudi ne trdota.
17.5.5 Kinetika izločanja O kinetiki izločanja, obliki, velikosti in porazdelitvi izločkov največ izvemo iz preiskav utrjevalnih zlitin s presevnim elektronskim mikroskopom. Enostavneje pa dobimo pomembne podatke iz diagramov staranja (slika 17.11). Te diagrame izdelamo tako, da merimo trdoto vzorcev, ki so bili različno dolgo starani pri različnih temperaturah. Za primer si bomo ogledali diagrame staranja zlitin Al-Cu z različno koncentracijo Cu, ki so bili umetno starani pri 130 °C in 190 °C. Iz diagramov lahko vidimo, da je utrjevalni učinek tem večji, čim večja je koncentracija Cu. Z večanjem koncentracije Cu se povečuje prostorninski delež izločkov in s tem tudi utrjevalni učinek. Na višji temperaturi staranja se doseže največja trdota hitreje kot pri nižji, vendar je manjša. 17.5.6 Vpliv stanja zlitine na krivulje tečenja Pri deformaciji monokristala čistega aluminija lahko ob ugodni orientaciji dosežemo deformiranje le v področju lahkega drsenja (slika 17.12). Napetost za to je zelo majhna. Če legiramo aluminij, se trdnost precej poveča zaradi raztopinskega utrjanja (utrjanja trdne raztopine), ki ga dosežemo s topilnim žarjenjem in gašenjem (čas t2, glej sliki 17.7 in 17.8), vendar je še vedno izrazito področje lahkega drsenja. V prvi stopnji izločanja, ko nastanejo koherentne GP-cone (čas t3), se napetost tečenja zelo močno poveča, vendar prevladuje deformacija v področju lahkega drsenja. Pri staranju do največje trdote,
- 166 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
ko so navzoči tako koherentni kot nekoherentni izločki (čas t4), je napetost tečenja nekoliko manjša, vendar se zlitina močneje utrjuje, zato področje lahkega drsenja zamenja področje paraboličnega utrjanja. V prestaranem stanju so v zlitini grobi izločki stabilne faze (časi t5 do t7). Napetost tečenja je zelo majhna, hitrost utrjanja pa zelo velika (majhno utrjanje trdne raztopine, majhno utrjanje z izločki, močno deformacijsko utrjanje).
Slika 17.12:
Natezni diagrami dejanska napetost – raztezek za izločevalno utrjevalno zlitino v različnih stanjih.
Pojasnite razliko med krivuljami tečenja na sliki 17.12.
Povzetek S toplotno obdelavo lahko bistveno izboljšamo lastnosti številnih kovinskih gradiv. Na možne toplotne obdelave neke zlitine zelo vpliva konkretni fazni diagram. S homogenizacijskim žarjenjem odpravimo neenakomernost kemične sestave (kristalne izceje), ki je nastala pri neravnotežnem strjevanju. Žarjenje izvedemo pri temperaturi, pri kateri je hitrost difuzije dovolj velika. Pri žarjenju za odpravo napetosti zmanjšamo notranje napetosti v gradivu ob ohranjeni mikrostrukturi. Ločimo toplotne, premenske in strukturne notranje napetosti. Z rekristalizacijskim žarjenjem zmanjšamo trdnost in povečamo preoblikovalnost in razteznost hladno deformiranih kovinskih materialov. Med žarjenjem potekajo procesi poprave, primarne in sekundarne rekristalizacije. S primerno izbrano temperaturo in časom žarjenja lahko material zmehčamo, hkrati pa dosežemo drobnozrnato mikrostrukturo. Z izločevalnim utrjanjem dosežemo enakomerno porazdelitev drobnih izločkov v mikrostrukturi in povečanje trdnostnih lastnosti. Postopek je navadno sestavljen iz treh korakov: topilnega žarjenja, gašenja in staranja. Staranje na sobni temperaturi imenujemo naravno, pri povišanih temperaturah pa umetno. Izločevalno lahko utrjujemo samo zlitine, pri katerih se topnost topljenca v trdni raztopini z nižanjem temperature zmanjšuje.
17.6 Razmisli, odgovori, reši 17.1 17.2 17.3 17.4 17.5 17.6 17.7 17.8
Kaj imata skupnega rast kristalnih zrn pri homogenizacijskem žarjenju in sekundarna rekristalizacija? Zakaj nastanejo v materialih kristalne izceje in zakaj jih je smiselno odpraviti? S katerim načinom izdelave lahko kristalne izceje močno zmanjšamo? Kako bi se pri ohlajanju spreminjale notranje napetosti v gradivu, ki bi imel temperaturni razteznostni koeficient enak nič? Kaj je ugodneje: na površini so tlačne napetosti, na površini so natezne napetosti? Odgovor utemelji! Z rekristalizacijskim žarjenjem lahko zmehčamo kovinska gradiva. Ali lahko enofazna gradiva ponovno utrdimo? Zakaj lahko dislokacije koherentne izločke prerežejo, nekoherentnih pa ne? Pojasni, zakaj so lastnosti nekega gradiva odvisne od njegove mikrostrukture! Kako lahko s postopkom izločevalnega utrjanja spreminjamo lastnosti gradiv? Na osnovi nukleacijske teorije pojasni, zakaj se pri izločevalnem utrjanju poleg stabilnih pojavljajo tudi metastabilni izločki!
17. Osnovne toplotne obdelave kovin
167
17.9 V poglavju Neželezne kovine poišči fazne diagrame, v katerih je možno izločevalno utrjanje! 17.10 V vsakdanjem življenju poišči gradiva, ki so bila izločevalno utrjena!
17.7 Dodatna literatura k poglavju 17.1 17.2 17.3 17.4 17.5 17.6 17.7 17.8 17.9 17.10 17.11 17.12 17.13
Dieter, George E.: Mechanical Metallurgy, McGraw-Hill Book Company, London 1988 Glavič, Peter: Gradiva, Maribor : Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, 2001 Kosovinc, Ivan: Metalografija, tretja izdaja, Univerza Edvarda Kardelja v Ljubljani, Fakulteta za naravoslovje in tehnologijo, Ljubljana 1983 Kovač, Miran: Gradiva, Zapiski predavanj. Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 2001 Krautov strojniški priročnik. – 13. slovenska izd.., izdajo pripravila Jože Puhar, Jože Stropnik, Ljubljana: Littera picta, 2002 Marinković, Velibor: Fizikalna metalurgija II, Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehniška fakulteta, Oddelek za materiale in metalurgijo, Ljubljana 1999 Metalurški priročnik, Tehniška založba Slovenije, Ljubljana 1972 Porter, David A.; Easterling, Kenneth E.: Phase Transformations in Metals in Alloys, Van Nostrand Reinhold (International) Co. Ltd, 1988 Paulin, Andrej: Mala slovenska enciklopedija metalurgije in materialov, Rudarsko-metalurški zbornik, Letnik 44, št. 1-2, Ljubljana julij 1997 Spaić, Savo: Fizikalna metalurgija, Zgradba kovinskih materialov, Strjevanje kovinskih talin, Ljubljana: Oddelek za materiale in metalurgijo, Naravoslovnotehniška fakulteta, Univerza v Ljubljani, Ljubljana, 2002 Spaić, Savo: Fizikalna metalurgija, Binarni sistemi, Metalografija zlitin, Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehniška fakulteta, Oddelek za materiale in metalurgijo, Ljubljana 2000 Spur, Günther (urednik): Handbuch der Fertigungstechnik, Band 4/2: Wärmebehandeln, Carl Hanser Verlag München Wien 1987 Zupanič, Franc: Gradiva, Zbirka nalog in tabel, Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo, Maribor, 2006
18 Toplotna obdelava jekel Kaj bomo izvedeli? Zakaj so pri jeklu možne zelo številne toplotne obdelave? Katere informacije lahko dobimo iz faznih diagramov Fe-Fe3C in Fe-C? Katere informacije lahko izluščimo iz izotermnih in kontinuirnih premenskih diagramov? Katere stabilne in metastabilne faze ter mikrostrukturne sestavine lahko nastanejo v jeklih? Kaj je kaljenje? Zakaj moramo jekla po kaljenju popuščati? Zakaj imajo nekatera jekla veliko popuščno obstojnost? Zakaj ne dosežemo po celotnem prerezu obdelovanca enake mikrostrukture in lastnosti? Zakaj jekla obdelujemo s termokemičnimi postopki? Equation Section (Next)
18.1 Uvod Jekla so zlitine železa z ogljikom (do 2,14 % C) ter drugimi elementi. Praviloma vsebujejo do 1,7 % C in zelo različne deleže drugih zlitinskih elementov. Razdelitev jekel in njihove značilnosti bomo podrobneje obravnavali v poglavju o jeklih in železovih litinah. Jekla toplotno obdelujemo z namenom, da bi dosegli načrtovano mikrostrukturo ter predvsem optimalno kombinacijo mehanskih lastnosti. Za razumevanje toplotnih obdelav moramo poznati procese, ki potekajo v jeklu pri segrevanju in ohlajanju ter mikrostrukturne sestavine, ki pri tem nastajajo. Jekla lahko toplotno obdelamo na različne načine. Osnova za to izvira iz dejstva, da ima čisto železo več alotropskih modifikacij ter da je v faznem diagramu evtektoidna premena. Avstenit lahko v odvisnosti od razmer pri ohlajanju razpade v različne faze in mikrostrukturne sestavine, zato lahko dosežemo zelo različne lastnosti. Toplotne obdelave, ki so možne v jeklih, lahko uporabimo tudi pri železovih litinah.
18.2 Fazna diagrama Fe-Fe3C (železo – cementit) in Fe-C (železo – grafit) Temelj za razumevanje ogljikovih jekel in železovih litin sta fazna diagrama Fe-Fe3C in Fe-C. Čisto železo se pojavlja v treh kristalnih oblikah: Železo α (α-Fe) ima telesno centrirano kubično kristalno zgradbo (TCK) in je obstojno od absolutne ničle do točke G*: to je do 912 °C. Pri temperaturi 769 °C preide iz feromagnetnega v paramagnetno stanje. Železo γ (γ-Fe) ima ploskovno centrirano kubično kristalno zgradbo (PCK). Obstojno je med točkama G in N, to je v temperaturnem intervalu od 912 °C do 1393 °C. Železo δ (δ-Fe). Njegova kristalna zgradba je tako kot pri α-Fe TCK. δ-Fe je obstojno od 1393 °C do tališča železa 1538 °C (točka A). Trdni raztopini na osnovi α− in γ–Fe železa imenujemo: • ferit (α), topi največ 0,022 % C† pri 727 °C (točka P). Njegova trdota je med 30 HB in 60 HB.‡ • avstenit (γ), topi največ 2,14 % C pri 1147 °C (točka E). Njegova trdota je 200–250 HB. Kadar presežemo topnost ogljika v avstenitu in feritu se izloča cementit Fe3C. Cementit je trd (~800 HB) ter krhek.
* V sistemih Fe-C in Fe-Fe3C je vsaka točka označena s črko. Podrobnosti so v literaturi Spaić, Savo: Fizikalna metalurgija, Binarni sistemi, Metalografija zlitin, Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehniška fakulteta, Oddelek za materiale in metalurgijo, Ljubljana 2000. † Delež ogljika in drugih zlitinskih elementov v jeklu bo vedno izražen kot masni delež v odstotkih! ‡ HB: trdota po Brinellu.
- 168 -
18. Toplotna obdelava jekel
Slika 18.1:
169
Fazna diagrama Fe-Fe3C in Fe-C. Čisto železo pri segrevanju prehaja iz α-Fe (TCK) v γ-Fe (PCK), γ-Fe v δFe (TCK), δ-Fe pa se stali. Polne črte predstavljajo ravnotežja cementita Fe3C z drugimi fazami, medtem ko črtkane črte prestavljajo ravnotežja grafita z drugimi fazami. Grafit je termodinamsko stabilnejši kot cementit, zato so ravnotežne črte pomaknjene k višjim temperaturam in k manjšim deležem ogljika. Ravnotežja med talino L in fazo δ, α in γ, δ in γ ter L in γ so v obeh sistemih enaka. Enaka je tudi peritektična reakcija. V teh sistemih poteka tudi evtektična reakcija (točki C in C') ter evtektoidna reakcija (točki S in S'). Večina jekel vsebuje do 1 % C, medtem ko je v litinah njegov delež navadno med 2 % C in 4 % C.
Iz faznih diagramov Fe-Fe3C in Fe-C je razvidno, da potekajo tri invariantne reakcije: Peritektična reakcija: 1493 ° C LB + δ H ←⎯⎯ ⎯ →γ I
(18.1)
Povedano z besedami: Talina s sestavo v točki B in primarno izločena faza δ sestave H, reagirata pri temperaturi 1493 °C in nastane faza γ s sestavo v točki I. Pri segrevanju poteka reakcija v nasprotni smeri. Ta reakcija poteka enako v obeh diagramih. Evtektična reakcija poteka v točkah C oziroma C': 1147 ° C LC ←⎯⎯ ⎯ → (γ E + Fe3 C D ) (ledeburit)
(18.2)
1153 ° C LC' ←⎯⎯ ⎯ → (γ E + grafit) (grafitni evtektik)
(18.3)
Skladno z diagramom Fe-Fe3C poteka strjevanje v beli litini, ki vsebuje tudi karbidni evtektik – ledeburit - (γ + Fe3C), ki nastane po reakciji (18.2). Ledeburit se tudi pojavlja v kromovih orodnih jeklih, ki so zelo odporna proti obrabi. Pri izdelavi tempranih litin Fe3C pri žarjenju razpade. Evtektoidna reakcija: 727 ° C γ S ←⎯⎯ →α P + Fe3CK .
(18.4)
Pri ohlajanju faza γ sestave S razpade v evtektoid, ki je sestavljen iz α sestave v točki P in Fe3C sestave v točki K. Ta evtektoid imenujemo perlit. V sistemu Fe-C je evtektoidna reakcija: 740 ° C γ S ' ←⎯⎯ → α P ' + CK '
(18.5)
V diagramu Fe-C so zaradi večje termodinamske stabilnosti grafita kot cementita reakcije pomaknjene k višjim temperaturam in k manjšim koncentracijam ogljika. Evtektična reakcija (18.3) nastopa tako pri strjevanju sive litine z lamelastim kot kroglastim grafitom.
- 170 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
V jeklih nastopa evtektoidna reakcija skladno z diagramom Fe-Fe3C, v železovih litinah pa po diagramu Fe-Fe3C ali Fe-C. Po katerem bo potekala, je odvisno od kemične sestave in hitrosti ohlajanja. Ugotovite temeljne podobnosti in razlike med faznima diagramoma Fe-C in Fe-Fe3C!
18.3 Mikrostrukturne sestavine v jeklih Mikrostrukturne sestavine v jeklih lahko ugotovimo iz železovega kota faznega diagrama Fe-Fe3C ter izotermnih in kontinuirnih premenskih diagramov. 18.3.1
Slika 18.2:
Mikrostrukturne sestavine v Fe-kotu faznega diagrama Fe-Fe3C
Železov kot faznega diagrama Fe-Fe3C
Pri ohlajanju evtektoidnega jekla (sestava v točki S) nastane perlit. Temperaturo, pri kateri poteka evtektoidna reakcija, imenujemo evtektoidna temperatura in jo označimo z A1. Temperatura A1 je ravnotežna temperatura (727 °C v diagramu Fe-Fe3C). Pri segrevanju in ohlajanju izmerimo nekoliko višjo oziroma nižjo temperaturo zaradi težav z nastankom nove faze. Ac1 je temperatura A1 pri segrevanju, Ar1 pa pri ohlajanju. Pri ohlajanju podevtektoidnih jekel, to je jekel, ki vsebujejo do 0,77 % C (med točkama G in S), se iz avstenita izloča predevtektoidni ferit. Temperaturo, pri kateri se začne izločati, imenujemo A3. Pri ohlajanju jo označimo z Ar3, pri segrevanju pa Ac3. Pri ohlajanju nadevtektoidnih jekel (več kot 0,77 % C, med točkama S in E) se iz avstenita izloča sekundarni cementit (Fe3C). Temperaturo, pri kateri se začne izločati iz avstenita, označimo z Acm. Pri ohlajanju do sobne temperature se iz ferita izloča terciarni cementit (to je pod črto PQ). V jeklu z 0,4 % C ugotovite temperaturi A3 in A1, v jeklu z 1 % C pa Acm.
18.3.2 Mikrostrukturne sestavine v izotermnih in kontinuirnih premenskih diagramih V izotermnih in kontinuirnih premenskih diagramih (slika 18.3) lahko poleg že znanih mikrostrukturnih sestavin iz ravnotežnega faznega diagrama Fe-Fe3C: avstenita, ferita, perlita in cementita, najdemo še področji bainita (zgornjega in spodnjega) ter martenzita.
A
Izotermni premenski diagram
Izotermni premenski diagram nam pove, katere mikrostrukturne sestavine in po kolikšnem času nastanejo pri izotermnem žarjenju na neki temperaturi. Na ordinati je temperatura, na abscisi pa je desetiški logaritem časa (glej Izotermni premenski diagrami str. 95).
18. Toplotna obdelava jekel
171
Pri izotermnem žarjenju jekel je postopek naslednji: • jeklo segrejemo na temperaturo avstenitizacije in ga zadržujemo tako dolgo, dokler ne nastane homogen avstenit, • jeklo čim hitreje ohladimo na temperaturo izotermnega žarjenja, • pri temperaturi izotermnega žarjenja jeklo zadržujemo tako dolgo, dokler ves avstenit ne razpade v določene produkte. Iz diagrama lahko odberemo več podatkov: • Temperaturo avstenitizacije. Ta je napisana v desnem zgornjem kotu diagrama. • Ravnotežno temperaturo A3 oziroma temperaturo Ac3, ki je ugotovljena pri neki majhni hitrosti segrevanja. Nad to temperaturo je zlitina sestavljena le iz avstenita. • Ravnotežno temperaturo A1 oziroma temperaturo Ac1, ki je ugotovljena pri neki majhni hitrosti segrevanja. To je temperatura evtektoidne reakcije. • Temperaturo Ms: temperatura začetka nastajanja martenzita (indeks s pomeni začetek, v angl. start). Navadno je to temperatura, pri kateri nastane 1 % martenzita. Delež martenzita se pri nadaljnjem ohlajanju povečuje. • Temperaturo Mf: temperatura konca nastajanja martenzita. Pri Mf je v mikrostrukturi 99 % martenzita (indeks f pomeni konec, v angl. finish). Ta je bolj poredko označena. • Delež reakcijskega produkta. • Trdoto, ki jo dosežemo. Praviloma je trdota tem večja, čim nižja je temperature premene. Poglejmo, kako uporabimo ta diagram. Pri temperaturi izotermnega žarjenja 700 °C začne po 20 s nastajati predevtektoidni ferit, ki se tvori vse do ~225 s. Takrat začne nastajati perlit in nastajanje preneha po ~800 s. Avstenit se v celoti pretvori v ferit in perlit. Prostorninski delež perlita je 70 % in je označen v perlitnem področju. Trdota je označena v krožcih. V tem primeru je trdota 97 HRb (Rockwellova metoda, vtiskalno telo je kroglica), kar je približno 217 HV (glej primerjalno razpredelnico v Krautovem strojniškem priročniku). Pri temperaturi izotermnega žarjenja 400 °C se začne transformacija avstenita v bainit (v tem primeru je to spodnji bainit, kar pa na diagramu ni razvidno) po ~4 s in se konča po 370 s. Trdota je med 35 in 45 HRc (~340-450 HV). Če ohladimo jeklo pod temperaturo Ms, nastane le martenzit. Delež martenzita se s časom praktično ne povečuje! Njegov delež je odvisen le od temperature, na katero ohladimo jeklo.
B
Kontinuirni premenski diagram
Potek premen pri zveznem ohlajanju podajajo kontinuirni premenski diagrami. Enako kot izotermni imajo tudi ti na abscisi čas v logaritemski skali, na ordinati pa temperaturo. Prav tako dobimo podatke o temperaturah avstenitizacije, A3 (Ac3), A1 (Ac1), Ms in včasih tudi Mf. Jeklo s temperature avstenitizacije ohlajamo z različnimi ohlajevalnimi hitrostmi, časovni potek ohlajanja podajajo ohlajevalne krivulje (slika 18.3 b). Skrajno desna krivulja podaja najpočasnejšo ohlajevalno hitrost: 1,25 °C/min. Uporabo kontinuirnega premenskega diagrama prikažimo na primeru, ko jeklo ohlajamo s hitrostjo ~25 °C/min. Zato zasledujmo primerno ohlajevalno krivuljo, to je peto krivuljo z desne. Pri ohlajanju s temperature avstenitizacije začne nastajati ferit šele pri ~690 °C (po ~380 s), ko ohlajevalna krivulja zadene področje ferita. Ferit nastaja do ~630 °C (~500 s). Nastane ga 20 %; to nam pove številka ob krivulji v področju ferita. Od 630 °C pa do ~580 °C (600 s) nastaja perlit. Nastane ga 25 %. Med 600 s in 800 s (med 580 °C in 510 °C) premena ne poteka. Perlit je prenehal nastajati, bainit pa se še ni začel tvoriti. Med 510 °C in 270 °C (med 800 s in 2000 s) nastaja bainit – 53 %. Pod 270 °C (nad 2000 s) se preostali avstenit transformira v martenzit. Če jeklo ohladimo pod Mf, ki na tem diagramu ni označena, bo delež martenzita 2 %. Trdota jekla pa 274 HV (oznaka v krožcu na koncu krivulje). Ugotovite podobnosti in razlike med izotermnim in kontinuirnim premenskim diagramom!
- 172 -
Slika 18.3:
GRADIVA – Visokošolski učbenik
a) Izotermni TTT diagram jekla 34 CrMo 4, b) kontinuirni premenski diagram jekla 34 CrMo 4.
18.3.3 Predevtektoidni ferit Predevtektoidni ferit je tisti, ki se izloča pred začetkom evtektoidne reakcije v podevtektoidnih jeklih§. Ferit se lahko začne izločati pod temperaturo A3. Pri malih podhladitvah pod to temperaturo je gonilna sila za nastanek ferita majhna, zato začne nastajati šele po daljših časih izotermnega žarjenja. Tvori se §
Podevtektoidna jekla so tista, ki vsebujejo manj kot 0,77 % C v Fe-Fe3C diagramu.
18. Toplotna obdelava jekel
173
predvsem na nekoherentnih mejah (slika 18.4 a). To so lahko kristalne meje avstenita ali fazne meje med nekovinskimi vključki in avstenitom. Feritna kristalna zrna praviloma rastejo enako hitro v vseh smereh (potrebna je difuzija dolgega dosega), čeprav najdemo tudi zrna z usmerjeno rastjo – ploščice ferita.
Slika 18.4:
Nastanek in rast predevtektoidnega ferita. Podhladitev pod temperaturo A3 narašča z leve proti desni. Podoben vpliv ima povečanje ohlajevalne hitrosti. Z večanjem podhladitve se veča težnja ferita, da bi rasel v obliki ploščic iz kristalnih mej avstenita, to so t.i. widmannstättenske ploščice. Z večanjem podhladitve se veča tudi delež ploščic ferita, ki se tvorijo znotraj kristalnih zrn avstenita. V jeklih z velikimi kristalnimi zrni je delež ferita nastalega znotraj kristalnih zrn večji kot v jeklih z manjšimi kristalnimi zrni. Z večanjem podhladitve se skupni delež ferita zmanjšuje. Pri jeklih, ki imajo sestavo blizu evtektoidne točke S, se pri določeni podhladitvi predevtektoidni ferit sploh ne pojavi več, temveč se avstenit v celoti pretvori v perlit ali bainit.
18.3.4 Perlit Perlit nastane z evtektoidno transformacijo avstenita. Perlit je dvofazna mikrostrukturna sestavina. Sestavljen je iz cementita in ferita . V običajnih razmerah rasti nastane lamelni perlit, v katerem si zaporedoma sledijo lamele cementita in ferita. Le pri skrajno počasnem ohlajanju nastane zrnati perlit ali sferoidit, v katerem se v feritni osnovi nahajajo kroglice cementita (disperzna mikrostruktura). Ker je perlit dvofazna mikrostruktura, morata pred pričetkom njegove rasti nastati obe fazi, ki ga sestavljata. Vzemimo, da najprej nastane kal ferita na kristalni meji med dvema zrnoma avstenita (slika 18.5 a). Ferit ima z zrnom γ1 vzajemno kristalografsko orientacijo** in tvori z njim delno koherentno mejo, ki je slabo gibljiva. Meja z zrnom γ2 je nekoherentna in je veliko bolj gibljiva. Zato raste ferit prednostno v kristalno zrno γ2. Ker topi ferit mnogo manj ogljika kot avstenit (največ 0,022 % C), presežni ogljik†† obogati avstenit ob ploščici ferita. To vodi do nastanka ploščic cementita na obeh straneh ploščice ferita. Z izmeničnim nastajanjem ploščic ferita in cementita se perlitna kolonija prečno širi.
Slika 18.5:
a) Nastanek in rast perlita. b) Vzajemna rast cementita in ferita v perlitu
Perlitna kolonija raste v smeri pravokotno na začetno kristalno mejo γ/γ. Presežni ogljik, ki ga izloči feritna lamela, se vgradi v cementitno (slika 18.5 b). Lameli ferita in cementita rasteta vzporedno druga z drugo, vendar kljub temu ni med njima prednostne kristalografske orientacije. Pri izotermni premeni se med rastjo perlita vzdržuje konstantna medlamelna razdalja λ, ki je definirana kot razdalja med središčema najbližjih lamel ferita (ali cementita). Če se lameli cementita preveč oddaljita, se ena od njiju
** Vzajemna kristalografska orientacija: Določene kristalne ravnine in smeri dveh faz so med seboj vzporedne. Npr. ravnina (1 1 1) avstenita je vzporedna ravnini (1 1 0) ferita in smer [1 1 0] avstenita je vzporedna smeri [1 1 1] ferita. †† Presežni ogljik je bil v delu avstenita, ki se je pretvoril v ferit. Če vzamemo, da je imel avstenit 0,4 % C, ferit pa ga ima 0,01 %, potem je razlika 0,39 % C prešla v preostali avstenit in ga obogatila.
- 174 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
razveji; če pa se preveč približata, ena od njiju preneha rasti. Na medlamelno razdaljo odločilno vpliva difuzija ogljika pred lamelo ferita proti lameli cementita. Z večanjem podhladitve se difuzijski koeficient ogljika zmanjšuje ter s tem tudi pot, ki jo lahko opravi v nekem času. Zato so lamele bliže druga drugi (manjša medlamelna razdalja λ). Z večanjem podhladitve se povečuje tudi nukleacijska hitrost (hitrost nastajanja perlitnih kolonij), zato so perlitne kolonije številnejše (slika 18.6). S tem se povečuje število zaprek, ki ovirajo drsenje dislokacij, in jeklo ima višjo napetost tečenja in trdoto.
Slika 18.6:
Vpliv pohladitve na medlamelno razdaljo v perlitu in na število lamelnih perlitnih kolonij
18.3.5 Sekundarni cementit Sekundarni cementit se izloča iz avstenita po črti SE. Mrežasto obda kristalna zrna γ. Pri evtektoidni reakciji se avstenit pretvori v perlit, okoli zrn perlita ostane mrežasto razporejen sekundarni cementit (slika 18.7). Takšna mikrostruktura je neugodna, saj je cementit trd in krhek. Zato lahko razpoke potujejo vzdolž sekundarnega cementita in povzročijo interkristalni krhki lom. 18.3.6 Terciarni cementit Terciarni cementit se izloča vzdolž črte PQ. Pri jeklih, ki vsebujejo manj kot 0,022 % C, se izloča po kristalnih mejah (slika 18.7). Pri jeklih, ki pa vsebujejo več ogljika, pa kristalizira na sekundarnem cementitu ali cementitu v perlitu.
Slika 18.7:
Mikrostruktura s sekundarnim in terciarnim cementitom
18.3.7 Bainit V ravnotežnem faznem diagramu ni bainita. Nastane lahko pri večjih podhladitvah, ko postaja gonilna sila za razpad avstenita vedno večja, difuzivnost pa vedno manjša. Predvsem vedno manjša difuzivnost otežuje difuzijo dolgega dosega, ki je potrebna za nastanek in rast ferita, kakor tudi difuzijo ogljika pred lamelama ferita in cementita pri rasti perlita. Prednost dobijo premene, pri katerih je potrebna čim manjša prerazporeditev atomov. Glede na temperaturo premene in s tem na možnost prerazporeditve atomov z difuzijo lahko nastaneta dve vrsti bainita: zgornji ali peresasti in spodnji ali igličasti. Skupno jima je to, da navadno na kristalni meji γ/γ nastane prenasičeni ferit, ki raste v eno izmed γ-zrn (slika 18.8). Pri zgornjem bainitu se na mejah z avstenitom izločajo drobne ploščice cementita Fe3C, pri spodnjem bainitu pa še drobnejše ploščice ε-karbida (Fe2,4C) znotraj ferita. V obeh primerih nastane drobna disperzna mikrostruktura. Zaradi tega je trdota bainita dosti večja od trdote ferita ali perlita, spodnji bainit pa je trši kot zgornji. Ali je ε-karbid prisoten tudi v diagramu Fe-Fe3C? Kako si lahko razložite njegovo navzočnost v spodnjem bainitu?
18. Toplotna obdelava jekel
175
Ugotovite podobnosti in razlike med perlitom in bainitom!
Slika 18.8:
a) Nastanek in rast zgornjega ali peresastega bainita. Desno je prikazana oblika feritne ploščice. Pri višjih temperaturah bainitnega področja je bainit sestavljen iz iglic ali letvic ferita, med katerimi so izločki cementita. Feritne letvice rastejo v delno transformirani avstenit, podobno kot Widmannstättenske feritne ploščice (oblika je na (b)) Ferit nastane na kristalni meji γ1/γ2 in raste zelo hitro v zrno γ2, s katerim ima vzajemno kristalno orientacijo. Ob debelitvi ploščice se koncentracija ogljika v avstenitu povečuje in na kristalnih mejah ferit/avstenit se tvorijo drobni delci cementita. c) Shematičen prikaz rasti spodnjega bainita. Pri dovolj nizkih temperaturah se oblika bainita spremeni iz letvastega v ploščatega. V ploščici ferita se izloča metastabilni ε-karbid (Fe2,4C), ki je skladen s feritom, s katerim ima tudi vzajemno kristalno orientacijo.
18.3.8 Martenzit Pri večji pohladitvi je gonilna sila za premeno avstenita še večja, difuzivnost pa lahko v celoti zamre, tako da difuzijske premene niso več možne. Kadar jeklo podhladimo pod Ms, se lahko avstenit (PCK) z brezdifuzijsko ali martenzitno premeno pretvori v martenzit, ki ima telesno centrirano tetragonalno (TCT) kristalno zgradbo. Kristalna zgradba martenzita je torej zelo podobna kristalni zgradbi ferita (TCK), razlika je v tem, da je velikost roba celice v smeri z-osi večja kot v smereh x- in y-osi (c ≠ a = b). To popačenje povzroči prisilno raztopljen ogljik, ki se prednostno razporedi v oktaedrske vrzeli na robovih, ki so vzporedni z z-osjo. Glede na podobnost kristalne zgradbe martenzita in ferita imamo martenzit za prenasičeno trdno raztopino ogljika v feritu.
Za martenzitno premeno je značilno, da delež martenzita ni odvisen od časa zadrževanja na temperaturi pod Ms, temveč se povečuje z večanjem podhladitve pod Ms (slika 18.9 a). Šele ko jeklo podhladimo na Mf, se ves avstenit pretvori v martenzit. Avstenit, ki se pri ohlajanju ne premeni in ostane v mikrostrukturi, imenujemo zadržani. Martenzitne ploščice nastanejo na dislokacijah v kristalnih zrnih. Prve ploščice segajo preko celotnega kristalnega zrna. Ker se pri njihovem nastanku močno povečajo notranje napetosti, je nadaljnja premena možna šele pri nižji temperaturi, nove ploščice pa so vedno manjše. Velike notranje napetosti izvirajo iz dejstva, da ima martenzit drugačno obliko kot avstenit, iz katerega nastane (slika 18.9 b). Čeprav se ploščice martenzita močno plastično deformirajo, ostanejo v avstenitu še velike elastične napetosti. Za martenzit je značilna velika trdota, ki je sorazmerna deležu ogljika. V jeklu z okoli 0,8 % ogljika doseže trdota vrednost okoli 67 HRC. Veliko trdoto martenzita v največji meri povzroča prisilno raztopljeni ogljik (utrjanje trdne raztopine, raztopinsko utrjanje). Pomembni so tudi prispevki zaradi velike gostote dislokacij (deformacijsko utrjanje) oziroma dvojčičnih mej v posameznih ploščicah martenzita, velike gostote martenzitnih ploščic (utrjanje s kristalnimi mejami) in velikih elastičnih napetosti v zadržanem avstenitu. Odkod izvira velika trdota martenzita? Ali je martenzit termodinamsko stabilna mikrostrukturna sestavina?
- 176 -
Slika 18.9:
GRADIVA – Visokošolski učbenik
a) Z večanjem podhladitve se število martenzitnih ploščic povečuje. Te so vedno manjše. Pri temperaturah okoli Ms se tvorijo na dislokacijah v kristalnih zrnih avstenita prve ploščice martenzita in rastejo, dokler ne zadenejo velikokotne kristalne meje ali že nastale ploščice martenzita. Dolžina prvih martenzitnih ploščic je zato enaka premeru zrn avstenita. V maloogljičnih jeklih je ploščica martenzita vzporedna ravnini (1 1 l) avstenita, v srednjeogljičnih ravnini (225) avstenita, v mnogoogljičnih in legiranih pa ravnini (259) avstenita. b) Dve stopnji pri nastanku martenzitne ploščice: b1) Bainovo popačenje in plastična deformacija martenzitne ploščice z b2) drsenjem dislokacij in b3) dvojčenjem, Prva stopnja martenzitne premene je Bainovo popačenje. Pri tem se PCK-avstenit pretvori v TCT-martenzit. Pri tem se v večji prostornini atomi v vsaki ravnini premaknejo za enako razdaljo v isto smer glede na atome v spodnji ravnini, premik pa mora biti manjši od mrežnih razdalj PCK-avstenita. V drugi stopnji se ploščica plastično deformira (mrežno invariantna reakcija). Ob spremembi kristalne zgradbe nastanejo velike napetosti, ki povzročijo plastično deformacijo martenzitne ploščice. S tem se martenzitna ploščica prilagodi prostornini avstenita, iz katerega je nastala. Deformacija lahko poteka ali z drsenjem dislokacij ali z dvojčenjem. V prvem primeru ima nastali martenzit veliko gostoto dislokacij (tudi do 1016 m/m3), v slednjem pa veliko gostoto dvojčičnih mej (razdalja med njimi je lahko le 3 nm). Notranjo zgradbo martenzitne ploščice lahko opazujemo s presevnim elektronskim mikroskopom (TEM).
Slika 18.10:
Shematičen prikaz možnih toplotnih obdelav podevtektoidnega jekla. 1: normaliziranje (hlajenje na zraku), 2: izotermno žarjenje (v tem primeru perlitizacija), 3: izotermno kaljenje – austempering ali bainitno poboljšanje (nastane spodnji bainit), 4: stopenjsko kaljenje – martempering ali breznapetostno kaljenje (nastane martenzit), neposredno kaljenje (nastane martenzit).
18.4 Vrste toplotnih obdelav Pri tipični toplotni obdelavi jeklo segrejemo na neko temperaturo, ga na njej zadržujemo določen čas in ohladimo s primerno ohlajevalno hitrostjo. 18.4.1 Segrevanje jekla Segrevanje na temperaturo toplotne obdelave je lahko prekinjeno (stopenjsko) ali neprekinjeno. Pri segrevanju se plašč valja segreva hitreje kot jedro, zato se v njem pojavijo notranje napetosti. Temperaturna razlika med plaščem in jedrom - ter s tem velikost notranjih napetosti - je sorazmerna
18. Toplotna obdelava jekel
177
hitrosti segrevanja in premeru valja. Če notranje napetosti presežejo napetost tečenja, se obdelovanec plastično deformira ali izvega; če presežejo trdnost materiala pa razpoka. Pri jeklih je občutljivost na razpokanje sorazmerna tako imenovanemu ogljikovemu ekvivalentu CE, ki ga izračunamo z naslednjo empirično enačbo:
CE = w (C) + 0, 20 ⋅ w (Mn) + 0,25 ⋅ w (Cr) + 0,33 ⋅ w (Mo) + 0,10 ⋅ w (Ni)
(18.6)
kjer je w (i) masni delež elementa i izražen v odstotkih. Kot se vidi iz enačbe (18.6), zlitinski elementi povečujejo ogljikov ekvivalent in s tem občutljivost na razpokanje. Temu je vzrok to, da je legirano jeklo trdnejše in slabše preoblikovalno. Poleg tega je njegova toplotna prevodnost slabša, kar poveča temperaturno razliko med plaščem in jedrom valja in s tem tudi notranje napetosti. Zato legirana jekla ne segrevamo neposredno na temperaturo avstenitizacije, temveč v eni do treh stopnjah.
Slika 18.11:
Časovni potek segrevanja jekel z različnim ogljikovim ekvivalentom in premerom.
18.4.2 Difuzijsko ali homogenizacijsko žarjenje (homogenizacija) Pri tem potekajo enaki procesi, kot smo jih opisali v poglavju o homogenizacijskem žarjenju. Jeklo segrejemo na 1000–1200 °C. Če segrejemo jeklo v bližino temperature solidus, oksidira po kristalnih mejah – to je prežgano jeklo. Takega jekla ne moremo več popraviti. Groba zrna lahko zmanjšamo z normaliziranjem. 18.4.3 Žarjenje za odpravo notranjih napetosti Pri jeklu odpravimo notranje napetosti z žarjenjem pri temperaturah med 500 °C in 600 °C. Nato ga počasi ohladimo. 18.4.4 Rekristalizacijsko žarjenje Pri jeklih je temperatura rekristalizacije navadno med 600 °C in 700 °C, odvisna je od stopnje plastične deformacije in vrste jekla. 18.4.5 Avstenitizacija Pri avstenitizaciji segrejemo jeklo v avstenitno področje, da bi nastal homogen avstenit ob najmanjši rasti kristalnih zrn. Potekati mora v varovalni atmosferi, da se izognemo oksidaciji in razogljičenju površine. Avstenitizacija je ena izmed stopenj pri različnih toplotnih obdelavah jekla, kot so: normaliziranje, kaljenje, žarjenje na grobo zrno…
- 178 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
V splošnem velja, da je temperatura avstenitizacije 30 do 50 °C nad temperaturo Ac3. V diagramu Fe-Fe3C je to 30–50 °C nad črto GS, v legiranih jeklih jo izračunamo z uporabo naslednje empirične enačbe, v kateri w (i) pomeni masni delež komponente i v odstotkih: Ac 3 = 902 − 255 ⋅ w (C) + 19 ⋅ w (Si) − 11 ⋅ w (Mn) + + 13 ⋅ w (Mo) − 5 ⋅ w (Cr) − 20 ⋅ w (Ni) + 55 ⋅ w (V)
(18.7)
Za ugotovitev temperature in časa žarjenja lahko uporabimo izotermne diagrame čas-temperaturaavstenitizacija (slika 18.12 a). Če žarimo pri 835 °C, dosežemo homogen avstenit po 860 s žarjenja. Ob nadaljnjem žarjenju kristalna zrna rastejo. Hitrost njihove rasti se z naraščanjem temperature hitro veča.
Slika 18.12:
a) Izotermni diagram čas-temperatura-avstenitizacija jekla Ck 45, b) Kontinuirni diagram čas-temperaturaavstenitizacija jekla Ck 45 (0,45 % C, 0,65 % Mn, 0,25 % Si, <0,035 % P, <0,035 % S).
Pri površinskem kaljenju se jeklo na površini hitro segreje v avstenitno področje in takoj zatem kali (hladi npr. z vodo). Da se jeklo ne bi segrelo še v notranjosti, so časi segrevanja in zadrževanja v avstenitnem področju omejeni, toda tudi v tem kratkem času je potrebno doseči homogen avstenit. Zato so temperature avstenitizacije višje kot pri izotermnem žarjenju, višajo se s povečevanjem hitrosti segrevanja (slika 18.12 b). Na primer pri hitrosti segrevanja 100 °C s–1 nastane homogen avstenit šele pri temperaturi okoli 1050 °C, ki je za več kot 200 °C višja od temperature izotermne avstenitizacije. Ugotovite podobnosti in razlike med izotermnim in kontinuirnim diagramom čas – temperatura – avstenitizacija!
18.4.6 Žarjenje na grobo zrno Z večanjem velikosti kristalnih zrn se zmanjša žilavost jekel. Nekatera jekla so zaradi tega boljše odrezovalna. Večja zrna dosežemo, če dalj časa žarimo v avstenitnem področju. Gonilna sila za rast kristalnih zrn je zmanjšanje energije kristalnih mej. Po mehanski obdelavi lahko kristalna zrna zmanjšamo z normaliziranjem. 18.4.7 Normaliziranje Normaliziranje je toplotna obdelava, pri kateri želimo doseči enakomerno mikrostrukturo, sestavljeno iz drobnozrnatega ferita ter drobnolamelnega perlita.
Uporabljamo ga za pretvorbo grobozrnate mikrostrukture v drobnozrnato, predvsem v ulitkih iz jeklene litine in izkovkih. Na ta način lahko izboljšamo mehanske lastnosti jekla - predvsem žilavost. Normaliziramo tudi zvare, ki imajo majhno žilavost. Pri normaliziranju avstenitiziramo podevtektoidna jekla 30-50 °C nad temperturo A3 (krivulja GS), nadevtektoidna jekla pa 30-50 °C nad temperaturo A1. Pri segrevanju nastanejo iz vsakega zrna perlita 2 do 3 zrna avstenita, pri ohlajanju na zraku pa ponovno iz vsakega zrna avstenita 2–3 zrna perlita. Tako se velikost kristalnih zrn močno zmanjša (slika 18.13). Dodatno zmanjšanje dosežemo, če postopek ponovimo. Normaliziramo predvsem malo- in srednjeogljična jekla. Nadevtektoidna jekla normaliziramo zato, da porušimo mrežo sekundarnega cementita. Navadno jih ne segrejemo v področje avstenita, temveč
18. Toplotna obdelava jekel
179
v področje avstenita in sekundarnega cementita (med temperaturi A1 in Acm). Cementit dobi obliko kroglic, kajti s tem se zmanjša površinska energija, ker imajo kroglice najmanjšo površino pri dani prostornini.
Slika 18.13:
a) Temperaturno področje, v katerem avstenitiziramo jeklo pred normaliziranjem. b) Zmanjšanje kristalnih zrn z normaliziranjem. c) Zmanjševanje kristalnih zrn z večkratnim normaliziranjem.‡‡
18.4.8 Izotermno žarjenje Pri izotermnem žarjenju jeklo hitro ohladimo s temperature avstenitizacije na neko temperaturo med A1 in Ms in ga zadržujemo tako dolgo, da se ves avstenit pretvori v določeno drugo mikrostrukturno sestavino. Pri jeklih, ki vsebujejo do 0,2 % C, lahko pri izotermnem žarjenju med 640 °C in 680 °C dobimo mikrostrukturo sestavljeno iz zrn ferita in perlita (mikrostruktura je podobna dupleksni). Pri normaliziranju namreč pogosto dobimo trakasto mikrostrukturo, kjer so trakovi ferita in perlita usmerjeni v smeri predhodne plastične deformacije, kar je neugodno.
Jekla z večjo koncentracijo ogljika (med 0,35 in 0,85 % C) lahko izotermno transformiramo pri temperaturi okoli 500 °C v svinčevi kopeli, kjer nastane le drobnozrnati in drobnolamelni perlit. Znan postopek je patentiranje, kjer jekleno žico po izotermnem žarjenju hladno vlečemo, da jo še deformacijsko utrdimo. Dosežemo lahko natezno trdnost do 2200 MPa. Kateri utrjevalni mehanizmi delujejo v patentirani žici? V čem se razlikujeta normaliziranje in izotermno žarjenje?
18.4.9 Kaljenje Kaljenje je toplotna obdelava jekel, katere cilj je povečati trdnosti in trdoto jekla. Da dosežemo zahtevano žilavost, jeklo po hitrem ohlajanju popuščamo.
Pri kaljenju jeklo segrejemo na temperaturo avstenitizacije (pogosto jo imenujemo tudi kalilna temperatura), ki je pri ogljikovih jeklih odvisna od deleža ogljika. Podevtektoidna jekla (za konstrukcijske namene v strojništvu in gradbeništvu) segrevamo na temperaturo 30-50 °C nad GS-črto, da dobimo homogeni avstenit. Pri hitrem hlajenju preide avstenit v martenzit. Če jeklo pred kaljenjem vsebuje poleg avstenita še ferit (temperatura pod GS – med A1 in A3) ne dosežemo največjih možnih trdot, ker se samo avstenit pretvori v martenzit, ferit pa se ne spremeni. Nadevtektoidna jekla segrevamo pred kaljenjem nad črto PSK (A1). Pri tem se perlit in del cementita pretvorita v avstenit, del cementita se ne raztopi in dobi okroglo obliko, vsekakor se moramo izogniti mrežastemu cementitu. Pri kaljenju preide avstenit v martenzit, cementit pa ostane v mikrostrukturi. Taka mikrostruktura je po kaljenju trda in odporna proti obrabi (orodna jekla).
‡‡ Velikost zrn po ASTM: število zrn na kvadratni milimeter m (mm-2) = 8 × 2G, srednji premer zrn je D = m-0,5. Pri G = 0 je zrn na 1 mm-2 in D = 350 μm. Pri G = 8 je m = 2048 in D ~ 22 μm.
- 180 A
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Načini (vrste) kaljenja
a) Normalno kaljenje jekla. Segret predmet potopimo v hladilno sredstvo in ga v hladilnem sredstvu energično premikamo ter ohladimo do temperature hladilnega sredstva. b) Pri kaljenju jekla nastanejo zaradi zelo različnih ohlajevalnih hitrosti v plašču in jedru valja velike notranje napetosti, ki lahko povzročijo zveganje in v skrajnem primeru tudi razpokanje obdelovanca. Ena izmed možnosti za zmanjšanje tveganja je stopenjsko kaljenje, ki poteka v dveh hladilnih sredstvih. V prvem hladilnem sredstvu (solna ali kovinska talina) jeklo hitro ohladimo do temperature malo nad Ms, da se temperaturna razlika med jedrom in plaščem zmanjša. Toda še preden se prične pretvorba v bainit, ohladimo v drugem sredstvu (olje ali zrak) pod Ms, da iz avstenita nastane martenzit. Takšno kaljenje imenujemo breznapetostno kaljenje (martempering). c) Notranje napetosti lahko zmanjšamo tudi z izotermnim kaljenjem, ki ga imenujemo bainitno poboljšanje (austempering). Jeklo ohladimo na temperaturo tik nad Ms v toplotni kopeli in ga zadržujemo na tej temperaturi, dokler se ves avstenit ne pretvori v spodnji bainit. Dodatna prednost tega postopka je ta, da odpade popuščanje, ki praviloma sledi kaljenju, vendar pa so lastnosti nekoliko slabše kot v kaljenem in popuščanem stanju. d) Površinsko kaljenje uporabljamo, ko želimo utrditi površino, medtem ko mora ostati notranjost kaljenega dela mehka in žilava. Površino segrevamo na kalilno temperaturo (uporabimo kontinuirni diagram čas – temperatura – avstenitizacija) in hitro hladimo še preden toplota s površine segreje notranjost obdelovanca. Pri induktivnem segrevanju površine uporabljamo visokofrekvenčni induktor, ki v obdelovancu inducira izmenične tokove, ki ga segrevajo na kalilno temperaturo. Zaradi površinskega pojava (skin efekta) tečejo tokovi le po površini obdelovanca, segreta plast pa je tem bolj plitva, čim višja je frekvenca izmeničnega toka. S kratkotrajnim segrevanjem preprečimo segretje notranjosti nad temperaturo A1, tako da se pri hitrem ohlajanju zakali le površina. Pri plamenskem površinskem kaljenju uporabljamo gorilnik s plamenom acetilena in kisika. Močan dovod toplote hitro segreje površino nad Ac3 temperaturo, ki jo nato hitro ohladimo. Jekla, ki imajo Mf pod sobno temperaturo lahko podhlajujemo do temperatur med –75 °C in -195 °C, da povečamo delež martenzita in zmanjšamo delež zadržanega avstenita. Postopek imenujemo stabilizacija. S tem povečamo trdoto in zmanjšamo žilavost. Podhladitev kaljenih orodij iz ogljikovih in hitroreznih jekel znatno poveča trdoto, rezilne lastnosti in stabilizira dimenzije. Primerjajte med seboj različne postopke kaljenja!
18.4.10 Kaljivost jekel Pri ohlajanju obdelovancev v poljubnem hladilnem sredstvu se največja ohlajevalna hitrost doseže v njegovem plašču in pojema proti jedru. Posledično se spreminja tudi mikrostruktura. Če je v plašču prekoračena zgornja kritična ohlajevalna hitrost, nastane le martenzit. Z oddaljevanjem od površine se delež martenzita zmanjšuje, delež drugih mikrostrukturnih sestavin pa povečuje. Podevtektoidno jeklo bo imelo po dovolj počasnem ohlajanju v jedru mikrostrukturo sestavljeno iz ferita in perlita (slika 18.14).
Pod pojmom kaljivost razumemo največjo trdoto, ki jo lahko dosežemo v nekem jeklu pri kaljenju, ter tudi globino, do katere se jeklo prekali. Trdota martenzita je v glavnem odvisna le od deleža ogljika, ki je raztopljen v avstenitu (slika 18.14), medtem ko globino, do katere se jeklo prekali, močno povečajo zlitinski elementi z izjemo kobalta. Po dogovoru je jeklo prekaljeno do globine, kjer je v mikrostrukturi 50 % martenzita. Potrebne hitrosti ohlajanja so okoli 300 °C/s za ogljikova jekla (to lahko dosežemo s kaljenjem v vodi), 80–100 °C/s za srednje legirana jekla (kalimo v olju) ter 3–5 °C/s za močno legirana jekla (kalimo na zraku). Kaljeno globino lahko natančno ugotovimo z metalografsko preiskavo, ocenimo z uporabo premenskih diagramov, za praktično uporabo pa se je najbolj uveljavil preskus Jominy . Pri tem preskusu
18. Toplotna obdelava jekel
181
valjast preskušanec čelno hladimo in ugotovimo potek trdote v odvisnosti od oddaljenosti od kaljenega čela (slika 18.15). Dobimo tako imenovano krivuljo Jominy, ki jo uporabljamo pri izbiri jekel in pri napovedovanju trdote jekel.
Slika 18.14:
a) Rob valja se mnogo hitreje ohlaja kot jedro, zato je bila presežena zgornja kritična hitrost ohlajanja in v mikrostrukturi je martenzit ter nekaj zadržanega avstenita. V jedru je bilo ohlajanje počasno, zato je sestavljeno iz ferita in perlita. Jeklo je prekaljeno do globine, kjer je v mikrostrukturi 50 % martenzita. b) Trdota martenzita narašča z deležem ogljika. Trdota je tudi sorazmerna deležu martenzita v mikrostrukturi. Pri poljubnem deležu ogljika lahko ugotovimo kritično trdoto, tako da poiščemo presečišče s krivuljo za 50 % martenzita. Kritična trdota jekla, ki vsebuje 0,4 % C je 38 HRc. To pomeni, da je valj prekaljen do globine, kjer je trdota enaka 38 HRc.
Slika 18.15:
a) Shematični prikaz naprave za preskus Jominy z vstavljenim preskušancem Jominy, b) jeklo s slabo prekaljivostjo in c) jeklo z dobro prekaljivostjo.
Pri slabo kaljivem jeklu se trdota hitro zmanjšuje z oddaljenostjo od površine, pri dobro prekaljivem pa počasi. V standardih je podan pas prekaljivosti, ki je omejen z zgornjo krivuljo prekaljivosti in spodnjo krivuljo prekaljivosti (slika 18.15). Pas prekaljivosti dobimo, ker je delež elementov v nekem jeklu podan v tolerančnem območju. Na primer, sestava jekla 49 CrMo 4 je 0,46-0,54 % C, 0,50-0,80 % Mn, do 0,4 % Si, največ 0,035 % S, največ 0,035 % P, 0,90-1,20 % Cr in 0,15-0,30 Mo. Če to jeklo vsebuje najmanjše količine zlitinskih elementov, bo dejanski potek krivulje Jominy blizu spodnje meje, če pa največje količine, potem bo blizu zgornje meje. Zakaj določamo prekaljivost jekla?
- 182 -
Slika 18.16:
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Shematični prikaz mikrostrukturnih sprememb pri popuščanju. Prva stopnja popuščanja poteka med 100 °C in 200 °C. Z ogljikom prenasičeni tetragonalni martenzit razpade v metastabilni ε-karbid (Fe2,4C) in kubični martenzit. Karbid ε ploščate oblike se izloča znotraj ploščic martenzita, s katerim ima vzajemno kristalno orientacijo. Delci karbida prispevajo k temu, da se martenzit pri jedkanju obarva črno – zato ga imenujemo tudi črni martenzit. S prvo stopnjo popuščanja se prepleta že druga stopnja, ki poteka med 150 °C in 300 °C. Zadržani avstenit razpade v kubični martenzit in ε-karbid. Tako je mikrostruktura jekla v celoti sestavljena iz kubičnega martenzita in karbida ε - to pa sta fazi, ki sestavljata tudi spodnji bainit. Zato so lastnosti popuščenega jekla in spodnjega bainita zelo podobne. Poleg ε-karbida se pri temperaturah popuščanja, ki so blizu zgornji meji tega področja izločajo že submikroskopski delci cementita. V tretji stopnji popuščanja med 300 °C in 400 °C karbid ε prehaja v stabilni cementit Fe3C. Cementit se tudi izloča iz prenasičenega metastabilnega kubičnega martenzita. Submikroskopski delci cementita imajo obliko ploščic, ki se pa po daljšem času preoblikujejo v zrnato obliko. Četrta stopnja popuščanja poteka od 400 °C pa vse do temperature A1. Mikrostruktura je že v celoti sestavljena iz ferita in cementita. Najprej poteka ogrobitev delcev cementita; drobno disperzijo delcev zamenja bolj groba. Površinska energija delcev se zmanjša tako, da iz manjših delcev nastajajo večji. To pomeni, da se manjši delci raztapljajo, material, iz katerega so bili sestavljeni, pa se ponovno izloča na večjih delcih, ki rastejo. Proces imenujemo koagulacija in je enak Ostwaldovemu zorenju, ki smo ga obravnavali v poglavju o izločevalnem utrjanju. Delci dodatno zmanjšajo površinsko energijo tako, da se jim spremeni oblika iz ploščate v okroglo, kajti krogla ima najmanjšo površino pri dani prostornini. Ta proces imenujemo sferoidizacija. Tako je mikrostruktura sestavljena iz feritne osnove z okroglimi delci cementita. Imenujemo jo zrnati perlit ali sferoidit. Torej je enako kot pri mikrostrukturi, ki jo dobimo pri mehkem žarjenju. Lamelni perlit nastane le pri ohlajanju z razpadom avstenita, nikakor pa ne s transformacijo martenzita ali zadržanega avstenita pri popuščanju. Peta stopnja popuščanja se pojavi v jeklih, ki so legirana z W, Cr, Mo...; to je z elementi, ki tvorijo z ogljikom zelo stabilne karbide. Ti zlitinski elementi imajo večje atomske premere od železa in so v njem substitucijsko raztopljeni. Njihova difuzijska hitrost je bistveno manjša od samodifuzije železa in difuzije intersticijsko raztopljenega ogljika. Pri nizkih temperaturah se praktično ne premikajo, vplivajo le tako, da otežijo difuzijo ogljika in železa. Šele pri temperaturah med 500 °C in 600 °C postanejo dovolj gibljivi, da lahko začnejo tvoriti lastne karbide.
18.4.11 Popuščanje jekla Po kaljenju ima jeklo zelo veliko trdoto in trdnost, vendar majhno žilavost. Zato ga je potrebno popuščati pri ustrezni temperaturi, vendar v vsakem primeru pod temperaturo A1. Cilj popuščanja je zmanjšanje notranjih napetosti, stabiliziranje mikrostrukture, zmanjšanje trdote in povečanje žilavosti. Pri popuščanju preideta zadržani avstenit in martenzit v obstojnejše mikrostrukturne sestavine.
Nizkotemperaturno popuščanje poteka od 150 do 250 °C. Trdota se le malo zmanjša (na okoli 60 HRc), zmanjšajo se tudi notranje napetosti in nekoliko poveča žilavost. Mikrostruktura je sestavljena iz
18. Toplotna obdelava jekel
183
popuščenega martenzita. V tem območju popuščamo rezilna orodja iz ogljikovih in malolegiranih jekel, merilna orodja, cementirane dele…
Srednjetemperaturno popuščanje poteka med 350 °C in 450 °C. Zmanjšata se trdota in trdnost, povečata raztezek in žilavost. Trdota 35-45 HRc. Primerno je za vzmetna jekla. Visokotemperaturno popuščanje poteka pri temperaturah med 550 °C do 700 °C. Žilavost jekla se precej poveča, zato se lahko jeklo uporablja za dinamično obremenjene elemente, kot so npr. gredi. Kombinacija kaljenja in visokotemperaturnega popuščanja se imenuje poboljšanje. Enak učinek popuščanja lahko dosežemo s krajšim žarjenjem pri visokih temperaturah ali dolgotrajnejšim žarjenjem pri nižjih temperaturah. Zato so definirali parameter popuščanja Pp: Pp = T (20 + log t )
(18.8)
kjer je T temperatura v Kelvinih in t čas v urah. Pri enakem parametru popuščanja je trdota enaka! Procesi, ki potekajo pri popuščanju so precej zapleteni. Shematično so prikazani na sliki 18.16. V ogljikovih jeklih vodijo do zmanjšanja trdnosti in trdote ter povečanja žilavosti, razteznosti in duktilnosti. V določenih temperaturnih področjih se žilavost jekla zmanjša (slika 18.17). Krhkost v modrem se pojavi med 200 °C in 300 °C, popuščna krhkost pa med 450 °C in 550 °C. Slednjo lahko odpravimo z dodatkom molibdena. Pri kaljenju močnolegiranih (npr. hitroreznih) jekel se v temperaturnem območju med 500 °C in 600 °C trdota poveča – sekundarno utrjanje (maksimum na krivulji), žilavost pa zmanjša (minimum na krivulji), ker se izločajo drobni karbidi zlitinskih elementov, ki izločevalno utrdijo osnovo.
Slika 18.17:
a) Vpliv temperature popuščanja jekla 50 CrV 4 na njegove mehanske lastnosti. Trdota pojema z višanjem temperature popuščanja. Udarna žilavost (UŽ) se povečuje, vendar se pojavljata dva minimuma. Prvi je približno med 200 °C in 300 °C (oznaka KM). V tem področju se pojavi krhkost v modrem. Ime je dobila po tem, ker je površina jekla po popuščanju modrikaste barve. Drugi minimum je med 450 °C in 550 °C (oznaka PK). Imenujemo ga popuščna krhkost. Pojavi se zato, ker določeni elementi, kot so fosfor, žveplo... difundirajo (segregirajo) na kristalne meje in jih močno oslabijo. Zato pri udarnem preskusu razpoke z lahkoto potujejo vzdolž kristalnih mej in povzročijo krhek interkristalni lom. b) V orodnih jeklih se zaradi V. stopnje popuščanja pojavi popuščni maksimum med 500 °C in 600 °C (sekundarno utrjanje, angleško: secondary hardening), ki je povezan tudi z minimumom udarne žilavosti. Popuščanje teh jekel praviloma poteka v dveh ali treh korakih, pri temperaturah nekoliko nad popuščnim maksimumom, da se doseže primerna kombinacija trdnosti in žilavosti.).
Preučite stopnje popuščanja. Poiščite podobnosti s postopkom izločevalnega utrjanja!
18.4.12 Mehko žarjenje Pri mehkem žarjenju želimo doseči stanje jekla z najmanjšo trdoto, predvsem zato da bi ga čim lažje mehansko obdelali. Končno stanje je praviloma zrnati perlit – to so kroglasti delci cementita Fe3C v
- 184 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
feritni osnovi (slika 18.18). V začetnem stanju je mikrostruktura sestavljena iz lamelnega perlita ter predevtektoidnega ferita (v podevtektoidnih jeklih) oziroma sekundarnega cementita (v nadevtektoidnih jeklih). Pri mehkem žarjenju nastanejo iz ploščic cementita kroglice. Gonilna sila za spremembo oblike ploščice → kroglice je zmanjšanje površinske energije med cementitom in feritom. Pri dani prostornini ima namreč krogla najmanjšo površino, zato je tudi skupna površinska energija najmanjša. Sprememba oblike je v zvezi z difuzijskim procesom, zato poteka hitreje pri višjih temperaturah, praviloma pri temperaturah okoli temperature Ac1. Iz literature je znana naslednja empirična enačba za izračun Ac1: Ac1 = 739 − 22 ⋅ % C + 2 ⋅ % Si − 7 ⋅ % Mn + 14 ⋅ % Cr + 13 ⋅ % Mo − 13 ⋅ % Ni + 20 ⋅ % V (18.9)
Slika 18.18:
Diagrami T-t za mehko žarjenje različnih jekel. Desno je želena mikrostruktura sestavljena iz feritne osnove in okroglih delcev cementita (zrnatega perlita ali sferoidita).
Potek toplotne obdelave je odvisen od vrste jekla (slika 18.18). Podevtektoidna ter evtektoidna jekla žarimo pri temperaturi 20 °C pod temperaturo A1; legirana in evtektoidna jekla segrejemo 10 °C nad A1 in počasi ohlajamo do temperature 30 °C pod A1; pri nadevtektoidnih jeklih temperatura niha okoli A1. Na kateri stopnji izločevalnega utrjanja dosežemo podobno mikrostrukturo kot po mehkem žarjenju?
18.4.13 Termokemična obdelava jekla Nekateri elementi difundirajo pri povišani temperaturi v jeklo in na ta način spremenijo sestavo, mikrostrukturo in lastnosti njegove površine. Ta pojav uporabimo za povečanje trdote in obrabne odpornosti jekel. Glede na vrsto elementa, ki difundira v površino, ločimo naslednje postopke površinske obdelave: cementiranje, nitridiranje, karbonitridiranje, difuzijsko metaliziranje.
Slika 18.19:
A
a) Povečevanje deleža ogljika s časom cementiranja. b) Potek trdote z oddaljevanjem od površine. Eht je globina prekaljene plasti pri 550 HV 1. c) Možna poteka cementiranja (S – segrevanje, C – ogljičenje, K – kaljenje, P – popuščanje, KT – kalilna temperatura).
Cementiranje
Cementiranje je postopek, pri katerem jeklo z malo ogljika površinsko naogljičimo in nato zakalimo. Jekla z majhnim deležem ogljika namreč niso kaljiva. Uporabimo ga, ko od določenega konstrukcijskega elementa zahtevamo trdo površino in žilavo notranjost. Za cementiranje najbolj pogosto uporabimo navadna ogljikova jekla z 0,1 do 0,2 % C in tudi malolegirana jekla. Strojni elementi, ki se cementirajo so: gredi, čepi, tečaji, osi, batnice, zobniki, ipd.
18. Toplotna obdelava jekel
185
Jeklo naogljičimo v temperaturnem območju med 850 °C in 950 °C (v avstenitnem področju) v mediju, ki oddaja ogljik. Primerno cementirno sredstvo (trdno, tekoče ali plinasto) doseže na površini jekla med 0,8 % C do 0,9 % C, ki difundira v notranjost. Hitrost naogljičenja je med 0,1 mm/h in 0,25 mm/h, naogljičimo pa robno plast do globine med 0,5 mm in 2 mm. Po naogljičenju lahko jeklo na različne načine kalimo ter na koncu popuščamo. Cementirno globino Eht ugotovimo z merjenjem trdote HV 1. Jeklo je cementirano do tiste globine, kjer je trdota 550 HV 1 (slika 18.19 b).
B
Nitridiranje
Pri nitridiranju površino jekla obogatimo z dušikom. Nitridiramo večinoma manjše strojne dele, ki morajo biti na površini zelo trdi, odporni proti koroziji na zraku in vodni pari ter ki morajo zadržati mere. Nitridiramo jekla, ki vsebuje elemente (Cr, Mo, Al), ki tvorijo nitridide. Nitridiramo v plinskem sredstvu ali v plazmi pri temperaturah med 500 °C in 580 °C. Časi so 1-100 ur, debeline plasti pa 0,1-0,8 mm. Prednost nitridiranja proti cementiranju je predvsem v nizki temperaturi, poleg tega pa nitridiranih delov ni potrebno kaliti, kajti kaljenje lahko povzroči zveganje ali celo razpoke. Pri nitridiranju lahko nastane na površini spojinska plast, ki je sestavljena iz ε-nitrida in γ'-nitrida (slika 18.20 c). Pod njo je difuzijska plast, v kateri so nitridi zlitinskih elementov izločeni po določenih kristalnih ravninah ferita. Deli s spojinsko plastjo imajo boljšo obrabno obstojnost pri drsnem trenju, prav tako pa močno izboljšajo korozijsko obstojnost. Toda niso primerni za udarno trenje, poleg tega pa zmanjšajo žilavost. Trdota nitridirane plasti je med 700 HV in 900 HV pri nelegiranih jeklih ter 1000– 1050 HV pri legiranih.
Slika 18.20:
C
a) Fazni diagram Fe-N, b) Potek trdote z oddaljevanjem od površine. Nht je globina utrjene plasti, kjer je trdota za 50 HV 1 večja od trdote sredice. c) Mikrostruktura nitridirane plasti. V spojinski plasti sta ε-nitrid (Fe2N) in γ-nitrid (Fe4N), v difuzijski plasti so nitridi zlitinskih elementov.).
Karbonitridiranje in nitrokarburiranje
To sta združena postopka nitridiranja in ogljičenja. Pri karbonitridiranju je postopek podoben kot pri cementiranju, vendar površino še nitridiramo. Pri nitrokarburiranju so razmere podobne kot pri nitridiranju, le da površino tudi naogljičimo. 18.4.14 Difuzijsko metaliziranje Če površino jekla obogatimo z določenimi kovinskimi elementi, lahko povečamo: • obstojnost pri višjih temperaturah, • odpornost proti koroziji in • odpornost proti obrabi. V ta namen obdelujemo jeklo tako, da tuji elementi difundirajo v njegovo površino. Tako lahko dobi jeklo določeno lastnost dragega, močno legiranega jekla. Ločimo naslednje postopke: alitiranje (obogatitev z aluminijem), difuzijsko kromanje, siliciranje, boridiranje. Pri slednjem lahko dosežemo na površini trdoto med 1800-3000 HV, zato ga uporabljamo pri matricah za vlečenje žice in profilov, za
- 186 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
protioksidacijsko zaščito delov, ki so izpostavljeni visokim temperaturam ter pri konstrukcijskih delih, ki so izpostavljeni močni obrabi. Ugotovite podobnosti in razlike med cementiranjem in nitridiranjem!
Povzetek Jekla lahko toplotno obdelujemo z različnimi postopki. To izvira iz dejstva, da ima železo več alotropskih modifikacij ter da v sistemu Fe-Fe3C poteka evtektoidna reakcija. Poleg stabilnih mikrostrukturnih sestavin (ferit, avstenit, cementit, perlit), se pojavljajo še metastabilne mikrostrukturne sestavine (npr. bainit in martenzit), kar omogoča doseganje zelo različnih kombinacij lastnosti. Potek premen, začetek in konec nastajanja mikrostrukturnih sestavin ter tudi lastnosti dobimo v izotermnih in kontinuirnih premenskih diagramih. Najpomembnejša toplotna obdelava v jeklih je kaljenje, pri katerem želimo močno povečati trdnost in trdoto jekel. Največjo trdoto dosežemo, če se pri hitrem ohlajanju avstenit pretvori v martenzit. Pri dobro kaljivih jeklih nastane tudi v sredini večjih prerezov, medtem ko je pri slabo kaljivih jeklih omejen le na površinsko plast. Po kaljenju je jeklo krhko, žilavost povečamo s popuščanjem. S površinskim kaljenjem ali s termokemično toplotno obdelavo lahko utrdimo le površino jekla. Pri cementiranju površino obogatimo z ogljikom in kalimo, medtem ko pri nitridiranju površino obogatimo z dušikom, jekla pa po obdelavi ne kalimo.
18.5 Razmisli, odgovori, reši 18.1
Zakaj lahko jeklo toplotno obdelamo na tako veliko načinov?
18.2 18.3 18.4 18.5 18.6 18.7 18.8 18.9 18.10
V čem se razlikujeta α-Fe in δ-Fe? V čem se razlikujeta ferit in perlit? V čem je razlika med spodnjim in zgornjim bainitom? V čem je razlika med feritom in martenzitom? Poišči podobnosti in razlike med cementiranjem in nitridiranjem! Kolikšna je temperatura avstenitizacije ogljikovega jekla z 0,4 % C? Zakaj je jeklo po kaljenju krhko? Katera je najvišja temperatura popuščanja? Najpomembnejše lastnost pile je velika trdota, ki zagotovlja obstojnost proti obrabi. Pri kateri temperaturi bi jo popuščali po kaljenju? Zakaj dobimo pri isti vrsti jekla različne krivulje Jominy? V čem se razlikujeta popuščni krivulji ogljikovega in hitroreznega jekla? Pri odrezavanju jekla z lamelnim perlitom se je pojavila močna obraba orodja. Predlagaj ukrepe za zmanjšanje težav z obrabo orodja! V čem se razlikujejo postopki kovinskega metaliziranja in nanašanja prevlek s CVD in PVD postopki?
18.11 18.12 18.13 18.14
18.6 Dodatna literatura k poglavju 18.1 18.2 18.3 18.4 18.5 18.6 18.7 18.8
Glavič, Peter: Gradiva, Maribor : Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, 2001 Heat Treater's Guide: Practices and Procedures for Irons and Steels, (Chandler, Harry – urednik), Second Edition, ASM International, 3. ponatis, 2000 Kosovinc, Ivan: Metalografija, tretja izdaja, Univerza Edvarda Kardelja v Ljubljani, Fakulteta za naravoslovje in tehnologijo, Ljubljana 1983 Kovač, Miran: Gradiva, Zapiski predavanj. Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 2001 Krautov strojniški priročnik. – 13. slovenska izd., izdajo pripravila Jože Puhar, Jože Stropnik, Ljubljana: Littera picta, 2002 Marinković, Velibor: Fizikalna metalurgija II, Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehniška fakulteta, Oddelek za materiale in metalurgijo, Ljubljana 1999 Massalski, T. B. (urednik): Binary alloy phase diagrams, ASM International, 1990 Metalurški priročnik, Tehniška založba Slovenije, Ljubljana 1972 (Najboljši pregled klasičnih toplotnih obdelav jekla v slovenskem jeziku, vendar je težko dostopen).
18. Toplotna obdelava jekel 18.9 18.10 18.11 18.12
18.13 18.14 18.15 18.16 18.17
187
Paulin, Andrej: Mala slovenska enciklopedija metalurgije in materialov, Rudarsko-metalurški zbornik, Letnik 44, št. 1-2, Ljubljana julij 1997 Porter, David A.; Easterling, Kenneth E.: Phase Transformations in Metals in Alloys, Van Nostrand Reinhold (International) Co. Ltd, 1988 Spaić, Savo: Fizikalna metalurgija, Zgradba kovinskih materialov, Strjevanje kovinskih talin, Ljubljana: Oddelek za materiale in metalurgijo, Naravoslovnotehniška fakulteta, Univerza v Ljubljani, Ljubljana, 2002 Spaić, Savo: Fizikalna metalurgija, Binarni sistemi, Metalografija zlitin, Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehniška fakulteta, Oddelek za materiale in metalurgijo, Ljubljana 2000 (Metalografija jekla, Fazni diagram Fe-Fe3C, Procesi pri kaljenju in popuščanju). Spur, Günther (urednik): Handbuch der Fertigungstechnik, Band 4/2: Wärmebehandeln, Carl Hanser Verlag München Wien 1987 Vodopivec, Franc: Kovine in zlitine, Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Ljubljana 2002 Werkstofftechnologie 1, Wärmebehandlungstechnik, Beuth 1998. Zupanič, Franc: Gradiva Praktikum. Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo, Maribor 1999 Zupanič, Franc: Gradiva, Zbirka nalog in tabel, Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo, Maribor, 2006
19 Neželezne kovine Kaj bomo izvedeli? Kakšen je pomen neželeznih kovin? Kakšne so njihove lastnosti? Osnovne značilnosti aluminijevih, magnezijevih, bakrovih, titanovih in nikljevih zlitin? Equation Section (Next)
19.1 Uvod V periodnem sistemu elementov je okoli 75 kovin. To pomeni, da v standarnih razmerah (temperatura, tlak) večina kemijskih elementov spada med kovine. Med temi le železo in njegove zlitine ne spadajo med neželezne kovine. Zaradi takšne množice neželeznih kovin ni čudno, da se med seboj močno ločijo po lastnostih. Najmanjšo gostoto med njimi ima litij (0,53 kg dm–3), največjo pa iridij (22,65 kg dm–3). Tako je gostota svinca, ki ga sicer prištevamo k težkim kovinam, skoraj natančno pri aritmetični sredini njunih gostot (11,34 kg dm–3). Tudi glede tališča so velike razlike: živo srebro se tali že pri -39 °C in je pri navadni temperaturi v tekočem stanju, medtem ko se volfram tali šele pri 3400 °C. V nekaterih primerih določa primernost uporabe neke kovine samo ena lastnost, večinoma pa izberemo tisto, ki ima najugodnejšo kombinacijo več zahtevanih lastnosti. Poleg tega lahko lastnosti čistih kovin izredno močno spremenimo z legiranjem, toplotnimi in mehanskimi obdelavami, kar omogoča, da uporabljamo kovine za najrazličnejše namene. To zagotavlja, da bodo kovine tudi v bodočnosti pomembno gradivo. V tem poglavju bodo podane osnovne značilnosti najpomembnejših neželeznih kovin in zlitin: aluminijevih, bakrovih, magnezijevih, titanovih in nikljevih. Poudariti je treba, da so za tehniko zelo pomembne in včasih nenadomestljive tudi druge, čeprav je njihova proizvodnja zelo majhna.
19.2 Aluminij in njegove zlitine Aluminij je zelo reaktiven element. Čeprav je najbolj pogost kovinski element v zemeljski skorji, je ekonomsko zanimiv šele slabih 120 let. To je od leta 1886, ko sta Hall in Herault ločeno odkrila pridobivanje aluminija iz glinice Al2O3 z elektroliznim postopkom. Prav ta postopek še vedno uporabljajo tudi v Talumu, Kidričevo. V glinici je aluminij zelo močno vezan s kisikom, zato je potrebno veliko energije, da ju ločimo. Če čist aluminij izpostavimo zraku, takoj reagira s kisikom in v nekaj sekundah tvori oksidno plast. Ta se zelo dobro oprime aluminija ter ga ščiti pred nadaljnjo oksidacijo. Zaradi nje ima aluminij odlično korozijsko odpornost v različnih okoljih. Manj pozitivna posledica velike reaktivnosti je, da moramo za uspešno varjenje var dobro zaščititi pred zrakom. Aluminij in njegove zlitine so PCK-kovine, zato so v večini primerov dobro preoblikovalne. Trdnost, ki jo dosežemo s toplotno obdelavo nekaterih zlitin, celo presega trdnost konstrukcijskih jekel. Kovina ima tudi privlačen videz površine, dobro električno in toplotno prevodnost ter majhno gostoto. Kombinacija majhne gostote ter velike trdnosti omogoča, da so nekatere zlitine temeljni konstrukcijski material v letalski industriji. Največ aluminija se uporabi v transportu (~20 %), za izdelavo zabojnikov (~20 %) ter v gradbeništvu (15 %). Na tržišču je na razpolago nelegiran, tehniški aluminij ter okoli 300 zlitin, ki jih v glavnem delimo na livne in gnetne. Livne zlitine dobijo končno obliko pri litju, gnetne pa pri najrazličnejših postopkih plastičnega preoblikovanja. Nekatere od teh zlitin so trdne raztopine, zato jih navadno utrdimo s hladnim preoblikovanjem (deformacijsko utrjanje). Druge, tako livne kot gnetne, so toplotno obdelovalne. Utrdimo jih z izločevalnim utrjanjem (topilno žarjenje, gašenje, naravno ali umetno staranje).
- 188 -
19. Neželezne kovine
189
Aluminij in aluminijeve zlitine lahko izdelamo skoraj z vsemi znanimi postopki plastičnega preoblikovanja (iztiskavanje, kovanje, vlečenje…) ter odrezovanja. Naraščajoč je trend, da bi končno obliko dosegli z litjem trakov, palic ali žice in takojšnjim vročim in hladnim preoblikovanjem. Ulitke izdelujemo z litjem v pesek, trajne kokile, kakor tudi s tlačnim in precizijskim litjem. Uporablja se tudi več postopkov metalurgije prahov. Poleg tega je aluminij pogosta osnova za kompozitne materiale. Razpredelnica 19.1: Nekatere lastnosti čistih kovin. ime
tališče / °C
gostota / kg/dm3
modul elastičnosti /
natezna trdnost /
napetost tečenja /
GPa
MPa
MPa
razteznost / %
vrelišče / °C
specifična električna upornost / Ωm
aluminij
660,1
2,7
70,6
61
20
43
2520
2,66×108
baker
1083,4
8,92
129,8
196
69
50
2560
1,68×108
berilij
1287
1,85
318
392
363
2
2470
6,7×108
cink
419,5
7,14
104,5
124
907
5,75×108
cirkonij
1852
6,51
98
269
4400
4×109
germanij
937,4
5,32
79,9
69
iridij
2443
22,65
528
224
1,8
4430
4,85×108
kobalt
1495
8,89
211
490
5
2930
5,06×108
kositer
231,9
7,29
49,9
12
37
2625
1,15×109
krom
1857
7,14
279
872
2672
1,4×109
litij
181
0,53
4,91
magnezij
649
1,74
44,7
211
mangan
1244
7,44
191
97
molibden
2620
10,38
nikelj
1453
8,91
niobij
2467
paladij
124
40
2830
1324 14
1090
4,47×108
2060
2,6×1010
675
621
35
4610
5,17×108
199,5
323
157
30
2910
6,84×108
8,58
104,9
343
30
4740
1554
12,02
121
181
40
2940
9,1×108
platina
1769
21,45
170
140
31
4530
9,6×108
silicij
1412
2,33
113
3270
1,5×1015
srebro
960,8
10,49
82,7
138
50
2200
1,5×108
svinec
327,4
11,34
16,1
17
5
68
1750
1,88×109
titan
1667
4,51
120,2
687
550
30
3285
4,2×109
volfram
3400
19,26
411
zlato
1063
19,32
78,5
železo
1536
7,87
211,4
živo srebro
-38,87
13,55
5555 131
23
50
2860
2,06×108
2860 357
94,07×108
- 190 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Razpredelnica 19.2:
Značilne mehanske lastnosti izbranih aluminijevih gnetnih zlitin
zlitina
simbol
Rp0,2 /
Rm /
A5
številčna oznaka (stanje) po EN 573-3
(stanje)
MPa
MPa
%
1060
Al 99,6
stanje 0
(mehko)
30
70
43
stanje H14
(pol trdo)
90
95
12
stanje H18
(zelo trdo)
125
130
6
3003
AlMn1
stanje 0
(mehko)
40
110
30
stanje H14
(pol trdo)
145
150
8
stanje H18
(zelo trdo)
185
200
4
5005
AlMg1
stanje 0
(mehko)
40
125
25
stanje H14
(pol trdo)
150
160
6
stanje H18
(zelo trdo)
195
200
4
5050
AlMg1,5
stanje 0
(mehko)
stanje H14
(pol trdo)
165
195
8
stanje H18
(zelo trdo)
200
220
6
6061
AlMg1SiCu
stanje O
mehko
50
115
25
stanje T6
topilno žarjenje, gašenje, umetno staranje
255
290
12
7075
AlZn5,5MgCu
stanje O
mehko
105
230
17
stanje T6
topilno žarjenje, gašenje, umetno staranje
505
570
11
/
okvirna kemijska sestava (masni deleži v odstotkih)
min. 99,6 % Al
1-1,5 % Mn
0,5–1,1 % Mg
1,1–1,8 % Mg 55
145
24
0,4 – 0, 8 % Si, 0,14 – 0,40 % Cu, 0,8 – 1,2 % Mg
1,2 – 2 % Cu, 2,1 – 2,9 % Mg, 5,1 – 6,1 % Zn
Aluminijeve zlitine se ne morejo uporabljati pri visokih temperaturah. Izločevalnoutrjevalne zlitine se hitro mehčajo, če jih segrejemo na temperaturo med 100 °C in 200 °C, ker postanejo izločki grobi (Ostwaldovo zorenje). Deformacijsko utrjene se lahko uporabljajo pri temperaturah nekoliko nad 200 °C, medtem ko je temperatura 300 °C previsoka za večino aluminijevih zlitin. Toda aluminijeve zlitine se lahko uporabljajo tudi pri ekstremno nizkih temperaturah (celo pri vrelišču helija 4 K), saj nimajo prehoda žilavo/krhko in ostanejo žilave tudi pri najnižjih temperaturah. Industrija aluminija v veliki meri reciklira svoje izdelke in odpadni material, saj je energija, ki je potrebna za pretalitev aluminija bistveno manjša kot energija za njegovo pridobivanje. V razpredelnicah 19.2 in 19.3 so značilne mehanske lastnosti aluminijevih gnetnih in livnih zlitin. Podatki so pridobljeni iz evropskih standardov SIST EN. Podatke za nekatere druge zlitine lahko dobite v Krautovem strojniškem priročniku. Na sliki 19.1 so prikazani binarni fazni diagrami aluminija z nekaterimi najpomembnejšimi zlitinskimi elementi.
19. Neželezne kovine
Slika 19.1:
191
Izbrani binarni fazni diagrami aluminija z nekaterimi najpomembnejšimi zlitinskimi elementi. a) Tehnične zlitine Al-Mn vsebujejo do 1,5 % Mn, to je nekje do največje topnosti Mn v Al. To so gnetne zlitine, ki se uporabljajo za podobne namene kot čisti aluminij, vendar imajo nekoliko večjo trdnost. Te zlitine lahko deformacijsko utrjujemo Pri večjem deležu Mn se začne pojavljati intermetalna faza Al6Mn, ki povzroča krhkost in zmanjša obdelovalnost. b) Gnetne zlitine Al-Mg lahko vsebujejo do 5 % Mg, livne pa tudi do 10 % Mg. Trdnost narašča z deležem magnezija (utrjanje trdne raztopine), dodatno pa jih še deformacijsko utrdimo. Iz trdne raztopine αAl se izloča faza Al3Mg2, ki pa ne poveča bistveno trdnostnih lastnosti. Ob dodatku Si se tvori spojina MgSi2. Njeno izločanje zlitino močno utrdi, zato so zlitine Al-Mg-Si izločevalno utrjevalne. Zlitine na osnovi Mg pogosto vsebujejo aluminij. c) Zlitine Al-Cu so izločevalno utrjevalne. Gnetne zlitine vsebujejo do 5 % Cu, pogosto z dodatkom Mg in/ali Si, zlitine s Pb in Bi se dajo odlično odrezovati. Livne zlitine vsebujejo do 10 % Cu, pogosta dodatka sta Mg in Ti. Zlitine se uporabljajo v letalski industriji in za transportna vozila. Zlitine bakra z aluminijem imenujemo aluminijevi broni. d) Fazni diagram Al-Si je temelj večine aluminijevih livnih zlitin s silicijem. Ločimo podevtektične, evtektične in nadevtektične zlitine. Za povečanje trdnostnih lastnosti (možnost izločevalnega utrjanja) jim dodajamo Cu in/ali Mg.
19.3 Magnezij in magnezijeve zlitine Magnezij je konstrukcijski material z najmanjšo gostoto (ρ = 1,74 kg dm–3). Toda čisti magnezij se praktično ne uporablja, njegove zlitine pa imajo nekoliko večjo gostoto. Magnezij je še bolj reaktiven kot aluminij, zato ga v naravi najdemo v obliki oksidov, karbonatov ali silikatov, često v kombinaciji s kalcijem. Velika reaktivnost je tudi eden izmed vzrokov, da je za pridobivanje magnezija potrebno veliko energije. Svetovna proizvodnja magnezija (~500 000 t na leto) je majhna v primerjavi s proizvodnjo drugih pomembnih zlitin. Polovico proizvodnje se neposredno uporabi za izdelavo aluminijevih zlitin. Magnezijeve zlitine lahko delimo na livne, gnetne in tiste za prašno metalurgijo. Uporabljajo se v letalski in vesoljski industriji, proizvodnji energije, avtomobilski industriji ter za druge namene, kjer se zahteva veliko razmerje med trdnostjo in gostoto (specifična trdnost). Magnezij se zelo pogosto uporablja
- 192 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
za razžveplanje jekla, za modificiranje (inokulacijo, cepljenje) litega železa, kot žrtvena anoda za korozijsko zaščito jeklenih konstrukcij… Razpredelnica 19.3:
Značilne mehanske lastnosti izbranih aluminijevih livnih zlitin
zlitina
simbol
številčna oznaka (stanje)
(stanje)
Rp0,2 / MPa
/
A50
MPa
%
Rm
/
okvirna kemijska sestava (masni deleži v odstotkih)
po EN 1706 EN AC-44 200
AlSi12
10,5-13,5 % Si, 0,55 % Fe, 0,35 % Mn
stanje K F
lito v kokilo
80
170
6
stanje S F
lito v pesek
70
150
5
EN AC-43 000
AlSi10Mg
stanje K F
lito v kokilo
90
180
2,5
stanje K T6
lito v kokilo,
220
260
1
9-11 % Si, 0,20-0,45 % Mg
topilno žarjeno umetno starano EN AC-51 300
AlMg5
stanje K F
lito v kokilo
100
180
4
stanje S F
lito v pesek
90
160
3
EN AC-21100
AlCu4Ti
stanje K T6
lito v kokilo
4,5-6,5 % Mg
4,2-5,2 % Cu, 0,15-0,30 % Ti 220
330
7
200
300
3
topilno žarjeno umetno starano stanje S T6
lito v pesek topilno žarjeno umetno starano
EN AC-71 000
AlZn5Mg
stanje K T1
lito v kokilo
4,5-6 % Zn, 0,40-0,70 % Mg 130
210
4
120
190
4
kontrolirano ohlajeno naravno starano stanje S T1
lito v pesek kontrolirano ohlajeno naravno starano
Magnezijeve zlitine za tlačno litje se uporabljajo v elektroniki in avtomobilski industriji zaradi dobre specifične trdnosti, dobre dimenzijske stabilnosti in korozijske odpornosti ter odlične dušilnosti (sposobnost dušenja mehanskih nihanj). Magnezijeve zlitine se uporabljajo tudi kot baterijske elektrode, pri katerih je morska voda elektrolit. Lahko napajajo lučke rešilnih jopičev ter električnih naprav z majhno močjo. Za pogon motoriziranih pomorskih enot so potrebne visokoenergijske magnezij-srebrove baterije. Industrija magnezija reciklira svoje izdelke in odpadni material že več kot 50 let, njegov delež pa se močno povečuje, saj je energija, ki je potrebna za pretalitev magnezija bistveno manjša kot energija za njegovo pridobivanje. Najpomembnejše so magnezijeve livne zlitine za tlačno in precizijsko litje, kakor tudi za litje v trajne forme in pesek. Z naraščajočo uporabo magnezijevih zlitin v avtomobilski industriji se zmanjšuje masa
19. Neželezne kovine
193
vozil, posledično pa poraba goriva. To izvira predvsem iz dobre livnosti magnezijevih zlitin, kar omogoča izdelavo velikih in kompleksnih ulitkov. Prednosti pred aluminijevimi ulitki so v manjših stroških za odrezovanje, daljši dobi trajanja orodij za litje ter zmanjšanih stroških transporta zaradi manjše gostote magnezija. Gnetne magnezijeve zlitine so na razpolago v obliki drogov, palic, profilov, izkovkov, pločevine in plošč. Zlitine lahko odrezujemo ali pa jih uporabljamo v iztiskovanem oziroma toplotno-obdelanem stanju. Tako livne kot tudi gnetne zlitine se dajo variti. Zvar je navadno trdnejši od osnove, razpoke se lahko pojavijo v toplotno-vplivani coni, kjer so velika kristalna zrna. V nadaljevanju je razpredelnica z značilnimi mehanskimi lastnostmi nekaterih magnezijevih zlitin. Podatki so pridobljeni iz Casti Metals Red Book. Podatke za nekatere druge zlitine lahko dobite v Krautovem strojniškem priročniku. Na sliki 19.2 sta prikazani binarna fazna diagrama magnezija s cinkom in cirkonijem. Fazni diagram Al-Mg je na sliki 19.1 b.
Slika 19.2:
Pomembna binarna fazna diagrama. a) Fazni diagram Mg-Zn. b) Fazni diagram Mg-Zr. Dodatek Zr med drugim omogoča izločevalno utrjanje.
Razpredelnica 19.4:
Trdnostne lastnosti izbranih magnezijevih zlitin
slitina
simbol
Rp0,2
številčna oznaka (stanje)
(stanje)
AZ63A-T6 AZ91E-T6
/
/
okvirna kemijska sestava (masni deleži v odstotkih)
Rm /
A5
MPa
MPa
%
topilno žarjeno + umetno starano
110
234
3
topilno žarjeno + umetno starano
110
234
3
AZ91A
tlačno lito
160
230
3
AZ80A-F
iztiskano
185-195
290-295
4-9
8 % Al, 0,3 % Mn, 0,5 % Zn
AZ80A-T5
ohlajeno s temperature iztiskanja in umetno starano
205-230
310-325
2-4
8 % Al, 0,3 % Mn, 0,5 % Zn
AZ80A-T5
ohlajeno s temperature kovanja in umetno starano
193
290
2
8 % Al, 0,3 % Mn, 0,5 % Zn
6 % Al, 0,15 % Mn, 3 % Zn lito v pesek ali trajne kokile 8,7 % Al, 0,13 % Mn, 0,7 % Zn lito v pesek ali trajne kokile 8,7 % Al, 0,13 % Mn, 0,7 % Zn
Ugotovite podobnosti in razlike med aluminijevimi in magnezijevimi zlitinami!
- 194 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
19.4 Baker in bakrove zlitine Baker je bil ena izmed prvih kovin, ki so jo uporabljali ljudje. Prvič so ga uporabili 5000 let pred našim štetjem. Zlitine Cu-Sn (kositrovi broni) so se pojavili že okoli leta 3500 pred Kristusom, medtem ko so bile zlitine Cu-Zn (medi) znane že pred obdobjem Rimljanov. Baker in bakrove zlitine so še danes pomemben tehniški material zaradi kombinacije ugodnih lastnosti, kot so odpornost proti koroziji, odlična električna in toplotna prevodnost, privlačen videz, primerna trdnost in duktilnost ter nenazadnje enostavna izdelava in varjenje.
Slika 19.3:
Izbrani binarni fazni diagrami tehnično pomembnih bakrovih zlitin. a) Sistem Cu-Ni je značilen za sisteme s popolno topnostjo v trdnem in tekočem stanju. Pri nizkih temperaturah se pojavi razmešanje v trdnem stanju. b) Sistem Cu-Zn predstavlja osnovo medem. Ločimo α- in (α + β)-medi. α-medi so izredno dobro plastično preoblikovalne. Cink utrjuje trdno raztopino, zato trdnost narašča z večanjem deleža cinka. Dodatno jih lahko utrjujemo še s hladno deformacijo. c) Zlitine Cu-Sn so kositrovi broni. Ločimo gnetne in livne. d) Zlitine CuBe so izločevalno-utrjevalne. Dosežemo lahko trdnosti tudi do 1500 MPa.
Skoraj polovica celotne svetovne proizvodnje bakra je v obliki električne žice in kablov. Druga polovica so valjarniški produkti, ki zajemajo tako nelegiran kot legiran baker. Manjši del proizvodnje bakra predstavljajo ulitki in deli, izdelani s postopki prašne metalurgije. Glavni trgi za baker in bakrove zlitine (v padajočem vrstnem redu) so: gradbeništvo, elektrotehnika in elektronika, industrijski stroji in oprema, transport in potrošniško blago. Čisti baker je PCK-kovina. Je zelo mehek in preoblikovalen, zato ga lahko izredno močno plastično deformiramo brez nevarnosti porušitve. Lahko ga tudi raztopinsko in deformacijsko utrdimo. Preoblikovalnost se zmanjšuje s stopnjo plastične deformacije. Številne bakrove zlitine so trdne raztopine z enofazno mikrostrukturo. V nekaterih zlitinah dobimo disperzijo delcev intermetalnih spojin, ki utrdijo baker, poleg tega pa tudi zagotovijo drobnozrnatost.
19. Neželezne kovine Razpredelnica 19.5:
195 Mehanske lastnosti pri sobni temperaturi in okvirna kemijska sestava izbranih tehnično pomembnih gnetnih bakrovih zlitin po SIST EN 12166
zlitina
simbol
Rp0,2
številčna oznaka
(stanje)
MPa
CW024A
Cu-DHP
CW102C
/
Rm
/
MPa
A5
/
% min
CW453K
CW501L
CW505L
CZ-1000-9 C15750
okvirna kemijska sestava (masni deleži v odstotkih) min 99,90 % Cu in 0,015-0,040 % P
R200
60
200-270
40
-
zahteva se najmanjša Rm = 200 MPa
R350
320
350
-
-
zahteva se najmanjša Rm = 350 MPa
H105
-
-
-
105
CuBe2Pb
zahteva se najmanjša trdota po Vickersu 350 HV 1,8-2,1 % Be, 0,2-0,6 % Pb
R410
200
410-540
20
zahteva se najmanjša Rm = 410 MPa
R1310
1300
1310-1520
1
zahteva se najmanjša Rm = 1310 MPa
H380 CW450K
HV
380-450
CuSn4
zahteva se najmanjša trdota po Vickersu 350 HV 3,5-4,5 % Sn
R350
150
350-440
40
stara oznaka za stanje: mehko
R500
390
500-600
6
stara oznaka za stanje: poltrdo
R930
920
930
-
stara oznaka za stanje: vzmetno trdo
CuSn8
7,5-8,5 % Sn
R400
180
400-490
55
stara oznaka za stanje: mehko
R560
430
560-660
15
stara oznaka za stanje: poltrdo
R1000
1000
1000
-
R270
130
270-370
35
stara oznaka za stanje: mehko
R410
350
410-450
8
stara oznaka za stanje: poltrdo
R530
520
530
-
stara oznaka za stanje: trdo
CuZn10
stara oznaka za stanje: vzmetno trdo 89,0-91,0 % Cu, ostanek Zn
CuZn30
69,0-71,0 % Cu, ostanek Zn
R300
130
300-400
50
stara oznaka za stanje: mehko
R540
440
540-640
30
stara oznaka za stanje: poltrdo
R700
700
700
-
stara oznaka za stanje: vzmetno trdo
(MPIF standard, 1997)
60
120
9
88-91 % Cu, ostanek cink izdelano z metalurgijo prahov
ODS, disperzijsko utrjena
99,3 % Cu, 0,3 % Al2O3 331
413
20
po konsolidaciji (sintranju)
613
661
6
po 98 % plastični deformaciji (zmanjšanje prereza)
Številnih bakrovih zlitin ne utrdimo s toplotno obdelavo, vendar obstajajo pomembne izjeme. Največjo trdnost lahko dosežemo pri izločevalno-utrjevalni zlitini Cu-Be (Rm ~ 1500 MPa), pomembne pa so tudi zlitine Cu-Cr, Cu-Zr, Cu-Ni-Be. Nekatere aluminijeve brone, ki vsebuje več kot 9 % Al, lahko tudi kalimo, da dobimo martenzitno mikrostrukturo. ekaterim zlitinam dodajamo za boljšo odrezovalnost svinec, žveplo ali telur, vendar ti dodatki neugodno vplivajo na preoblikovalnost v vročem. V razpredelnici 19.5 so tipične mehanske lastnosti izbranih bakrovih zlitin. Podatke za nekatere druge zlitine lahko dobite v Krautovem strojniškem priročniku. Na sliki 19.3 so prikazani binarni fazni diagrami bakra z nekaterimi najpomembnejšimi zlitinskimi elementi. Fazni diagram Al-Cu je na sliki 19.1.
- 196 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
19.5 Titan in titanove zlitine Precej nečist kovinski titan so prvič pridobili šele leta 1887, bolj čistega pa leta 1910. Toda komaj okoli leta 1950 se je pričel uporabljati kot konstrukcijski material. Njegovo uporabo je vzpodbudila letalska industrija. Čeprav ta predstavlja še vedno največji trg za titan in njegove zlitine, te prodirajo tudi na številna druga področja. To izvira predvsem iz nekaterih njegovih enkratnih lastnosti, kot so majhna gostota, ki omogoča izredno dobro razmerje trdnost/masa (specifično trdnost), odlična korozijska obstojnost v številnih okoljih ter dobre trdnostne lastnosti do okoli 550 °C. Poleg tega je napredovanje razpok v titanu zelo otežene, kar je zelo pomembno v letalstvu. Čisti titan ima dve alotropski modifikaciji. Do temperature 883 °C je obstojna faza α, ki je HGZ, nad temperaturo 883 °C pa faza β, ki je TCK. Pri ohlajanju čistega titana transformacije faze β v α ne moremo preprečiti, saj poteče z martenzitno premeno. Po drugi strani lahko v titanovih zlitinah premeno faze β v α povsem preprečimo ali pa jo spremenimo. Zaradi tega so lahko v mikrostrukturi titanovih zlitin tudi delci TCK. Različni zlitinski elementi imajo različen učinek. Nekateri stabilizirajo α-fazo, tako da je obstojna tudi nad 883 °C (alfageni elementi), medtem ko drugi stabilizirajo fazo beta, ki je zato obstojna tudi pod 883 °C (betageni elementi). Z določeno kombinacijo zlitinskih elementov in toplotnih obdelav lahko dosežemo cel spekter različnih mikrostruktur in s tem tudi lastnosti. Najpomembnejši stabilizatorji faze alfa so Al, Sn in O, faze beta pa Mo, V, Mn, Cr in Fe. Titanove zlitine v glavnem delimo v štiri skupine: tehnično čisti titan, zlitine alfa oziroma skoraj alfa, zlitine beta in zlitine alfa + beta. Najpomembnejša zlitina je Ti6Al4V, saj nanjo odpade okoli 45 % proizvodnje titana. Zanimivo je tudi, da se sestave livnih zlitin praktično ne razlikujejo od sestave gnetnih, oziroma tistih, ki se izdelujejo s prašno metalurgijo. Tisto, kar je še pomembnejše, pa je, da so tudi lastnosti skoraj neodvisne od načina izdelave. V razpredelnicah 19.6 in 19.7 so mehanske lastnosti izbranih titanovih zlitin. Podatke za nekatere druge zlitine lahko dobite v Krautovem strojniškem priročniku. Na sliki 19.4 so prikazani binarni fazni diagrami titana z nekaterimi najpomembnejšimi zlitinskimi elementi. Razpredelnica 19.6:
Mehanske lastnosti izbranih titanovih zlitin opombe
zlitina
Rp0,2
oznaka po ASTM
MPa
MPa
ASTM grade 1
170
240
tehnično čisti titan
ASTM grade 4
480
550
tehnično čisti titan
Ti-5,8 Al-4Sn-3,5 Zr–0,7 Nb–0,5 Mo–0,35 Si
910
1030
oznaka zlitine podaja srednjo kemično sestavo (masni delež v %)
/
Rm
/
α ali skoraj-α zlitina Ti-6Al-4V
830
900
α-β zlitina
Ti-10V-2Fe-3Al
1100
1170
β-zlitina
19. Neželezne kovine
Slika 19.4:
197
Izbrani binarni fazni diagrami titana z zlitinskimi elementi. a) Fazni diagram Ti-O. V nekaterih titanovih zlitinah je kisik pomemben zlitinski element. Močno stabilizira heksagonalni αTi; torej je kisik alfageni element. b) Fazni diagram Ti-Al. Tudi Al je alfageni element. V tem diagramu sta tudi dve intermetalni (vmesni) spojini Ti3Al in TiAl, ki sta osnovi pomembnim intermetalnim zlitinam. Dodatek Ti aluminijevim zlitinam povzroči udrobnjenje, to je nastanek velikega števila kristalnih zrn pri strjevanju in s tem posledično zmanjšanje njihove velikosti. c) Fazni diagram Ti-V. V fazi β se pri višjih temperaturah doseže popolna medsebojna topnost obeh kovin. Pri nižjih temperaturah se pojavi monotektoidna reakcija, ki omogoča številne toplotne obdelave. Vanadij je najpomembnejši zlitinski dodatek številnim β-zlitinam. d) Fazni diagram Ti-Sn. Kositer relativno malo vpliva na premeno α/β. Njegova topnost v obeh fazah je velika.
Razpredelnica 19.7: Lastnosti zlitine Ti-6Al-4V v različnih stanjih stanje
Rp0,2 /MPa
Rm / MPa
A/%
kovana palica, žarjena
875
965
13
kovana palica, rekristalizacijsko žarjena
875
970
16
ulita palica, lito stanje
895
1000
8
ulita palica, žarjena
825
930
12
ulita palica, topilno žarjena in starana
855-900
935-970
5-8
metalurgija prahov, žarjeno
740-785
825-855
5-8
metalurgija prahov, žarjeno in kovano
840
925
12
metalurgija prahov, topilno žarjeno in starano
895
965
4
- 198 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
19.6 Nikelj in nikljeve zlitine Kovinski nikelj je prvi pridobil švedski znanstvenik Cronstedt leta 1751. Od takrat najprej spada med najbolj uporabne kovine. Med njegovimi najbolj lastnostmi lastnostmi so odlična preoblikovalnost, dobra odpornost proti oksidaciji in koroziji ter velika trdnost pri povišanih temperaturah. Nikelj je tudi feromagneten do 358 °C. Je precej drag, zato se uporablja za posebne namene, predvsem v zahtevnih obratovalnih razmerah. Več kot polovica svetovne proizvodnje niklja konča kot zlitinski dodatek nerjavnim jeklom, kjer stabilizira avstenit ter izboljša preoblikovalnost in žilavost, kakor tudi odpornost proti koroziji in oksidaciji v določenih okoljih. Samo šestina proizvodnje niklja je namenjena izdelavi nikljevih zlitin. Često se tudi uporablja za nikljanje (prevleke iz niklja) ter kot zlitinski dodatek ogljikovim jeklom in bakrovim zlitinam. Zlitine drugih kovin v večini primerov ne vsebujejo več kot 15 odstotkov zlitinskih dodatkov, medtem ko so deleži niklja v nikljevih zlitin v dosti širšem območju. V nekaterih primerih imamo določene zlitine za nikljeve, čeprav vsebujejo le okoli 30 % Ni. Uporaba tehnično čistega niklja je skromna. V nasprotju s tem je na razpolago izredno veliko zlitin; najpomembnejše so na osnovi Ni-Cu, Ni-Cr, ki poleg glavnega zlitinskega elementa vsebujejo še večje ali manjše količine aluminija, titana in molibdena, kakor tudi številne druge elemente. Čisti nikelj ima pri vseh temperaturah kristalno zgradbo PCK. V zlitinah označimo trdno raztopino na osnovi niklja z γ. Ta ima prav tako kristalno zgradbo PCK. Zlitinski elementi različno vplivajo na mikrostrukturo in lastnosti nikljevih zlitin. Nekateri elementi se v njem topijo v velikih količinah, zato prispevajo k raztopinskemu utrjanju. drugi pa tvorijo karbide in nitride, ki navadno nimajo posebnega utrjevalnega učinka. Določeni zlitinski elementi prispevajo k nastanku krhkih intermetalnih faz, ki neugodno vplivajo na mehanske lastnosti. Pri sodobnih izločevalno-utrjevalnih zlitinah je najpomembnejša prisotnost faze γ' – Ni3(Al,Ti), ki ima urejeno kristalno zgradbo PCK. Ta faza je zelo stabilna in tvori z osnovo γ skoraj povsem koherentno (skladno) fazno mejo. Zlitine, ki vsebujejo γ', imenujemo superzlitine, ker zadržijo pri povišanih temperaturah odlično odpornost proti lezenju ter koroziji. Pretežno se uporabljajo za lopatice v letalskih motorjih in plinskih turbinah. V razpredelnici 19.8 so mehanske lastnosti tehničnega niklja in njegovih zlitin. Podatke za nekatere druge zlitine lahko dobite v Krautovem strojniškem priročniku. Na sliki 19.5 so prikazani binarni fazni diagrami niklja z nekaterimi najpomembnejšimi zlitinskimi elementi. Razpredelnica 19.8: splošno ime
Lastnosti in kemijska sestava izbranih nikljevih superzlitin
stanje
A5
MPa
MPa
%
148
462
47
najmanj 99 % Ni
(Ni 99.0)
tehnično čisti nikelj
Zlitina 600 (NiCr15Fe)
raztopinsko utrjena
310
655
40
najmanj 72 % Ni, 14 – 17 % Cr, 6 – 10 % Fe
Zlitina 718 izločevalno (NiCr19NbMo) utrjena
1036
1240
12
50 – 55 % Ni, 17 – 21 % Cr, 1 % Co, 2,8 – 3,3 % Mo, 4,75 – 5,50 % Nb, 1 – 1,7 % Ti, ostalo Fe
Zlitina 800 raztopinsko (X10NiCrAlTi) utrjena
295
600
44
30 – 35 % Ni, 19 – 23 % Cr, najmanj 39,5 % Fe
(oznaka po DIN*) Nickel 200
/
* DIN: Deutsches Institut für Normung
/
okvirna kemijska sestava (masni deleži v odstotkih)
Rm /
Rp0,2
19. Neželezne kovine
Slika 19.5:
199
Pomembna binarna fazna diagrama za nikljeve zlitine. a) Fazni diagram Ni-Cr. Krom je pomemben dodatek nikljevih zlitinam. V niklju je dobro topen. Prispeva k utrditvi trdne raztopine, pomembno pa je, da se v oksidacijski atmosferi na površini tvori oksid Cr2O3, ki dobro ščiti pred nadaljnjo korozijo. b) Fazni diagram Ti-Ni. V nikljevem kotu je faza TiNi3, ki jo navadno imenujemo γ'. Ta faza je navadno tista, s katero nikljeve zlitine izločevalno utrdimo. Največja trdnost te faze je pri okoli 900 °C, ki to lastnost prenaša tudi na zlitine. Zato nikljeve zlitine, ki vsebujejo γ', zadržijo zelo dobre mehanske lastnosti tudi do 1000 °C.
Povzetek Neželezne kovine se med seboj močno ločijo po lastnostih. Poleg tega lahko lastnosti čistih kovin izredno močno spremenimo z legiranjem, toplotnimi in mehanskimi obdelavami, kar omogoča, da uporabljamo kovine za najrazličnejše namene. To zagotavlja, da bodo kovine tudi v bodočnosti pomembno gradivo.
19.7 Pomisli, odgovori, reši 19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 19.6 19.7 19.8 19.9 19.10 19.11
Na kakšne načine lahko utrdimo kovine? Katere so temeljne razlike med kovinami obravnavanimi v tem poglavju? Kateri so razlogi za recikliranje aluminijevih in magnezijevih zlitin? Kateri so razlogi, da se aluminijeve in titanove zlitine uporabljajo za gradnjo letal? Za izbrane fazne diagrame ugotovite možne toplotne obdelave? Ugotovite podobnosti med železom in titanom! Za aluminij, titan in nikelj izračunajte specifično trdnost. Uporabite podatke iz razpredelnice 19.1. Katere konkurenčne prednosti ima baker pred ostalimi obravnavanimi kovinami? Katere so najpomembnejše lastnosti aluminijevih, magnezijevih in titanovih zlitin? Poiščite skupne točke! Zakaj nikljeve zlitine (predvsem izločevalnoutrjevalne) zadržijo dobre trdnostne lastnosti tudi pri 1000 °C? V vsakdanjem življenju preuči kovinske materiale, s katerimi prideš v stik. Poskusi ugotoviti, iz katere kovine ali zlitine so, kako so bili izdelani ter zakaj so bili uporabljeni za dani namen uporabe!
19.8 Dodatna literatura k temu poglavju 19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 19.6 19.7
Massalski, T. B. (urednik): Binary alloy phase diagrams, ASM International, 1990. Vsi fazni diagrami so iz te knjige! Casti Metals Red Book, Nonferrous Metals (Bringas, John E.), Fourth Edition, Casti Publication Inc, 2003 Kovač, Miran: Gradiva, Zapiski predavanj. Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 2001 Krautov strojniški priročnik. – 13. slovenska izd.., izdajo pripravila Jože Puhar, Jože Stropnik, Ljubljana: Littera picta, 2002 Metalurški priročnik, Tehniška založba Slovenije, Ljubljana 1972 Paulin, Andrej: Kovinarstvo, Univerza Edvarda Kardelja v Ljubljani, Fakulteta za naravoslovje in tehnologijo, VTO Montanistika, Ljubljana 1980 Paulin, Andrej: Mala slovenska enciklopedija metalurgije in materialov, Rudarsko-metalurški zbornik, Letnik 44, št. 1-2, Ljubljana julij 1997
20 Jeklo in železove litine Kaj bomo izvedeli? Kakšna je razlika med jekli in železovimi litinami? Kako legiranje jekel vpliva na njihovo mikrostrukturo? V čem se razlikujejo konstrukcijska in orodna jekla? V čem se razlikujeta bela in siva litina? Na kakšen način lahko dosežemo sivo ali belo strjevanje? Kako lahko vplivamo na obliko grafita pri sivem strjevanju? Kakšno spremembo lastnosti s tem dosežemo? Kako izdelamo temprane litine? Equation Section (Next)
20.1 Uvod Jekla so tiste železove zlitine, pri katerih je poleg osnovne komponente železa najpomembnejši zlitinski element ogljik. V jeklih je relativno malo ogljika, saj je njegov masni delež navadno manjši kot 1 %, toda kljub temu ima najpomembnejši vpliv na njihove uporabne lastnosti. Najpogostejša so ogljikova jekla. To so jekla, ki poleg železa vsebujejo le ogljik ter manjše količine mangana, silicija in aluminija. Slednje tri elemente dodamo z namenom, da bi zmanjšali ali povsem izničili negativen vpliv nečistoč, kot so žveplo, fosfor, kisik in dušik. Druga skupina jekel so legirana jekla. Ta – za razliko od ogljikovih jekel - vsebujejo še določene količine kroma, niklja, molibdena ali kakega drugega elementa. Posebna legirana jekla, ki so znana kot nerjavna, vsebujejo najmanj 11,5 % Cr. Orodna jekla so posebna vrsta jekel. Namenjena so odrezovanju in oblikovanju kovinskih in nekovinskih materialov v želeno obliko. Nekatera jekla dobijo svojo končno obliko z litjem (jeklena litina), medtem ko večino jekel oblikujemo v končno obliko z gnetenjem (preoblikovanjem) in jih lahko prištevamo h gnetnim zlitinam. Železove litine vsebujejo mnogo več ogljika in silicija kot jekla; navadno med 2 % in 4 % C ter med 1 % in 3 % Si. Te zlitine dobijo končno obliko z litjem.
20.2 Legirana jekla in litine V legiranih jeklih in litinah so količine zlitinskih elementov tolikšne, da bistveno spremenijo fazna ravnotežja v sistemih Fe-C in Fe-Fe3C. Nekateri zlitinski elementi kot npr. Ni (glej fazni diagram Fe-Ni na sliki 20.1 a) stabilizirajo fazo γ (avstenit). Te elemente imenujemo gamageni. Drugi zlitinski elementi kot npr. Cr (glej fazni diagram Fe-Cr na sliki 20.1 b) stabilizirajo fazo α (ferit), tako da se polji α in δ združita, ker imata α in δ enako kristalno zgradbo. Te elemente imenujemo alfageni. V jeklih, ki vsebujejo tako alfagene kot gamagene elemente, je struktura jekel odvisna od njihovega deleža. To prikazuje Schaefflerjev diagram (slika 20.2), ki ima na abscisi kromov ekvivalent, na ordinati pa nikljev ekvivalent. Nikljev ekvivalent je tisti delež niklja, ki ima enak učinek kot vsi gamageni elementi v zlitini. Glede na enačbo na ordinati na sliki 20.2 ima ogljik 30-krat močnejši učinek kot nikelj. Kadar v jeklu prevladujejo gamageni elementi, je lahko pri navadni temperaturi obstojen avstenit, čeprav je v ogljikovih jeklih obstojen le nad 727 °C. To so avstenitna jekla. Kadar prevladujejo alfageni elementi, je jeklo pri navadni temperaturi iz ferita. To so feritna jekla. Martenzitna jekla so pri povišanih temperaturah sestavljena iz avstenita. Pri ohlajanju se zaradi zelo majhne kritične ohlajevalne hitrosti pretvorijo v martenzit tudi pri ohlajanju na zraku. Martenzitna jekla so samokaljiva. Ta diagram je zelo pomemben pri nerjavnih jeklih.
- 200 -
20. Jeklo in železove litine
Slika 20.1:
201
Shematičen prikaz diagramov Fe-Ni in Fe-Cr. Nikelj ima kristalno zgradbo PCK, ki stabilizira avstenit γ (je gamageni element). Pri dovolj visoki temperaturi tvorita Fe in Ni neprekinjeno trdno raztopino γ (PCK). Železo in nikelj tvorita tudi intermetalno (vmesno) spojino Fe3Ni. Krom ima kristalno zgradbo TCK, zato stabilizira ferit α (je alfageni element). Področje avstenita γ je povsem zaprto, področji α in δ sta povezani, saj imata α in δ enako kristalno zgradbo. Pri določenih temperaturah tvorita Fe in Cr neprekinjeno trdno raztopino α (TCK). V določenem temperaturnem in koncentracijskem območju se pojavi intermetalna faza σ, ki je trda in krhka, ter lahko v mnogih jeklih povzroča krhkost.
Ugotovite podobnosti in razlike med faznima diagramoma Fe-Ni in Fe-Cr!
Slika 20.2:
Schaefflerjev diagram. Kadar jeklo vsebuje tako alfagene kot gamagene elemente, je njegova struktura odvisna od vrednosti Ni- in Cr-ekvivalenta. Kadar prevladujejo v jeklu gamageni elementi, je lahko pri navadni temperaturi navzoč avstenit, čeprav je v ogljikovih jeklih obstojen le nad 727 °C. To so avstenitna jekla. Kadar prevladujejo alfageni elementi, je jeklo pri navadni temperaturi iz ferita. To so feritna jekla. Martenzitna jekla so pri povišanih temperaturah sestavljena iz avstenita. Pri ohlajanju se zaradi zelo majhne kritične ohlajevalne hitrosti pretvorijo v martenzit tudi pri ohlajanju na zraku. Martenzitna jekla so samokaljiva.
Dupleksna jekla so sestavljena iz ferita in avstenita. Narišite njihovo mikrostrukturo!
Zlitinske elemente lahko delimo tudi po tem ali tvorijo z ogljikom karbide ali ne. Primer za elemente, ki ne tvorijo karbidov, je nikelj. Glede na delež niklja in ogljika lahko dobimo perlitna, martenzitna in avstenitna jekla. Po drugi strani je krom karbidotvorni element. Ob majhnem dodatku krom zamenja del železa v cementitu in dobimo zmesni karbid (Fe,Cr)3C. Pri večjem dodatku tvori lastne karbide; npr. Cr23C6. Značilno za dodatek kroma je tudi, da pomakne evtektično reakcijo k manjšim odstotkom C. Iz diagrama na sliki 20.3 b lahko odberemo, da se pri ~25 % Cr, ledeburit pojavi že pod 0,4 % C.
- 202 -
Slika 20.3:
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Vpliv deleža a) niklja in ogljika ter b) kroma in ogljika na strukturo jekla. a) Tako Ni kot C sta gamagena elementa, zato močno povečata področje stabilnosti avstenita. b) Cr je alfageni, C pa gamageni element, zato si njuna učinka nasprotujeta. Z večanjem deleža ogljika je potrebno za doseganje feritne mikrostrukture povečati tudi delež Cr. Krom je tudi karbidotvorni element. Z ogljikom tvori več vrst karbidov. Dodatek kroma pomakne evtektično reakcijo k manjšim odstotkom ogljika. Tako se v jeklu s ~25 % Cr pojavi ledeburit tudi v jeklih, ki vsebujejo le okoli 0,4 % C. Ledeburitna jekla spadajo k orodnim jeklom in so močno odporna proti obrabi.
Katere podobnosti in razlike najdete med diagramoma na sliki 20.3?
Jekla pogosto delimo tudi po namenu uporabe na konstrukcijska in orodna jekla. Glavna lastnost konstrukcijskih jekel je napetost tečenja in/ali natezna trdnost, medtem ko je pri orodnih jeklih bistvena trdota. Na sliki 20.4 b je prikazana značilna razlika med nateznima krivuljama obeh vrst jekel. Podrobno opišite razliko med nateznima krivuljama za konstrukcijsko in orodno jeklo!
20.3 Konstrukcijska in orodna jekla
Slika 20.4:
Značilna lastnost za konstrukcijska jekla je natezna trdnost, ki narašča z večanjem deleža ogljika. Po drugi strani je temeljna lastnost orodnih jekel trdota, ki prav tako narašča z deležem ogljika v jeklu. Konstrukcijska jekla imajo razmeroma majhno napetost tečenja in natezno trdnost, vendar se dajo močno plastično preoblikovati. Po drugi strani je napetost tečenja orodnih jekel zelo velika in tudi skoraj enaka natezni trdnosti, vendar so ta jekla zelo slabo preoblikovalna.
20.4 Železove litine Najbolj grobo delimo železove litine na bele litine (ogljik je izločen v obliki cementita), sive litine (ogljik je izločen v obliki grafita) ter temprane litine, pri katerih pri žarjenju cementit razpade v železo in temprani (vozlasti) grafit. Katero vrsto litine dobimo je najbolj odvisno od deleža silicija ter od hitrosti ohlajanja (slika 20.5). Večji delež silicija in počasnejše ohlajanje stimulirata nastanek sive litine oziroma potek procesov skladno z diagramom Fe-C.
20. Jeklo in železove litine
Slika 20.5:
203
Mikrostruktura železovih litin je močno odvisna od njihove kemične sestave in hitrosti ohlajanja (debeline sten). a) Maurerjev diagram prikazuje vpliv C in Si na vrsto litine, ki jo dobimo pri strjevanju. Pri majhnem deležu silicija dobimo belo litino: Ogljik je vezan v obliki cementita Fe3C. Večji delež silicija omogoča, da tako evtektična kot tudi evtektoidna reakcija potekata skladno z diagramom Fe-C (dobimo sivo litino s feritno osnovo). V melirani litini se pri strjevanju del ogljika izloči v obliki grafita, del pa v obliki cementita. b) Počasnejša hitrost ohlajanja (večja debelina sten ulitka) ima podoben učinek kot večja skupna koncentracija C in Si.
20.4.1 Bela litina V beli litini je ogljik vezan v obliki cementita. Zato je zelo trda. Posledično ima veliko obrabno obstojnost in se uporablja v drobilnih mlinih ter za valje s trdo skorjo. 20.4.2 Sive litine Najpomembnejši sta siva litina z lamelastim grafitom ter siva litina s kroglastim grafitom, ki jo imenujemo tudi nodularna litina (slika 20.6 c,d). Grafit v litini predstavlja tujek, ki povzroča močan zarezni učinek, in močno zmanjša natezno trdnost (slika 20.7 a). Le to izboljšamo z modificiranjem, pri katerem bistveno zmanjšamo velikost lamel. Mnogo boljše lastnosti dosežemo pri nodularni litini, kjer z modificiranjem in dodajanjem magnezija povzročimo, da se pri evtektični reakciji izloča grafit v obliki kroglic. Dušilnost (sposobnost dušenja mehanskih nihanj) sive litine zlasti z lamelastim grafitom bistveno presega dušilnost drugih litin (slika 20.7 b).
Slika 20.6:
Značilne mikrostrukture sive litine z lamelastim in kroglastim grafitom.
- 204 -
Slika 20.7:
GRADIVA – Visokošolski učbenik
a) S pojavom grafita v mikrostrukturi se natezna trdnost litine zmanjšuje. Zmanjšanje je dosti bolj izrazito v litini z lamelastim grafitom (sivi litini), saj lamele povzročijo mnogo večji zarezni učinek kot kroglice. b) Dušilnost (dušenje mehanskih nihanj) je največje pri sivi litini (litini z lamelastim grafitom), zato se ta pogosto uporablja za podnožja obdelovalnih strojev.
20.4.3 Temprani litini Ločimo črno in belo temprano litino. Izdelamo ju iz litine, ki se strjuje belo. Črno temprano litino dobimo pri žarjenju v nevtralni atmosferi, kjer povzročimo razpad cementita v železo in temprni grafit. Glede na postopek ohlajanja ima lahko črna temprana litina feritno ali perlitno osnovo (sliki 20.8 a in 20.9). Pri izdelavi bele temprane litine žarimo v oksidativni atmosferi. Najprej razpade cementit, nato pa ogljik difundira na površino, kjer zgori. V idealnem primeru je bela temprana litina povsem razogljičena zlitina železa s silicijem in še nekaterimi drugimi elementi.
Slika 20.8:
Tipičen potek temperature pri izdelavi črne in bele temprane litine. a) Črno temprano litino dobimo z žarjenjem bele litine v nevtralni atmosferi. V področju 1. cementit razpade v temprni grafit. Če poteka nadaljnje ohlajanje zelo počasi (področje 2.), je osnova črne temprane litine iz ferita, če pa na zraku (črtkana črna) pa iz perlita. b) Belo temprano litino dobimo z žarjenjem bele litine v oksidativni atmosferi. Najprej nastane grafit z razpadom cementita. Ogljik difundira na površino, kjer zgori. V idealnem primeru bela temprana litina s feritno osnovo ne vsebuje ogljika.
20. Jeklo in železove litine
Slika 20.9:
205
Značilne mikrostrukture tempranih litin. a) Pri črni temprani litini s feritno osnovo nastane temprni (vozlasti) grafit z razpadom cementita Fe3C. Počasno ohlajanje s temperature tempranja omogoči, da se ves presežni ogljik izloči iz avstenita in ferita in da kristalizira na temprnem grafitu. Celoten proces poteka skladno z diagramom Fe-C. b) Pri črni temprani litini najprej razpade cementit Fe3C v temprni grafit. Nadaljnje ohlajanje poteka pretežno po diagramu Fe-Fe3C, torej iz avstenita nastane z evtektoidno reakcijo perlit. c) Pri beli temprani litini s feritno osnovo najprej cementit razpade v temprni (vozlasti) grafit. Ogljik z difuzijo potuje do površine obdelovanca, kjer zgori. Torej se njegova koncentracija v litini s časom zmanjšuje. V idealnem primeru po koncu tempranja v beli litini ni več ogljika in dobimo binarno zlitino Fe-Si.
Ugotovite podobnosti in razlike med različnimi vrstami železovih litin!
20.5 Mehanske lastnosti jekel in železovih litin Podrobnih lastnosti jekel in železovih litin v tem študijskem gradivu ne bomo navajali. Osnovne lastnosti so v Krautovem strojniškem priročniku. Železove litine so na straneh 407-413, jekla pa na straneh 414-449. Povzetek Jekla so tiste železove zlitine, pri katerih je poleg samega železa najpomembnejši zlitinski element ogljik. V jeklih je ogljika navadno manj kot 1 %, toda kljub temu ima najpomembnejši vpliv na lastnosti ogljikovih jekel. Legirana jekla vsebujejo še znatne količine kroma, niklja, molibdena ali katerega drugega elementa, ki dajo jeklom posebne lastnosti. Legirana jekla, ki so znana kot nerjavna, vsebujejo najmanj 11,5 % Cr. Orodna jekla so namenjena odrezovanju in oblikovanju kovinskih in nekovinskih materialov v želeno obliko. Nekatera jekla dobijo svojo končno obliko z litjem (jeklena litina), medtem ko večino jekel oblikujemo v končno obliko z gnetenjem (preoblikovanjem) in jih lahko prištevamo h gnetnim zlitinam. Železove litine vsebujejo mnogo več ogljika in silicija kot jekla; navadno med 2 % in 4 % C ter med 1 % in 3 % Si. Končno obliko dobijo z litjem. Delimo jih na bele litine (ogljik je izločen v obliki cementita), sive litine (ogljik je izločen v obliki grafita, najboljšo trdnost in žilavost ima nodularna litina, ki ima grafit v obliki kroglic) ter temprane litine, pri katerih pri žarjenju cementit razpade v železo in temprni (vozlasti) grafit. Na vrsto litine najbolj vplivata delež silicija ter hitrost ohlajanja. Večji delež silicija in počasnejše ohlajanje stimulirata nastanek sive litine oziroma potek procesov skladno z diagramom Fe-C.
20.6 Razmisli, odgovori, reši 20.1 20.2 20.3 20.4 20.5 20.6 20.7 20.8 20.9
Kaj imajo skupnega jekla in železove litine? V čem se razlikujejo konstrukcijska in orodna jekla? Jeklo vsebuje 5 % Ni in 15 % Cr. Iz katerih faz bo sestavljeno? Kaj pomenijo pojmi: alfageni, gamageni in karbidotvorni element? Zakaj belo litino žarimo v oksidacijski, črno pa v nevtralni atmosferi? Kako lahko dosemo pretvorbo lamelnega grafita v kroglastega? Kaj pomeni pojem samokaljivo jeklo? Zakaj je osnovna lastnost orodnih jekel trdota? Na kakšen način lahko dosežemo njihovo veliko trdoto? Ali lahko toplotno obdelamo tudi železove litine? Pomisli, kakšne bi bile lahko razlike v primerjavi s toplotno obdelavo jekel!
- 206 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
20.10 V vsakdanjem življenju poišči dele narejene iz jekla ter železovih litin. Razmisli, zakaj se uporabljajo za izdelavo teh delov. Katera druga gradiva bi še lahko uporabili?
20.7 Dodatna literatura k poglavju 20.1
Casti Metals Black Book, European Ferrous Data (Bringas, John E.), Second Edition, Casti Publication Inc, 2003 (Označevanje in lastnosti jekel skladno z evropskimi standardi. Primerjava evropskih in ameriških jekel!) 20.2 Heat Treater's Guide: Practices and Procedures for Irons and Steels, (Chandler, Harry – urednik), Second Edition, ASM International, 3. ponatis, 2000 20.3 Kovač, Miran: Gradiva, Zapiski predavanj. Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 2001 20.4 Krautov strojniški priročnik. – 13. slovenska izd.., izdajo pripravila Jože Puhar, Jože Stropnik, Ljubljana: Littera picta, 2002 20.5 Metalurški priročnik, Tehniška založba Slovenije, Ljubljana 1972 (Sistematika jekel). 20.6 Paulin, Andrej: Mala slovenska enciklopedija metalurgije in materialov, Rudarsko-metalurški zbornik, Letnik 44, št. 1-2, Ljubljana julij 1997 20.7 Pelhan, Ciril: Livarstvo, Fakulteta za naravoslovje in tehnologija, Ljubljana 1981 (Najboljši pregled železovih litin v slovenskem jeziku!) 20.8 Spaić, Savo: Fizikalna metalurgija, Zgradba kovinskih materialov, Strjevanje kovinskih talin, Ljubljana: Oddelek za materiale in metalurgijo, Naravoslovnotehniška fakulteta, Univerza v Ljubljani, Ljubljana, 2002 20.9 Spaić, Savo: Fizikalna metalurgija, Binarni sistemi, Metalografija zlitin, Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehniška fakulteta, Oddelek za materiale in metalurgijo, Ljubljana 2000 (Metalografija železovih litin) 20.10 Spur, Günther (urednik): Handbuch der Fertigungstechnik, Band 4/2: Wärmebehandeln, Carl Hanser Verlag München Wien 1987 20.11 Vodopivec, Franc: Kovine in zlitine, Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Ljubljana 2002 20.12 Zupančič, Danilo: Označevanje materialov, Jekla in železove litine, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 1998 (Označevanje jekel in železovih litin skladno s SIST EN).
21 Korozija Kaj bomo izvedeli? Zakaj kovinski materiali propadajo pod vplivom okolja? Kakšne so značilnosti korozije v plinih? Kako poteka korozija v vodnih raztopinah? Kako deluje galvanski člen? Kaj pomenita pojma pasivnost in imunost? Katere vrste korozije v vodnih raztopinah so najpogostejše? Kako ugotavljamo odpornost proti koroziji? Kako zaščitimo kovinske materiale pred korozijo? Equation Section (Next)
21.1 Uvod Korozija je razdiralni napad na kovino. Temelji na kemičnih in elektrokemičnih reakcijah, ki potekajo zaradi termodinamične nestabilnosti materiala v nekem okolju. V naravi je večina kovin vezanih v okside, sulfide, hidrokside oziroma druge spojine. Pri njihovem pridobivanju jih moramo ločiti od ostalih elementov. Ker je prosta energija G spojin, v katere so vezane kovine, negativnejša od proste energije G kovin, se prosta energija kovin pri nastanku spojin zmanjša – kovine s tem propadajo – proces pa imenujemo korozija. Glede na medije, v katerih poteka korozija, ločimo: • Korozijo v plinih, ki se imenuje tudi suha ali kemična korozija. • Korozijo v raztaljenih kovinah. • Korozijo v vodnih raztopinah - elektrokemična korozija. Ta je najpogostejša, saj približno 97 % vse škode naredi ta vrsta korozije.
21.2 Korozija v plinih Korozija v plinih se imenuje tudi kemična ali suha korozija, ker reakcijska partnerja neposredno izmenjata valenčne elektrone. 2Fe + O2 → 2FeO
(2Fe2+ O2-)
Pri tej reakciji elektropozitivnejši element (Fe) odda dva elektrona - oksidira, medtem ko elektronegativnejši element (O) sprejme dva elektrona in se pri tem reducira. V kemiji je oksidacija proces, pri katerem kemijski element odda elektrone; redukcija pa proces, pri katerem jih sprejme! Plast oksida na površini nastaja v več stopnjah (slika 16.1 a). Oksid bo ščitil kovino pred nadaljnjo korozijo, če bo v celoti prekrival površino kovine, če ne bo pokal in se luščil. To je v veliki meri odvisno od razmerja med specifično prostornino oksida in kovine (Pilling-Bedworthovo razmerje PB). Če je PB < 1, oksid ne more prekriti celotne površine kovine in je ne more učinkovito ščititi pred oksidacijo. Ko je PB > 1, nastajajo v oksidni plasti tlačne napetosti, ki sčasoma vodijo do nastanka razpok. Pri razmerju PB > 2 nastala plast takoj poči in ne ščiti kovine pred nadaljnjo oksidacijo. Pri rasti oksidne plasti poteka na fazni meji oksid/kovina reakcija: Me → Men+ + ne-, na fazni meji oksid/atmosfera: 4e- + O2 → 2O2. Pri kompaktnih plasteh je hitrost rasti odvisna od hitrosti difuzije kovine ali kisika skozi plast. Takrat je rast oksidne plasti difuzijsko krmiljena in debelina se povečuje s korenom časa: x=k t Če se plast neprenehoma trga, se debelina plasti veča linearno s časom: - 207 -
(21.1)
- 208 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik x∝t
(21.2)
Pojasni nastanek in rast oksidne plasti z uporabo osnov, ki smo jih obravnavali v poglavju Fazne premene! Pojasni pomen Pilling-Bedworthovega razmerja pri zaščiti kovine pred nadaljnjo korozijo!
Slika 21.1:
a) Prikaz nastajanja oksidne plasti na površini kovine b) atomska zgradba oksida NiO s prazninami na kationskih mestih. a1. Adsorpcija (ne absorpcija) atomov iz plina na površini kovine. (Ločimo fizikalno in kemijsko adsorpcijo. Pri fizikalni ni prehoda elektronov, pri kemijski prehod elektronov s površine k atomu ali obratno. Odvisno od elektronegativnosti elementov.) a2. Nastajanje oziroma nukleacija oksida na ugodnih mestih - heterogena nukleacija oksida. a3. Debelitev plasti - poteka z difuzijo kovinskih kationov na površino oksid/atmosfera ali kisikovih atomov iz atmosfero na mejno površino kovina/oksid. a4. Nastanek mikrorazpok v plasti zaradi tlačnih napetosti. Tlačne napetosti se pojavijo zato, ker ima v večini primerov oksid večjo specifično prostornino (manjšo gostoto) kot kovina. a5. Velike razpoke v plasti povzročijo neposreden stik z oksidacijskim sredstvom. b) Oksidi niso popolnoma stehiometrični; to pomeni da razmerje med atomi ni enako celoštevilčni vrednosti. Na primer v NiO razmerje Ni:O ni točno 1, temveč malo manj kot ena. Nikljevih atomov je manj kot kisikovih, zato so na kationski podmreži praznine. To je oksid tipa p. Preko teh praznin kationi Ni difundirajo od fazne meje kovina/oksid do fazne meje oksid/atmosfera, kjer reagirajo s kisikom: O2- + Ni2+ → NiO. Oksid raste na zunanji strani, na notranji strani pa nastajajo v kovini pore.
21.3 Korozija v vodnih raztopinah Korozijo v vodnih raztopinah si lahko pojasnimo z delovanjem galvanskega člena (slika 21.2). Za primer vzemimo galvanski člen Zn-Cu. Baker in cink sta potopljena v ločenih raztopinah bakrove in cinkove soli. V standardni raztopini je koncentracija bakrovih ionov c (½ Cu2+) = 1 mol/l, enaka je tudi koncentracija cinkovih ionov c (½ Zn2+) = 1 mol/l . Ker ima baker naboj +2, moramo raztopiti 0,5 mol soli CuCl2 v 1 l vode, da dosežemo takšno koncentracijo. Če sta elektrodi iz Zn in Cu ločeni in nepovezani, se na obeh elektrodah vzpostavi dinamično ravnotežje: na bakrovi elektrodi: Cu ↔ Cu2+ + 2e- in na cinkovi elektrodi: Zn ↔ Zn2+ + 2e-. Hitrosti raztapljanja in izločanja sta enaki. Ko povežemo cinkovo in bakrovo elektrodo s prevodno žico (slika 21.2), poteka na cinkovi elektrodi (anoda) reakcija: Zn → Zn2+ + 2e-
(21.3)
Zn se raztaplja v elektrolitu - se oksidira, elektroni pa potujejo proti bakrovi elektrodi, kjer poteka anodna reakcija: Cu2+ + 2e- → Cu
(21.4)
21. Korozija
209
Baker se izloča iz raztopine - se reducira. Na bakrovi elektrodi poteka katodna reakcija. Skupna reakcija je: Zn + Cu2+ → Cu + Zn2+
(21.5)
Reakciji potekata na ločenih mestih, med obema mestoma teče električni tok. Smer električnega toka je nasprotna smeri elektronov. To je značilna elektrokemijska reakcija. Glede na smer toka je potencial cinkove elektrode negativnejši kot bakrove. V ravnotežnem stanju je napetost med elektrodama 1,10 V.
Slika 21.2:
Galvanski člen Cu-Zn. Oznaka [Cu2+] pomeni koncentracija Cu2+-kationov.
Razpredelnica 21.1:
Vodikova lestvica standardnih potencialov (lestvica standardnih elektrodnih potencialov)
Reakcija Au = Au3+ + 3eCu = Cu2+ + 2e2H = 2H+ + 2eSn = Sn2+ + 2eZn = Zn2+ + 2e-
Potencial / V 1,498 0,337 0 -0,136 -0,763
Absolutnih napetosti posamezne elektrode proti elektrolitu ne moremo meriti, zato se uporablja merjenje napetosti posamezne kovinske elektrode proti standardni vodikovi elektrodi. Vodikova elektroda je sestavljena iz platinske ploščice, ki jo prepihujemo z vodikom pod tlakom 1 bar. Ploščica je potopljena v vodno raztopino, v kateri je koncentracija vodikovih kationov c (H+) = 1 mol/l. Po dogovoru je potencial vodikove elektrode enak nič. Izmerjene napetosti so podane v vodikovi lestvici standardnih potencialov. Vrednosti standardnih potencialov nekaterih reakcij so podane v razpredelnici 21.1. Kovina, ki ima manjši oziroma negativnejši potencial, je v galvanskem členu anoda. 21.3.1 Elektrokemijska korozija Elektrokemijska korozija se pojavlja povsod, kjer obstaja električna potencialna razlika med posameznimi mesti ob prisotnosti elektrolita. Za potek elektrokemične korozije nista nujno potrebni dve različni kovini kot pri galvanski celici, temveč anodna in katodna mesta na površini kovine (Me). Na anodi poteka raztapljanje atomov – oksidacija:
primarna reakcija:
Me → Men+ + 2e-
Sproščeni elektroni potujejo na katodo, kjer poteka depolarizacija z vodikom ali kisikom: depolarizacija z vodikom:
2H+ + 2e- → H2
depolarizacija s kisikom
v kislem: O2 + 2H+ + 4e- → 2(OH)v bazičnem: O2 + 2H2O + 4e- → 4(OH)-
- 210 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Včasih med seboj reagirajo produkti primarne reakcije - to je sekundarna reakcija. Za potek elektrokemijske korozije sekundarna reakcija ni nujno potrebna: Primer sekundarne reakcije:
Me2+ +2(OH)- →Me(OH)2
Pojasni razliko med kemijsko in elektrokemijsko korozijo. Poiščite razliko med pojmoma rja in škaja!
21.3.2 Vzroki za nastanek galvanskih členov Osnovni vzrok, ki izvira iz kristalne zgradbe kovin, je anizotropnost. V polikristalnih gradivih so sosedna zrna različno orientirana. Zato so korodirnemu mediju v različnih zrnih izpostavljene različne ravnine. Ravnine, v katerih so atomi slabše vezani kot na drugih, delujejo kot anode. V realni zgradbi, ki ima kristalne napake, so mesta z napakami anode, medtem ko so mesta brez njih katode. V polikristalnih gradivih so kristalne meje anode, notranjost zrna pa katoda. V večfaznih gradivih se elektrokemijski potenciali različnih faz razlikujejo. Faza z najnegativnejšim potencialom je anoda.
Različni deli kovine se lahko nahajajo pri različnih razmerah (Na primer del, ki je neenakomerno potopljen v vodo). Razlike so lahko v koncentraciji kisika ali drugih elementov, temperaturi elektrolita, itd. To ustvari razlike v elektrokemijskem potencialu, kar je gonilna sila za korozijo. Kovine so lahko tudi neenako mehansko obremenjene. Zato so lahko nekateri deli bolj elastično obremenjeni kot drugi. Prvi delujejo kot anode. 21.3.3 Pasivacija kovin Na površini nekaterih kovinskih materialov nastajajo produkti sekundarne reakcije, ki se dobro oprimejo površine in ščitijo pred nadaljnjo korozijo. Take kovine se pasivirajo. Aluminij in njegove zlitine lahko eloksiramo, pri čemer odebelimo zaščitno oksidno plast. Zaradi tega ga lahko uporabimo v okoljih, kjer bi drugače korodiral.
Sposobnost za pasivacijo ugotavljamo s potenciodinamično metodo (slika 21.3). Pri tem spreminjamo potencial preizkušanca običajno proti kalomelovi elektrodi in merimo električni tok, ki je merilo za korozijsko hitrost. Masa korodirane kovine je namreč sorazmerna količini elektrokemičnega naboja osnovne kovine, ki se sprosti pri anodni reakciji (Me → Men+ + ne-). Pri kovinah, ki se pasivirajo, je na krivulji E – i pasivno področje. Pasivna plast ščiti tem bolje, čim manjši je pasivacijski tok (ipas) in čim širše je področje med Epas in Ep – pasivno področje (slika 21.3 b). Ali lahko pasivna plast, ki se lušči s površine kovine, ščiti kovino pred korozijo?
Slika 21.3:
Polarizacijska krivulja za material, ki se pasivira
21. Korozija
Slika 21.4:
211
Pourbaixov diagram za Fe. V imunem področju je obstojno Fe, saj na površini železa poteka katodna reakcija. V področjih Fe2+ in Fe3+ železo ne tvori sekundarnih produktov, v področjih FeO42- in FeO2H- sta nastala korozijska produkta topna v vodi, kar vodi do nadaljnje korozije. V področju pasivacije nastala pasivna plast ščiti železo pred korozijo.
21.3.4 Diagram potencial - pH Ravnotežja med kovino, kovinskimi kationi in drugimi kationi oziroma anioni v odvisnosti od potenciala E in pH* raztopine dajejo Pourbaixovi diagrami (slika 21.4). Pourbaixov diagram dejansko kaže obnašanje kovin v korodirnem mediju pri različnih vrednostih kislosti in električnega potenciala. V diagramu so tri področja:
imunost, pasivnost in korozija. V področju imunosti kovina ne korodira, na njej poteka katodna reakcija. V pasivnem področju se kovina prevleče s pasivno plastjo. Zaščita je dobra, dokler je pasivna plast nepoškodovana. V pasivnem področju kovina ni odporna proti elektrolitu, temveč je od njega le ločena s pasivnim filmom. V področju korozije kovina prehaja v raztopino z anodno reakcijo ali pa nastanejo topni korozijski produkti. Poišči primere v vsakdanjem življenju, kjer je pomemben pH.
21.4 Oblike korozije Obstaja več delitev oblik korozije. Delitev po Greenu in Fontanu je prikazana na sliki 21.5. 21.4.1 Navadna ali splošna korozija Pojavlja se pri enakomerni mikrostrukturi ali pri drobnozrnatih jeklih, kjer ni velike potencialne razlike med posameznimi mesti. Ta napreduje enakomerno in ni nevarnosti, da bi zaradi nje kak del nenadoma odpovedal. 21.4.2
A
Lokalna korozija
Jamičasta (angl. pitting)
Pojavlja se v obliki izjed ali jamic predvsem pri materialih, ki pasivirajo, na mestih, kjer je pasivni film pretrgan. Na tem mestu se material raztaplja - anodno mesto, na drugih pa poteka katodna reakcija. Nastanejo globoke izjede, ki povzročajo koncentracijo napetosti. Pogosto jo težko odkrijemo, zato lahko povzroča nenadne poškodbe materiala in povzroča veliko škodo.
-
pH je definiran kot pH = -log [H+]. Pri 20 °C je v vodi koncentracija ionov [H+] = [OH-] = 10 7 mol l–1. Produkt je enak + [H ] [OH-] = 10-14. Iz tega dobimo, da je raztopina kisla pri pH < 7 in bazična pri pH > 7. (Oznaka [H+] pomeni koncentracijo vodikovih kationov.) *
- 212 -
B
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Slika 21.5:
Oblike korozije po Greenu in Fontanu.
Slika 21.6:
Prikaz špranjske korozije
Špranjska korozija
Pojavlja se v drobnih špranjah, na stiku dveh pločevin, prirobnicah...(slika 21.6) Raztapljanje poteka posebej intenzivno ob prisotnosti kloridov. 21.4.3 Interkristalna korozija Nastopa zaradi različne kemijske sestave kristalnih mej in kristalnih zrn (izcejanje posameznih zlitinskih elementov, izceje) oziroma zaradi delcev in izločkov na mejah kristalnih zrn. Elektrokemični potencial izločkov je različen od potenciala osnove. Glede na razliko v elektrokemijskih potencialih delujejo izločki kot anode ali kot katode. Primer je interkristalna korozija nerjavnih jekel (slika 21.7).
Slika 21.7:
Prikaz interkristalne korozije nerjavnega jekla. Pri varjenju se v toplotno vplivani coni izločajo po mejah zrn izločki kromovega karbida Cr23C6, ki delujejo kot katoda. Ob izločkih karbida vsebuje osnova manj kot 12 % Cr, zato se ne more pasivirati, temveč se raztaplja: Fe → Fe2+ + 2e-, na karbidih poteka katodna reakcija: 2H+ + 2e- → H2.
21. Korozija
Slika 21.8:
213
Selektivna korozija v a) enofazni in b) dvofazni medi. V enofazni α-medi prednostno korodira cink: Zn → Zn2+ + 2e-, zato se koncentracija Cu v fazi α veča, zato se barva spreminja od rumene k rdeči. V dvofazni medi α + β se prednostno raztapljajo zrna faze β, šele nato se začne raztapljati Zn iz zrn faze α. (Faza α je trdna raztopina na osnovi bakra, s kristalno zgradbo PCK, medtem ko je faza β trdna raztopina na osnovi intermetalne faze – vmesne spojine – CuZn, ki ima kristalno zgradbo TCK).
21.4.4 Selektivno raztapljanje O njem govorimo, kadar se prednostno raztaplja ali element v trdni raztopini ali neka faza v heterogeni mikrostrukturi. Znan je primer razcinkanja medi (slika 21.8). 21.4.5 Erozivna korozija Pojavlja se ob sočasnem delovanju korodirnega medija in udarnega delovanja fluidov, pri kavitaciji. Prisotna je v kovinah, ki se pasivirajo, vendar se pasivni film zaradi udarnega delovanja fluida sproti prekinja, zato korozija neprenehoma napreduje (slika 21.9).
Slika 21.9:
Prikaz erozivne korozije: udarno delovanje fluida.
21.4.6 Korozijsko utrujanje Nastopi ob sočasnem delovanju izmeničnih obremenitev in korodirnega medija. Pri obravnavi preizkušanja trajne dinamične trdnosti, smo spoznali, da postopno napredovanje utrujenostne razpoke povzroči lom. Korodirni medij olajša nastanek utrujenostnih razpok ter pospeši njihovo napredovanje. Zato se zmanjša trajna nihajna trdnost materiala, ki je izpostavljen korodirnemu mediju (slika 21.10 a).
Slika 21.10:
Vpliv utrujanja v korodirnem mediju na trajno nihajno trdnost
- 214 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
21.4.7 Napetostno korozijsko pokanje Pojavlja se pri materialih, ki so obremenjeni s statično obremenitvijo v korodirnem mediju. Če bi bil material obremenjen le s statično obremenitvijo ali če bi bil samo v korodirnem mediju, potem se pokanje ne bi pojavilo.
Mehanske napetosti v materialu so v elastičnem področju, vendar pa korodirni medij raztaplja material ob konici razpoke in jo tako podaljšuje. Intenziteta napetosti (koeficient lomne žilavosti) KI v konici razpoke se poveča, zato mehanska obremenitev podaljša razpoko. Pri žilavih materialih se konica razpoke zaobli in KI se zmanjša. Korodirni medij konico ponovno razširi in izostri. Takšno sočasno delovanje korodirnega medija in mehanskih napetosti povzroča postopno napredovanje razpoke in končno porušitev materiala. 21.4.8 Vodikova krhkost Vodikova krhkost se pojavlja skupaj z napetostnim korozijskim pokanjem. Običajen potek katodne reakcije je 2H+ + 2e– → H2, vendar se ves vodik ne veže v molekule H2, temveč se posamični atomi vodika H adsorbirajo na površini razpoke in difundirajo v kovino. V kovini se na določenih mestih vežejo v plinske molekule H2, kar povzroči precejšne napetosti. Nevezani atomi vodika (H) zmanjšajo kohezijsko (vezalno) silo med atomi železa, kar olajša napredovanje razpok. Na vodikovo krhkost so posebej občutljiva trda jekla, ki imajo majhno žilavost, kakor tudi druge kovine (Ni, Cu, Ti, Al, Fe).
21.5 Korozijsko preskušanje Kovine in zlitine preskušamo na najrazličnejše načine na občutljivost oziroma na odpornost v določenih korodirnih medijih. Ena najpomembnejših metod je potenciodinamična metoda, ki smo jo na kratko predstavili v podpoglavju o pasivaciji. Tukaj bodo prikazane nekatere druge metode. Poiščite podobnosti in razlike med različnimi oblikami korozije!
21.5.1
A
Preskušanje v korozijskih komorah
Vlažna korozijska komora
To je posoda, katere dno je pokrito z vodo. Komoro segrevamo, da dosežemo 100 % vlažnost. Preizkušanje poteka izmenično: 8 ur pri 100 % vlažnosti pri 40 °C ter 16 ur odprto pri sobni temperaturi. Po predpisanem številu ponovitev se ugotavljajo morebitne korozijske poškodbe na preizkušancih.
B
Industrijska korozijska komora
Zgrajena je podobno kot vlažna. V korozijsko celico uvajamo SO2 ali mešanico SO2 + CO2. Postopek preizkušanja je enak kot pri vlažni komori. 21.5.2 Preskušanje z omakanjem Pri preizkušanju z omakanjem simuliramo razmere, pri katerih se material občasno omoči. Uporablja se več postopkov:
- delna potopitev, - izmenično omakanje, - izmenično omakanje z daljšimi presledki v morski vodi (simuliranje plime in oseke), - popolna potopitev. Po predpisanem času ali številu ponovitev se ocenijo korozijske poškodbe. 21.5.3 Ocenjevanje napetostnega korozijskega pokanja a) Statično obremenjevanje gladkih preizkušancev
Preizkušance obremenimo s statično obremenitvijo in jih izpostavimo korodirnemu mediju. Ugotavljamo, ali se v področjih največjih napetosti pojavijo razpoke.
21. Korozija
215
b) Statično obremenjevanje preizkušancev z utrujenostno razpoko Pri tem preizkusu izpostavimo preizkušanec z utrujenostno razpoko korodirnemu mediju in merimo hitrost napredovanja razpoke.
21.6 Korozijska zaščita Obstaja cela paleta najrazličnejših metod korozijske zaščite od premazov in lakov, kovinskih prevlek, inhibitorjev do katodne in anodne zaščite. Tukaj bomo obravnavali le katodno in anodno zaščito. 21.6.1 Anodna zaščita Uporablja se za zaščito kovin, ki pasivirajo. Uporabimo zunanjo napetost, ki je v pasivnem področju potenciodinamične polarizacijske krivulje (slika 21.3). Objekt, ki ga ščitimo, je anoda. 21.6.2 Katodna zaščita V tem primeru je predmet, ki ga ščitimo katoda. Katodno zaščito izvedemo z žrtveno anodo ali z zunanjim virom električne napetosti, s čemer dosežemo, da je zaščiteni material v področju imunosti v Pourbaixovem diagramu (slika 21.4).
Delovanje žrtvene anode bo prikazano z naslednjim primerom. V HCl potisnemo železovo in cinkovo ploščo. Na anodnih mestih se kovini raztapljata Fe → Fe2+ + 2e- in Zn → Zn2+ +2e-, na katodi pa poteka depolarizacija z vodikom: 2H+ + 2e- → H2. Če povežemo cinkovo in železno ploščo s električnim prevodnikom, poteka na cinkovi plošči oksidacija: Zn → Zn2+ + 2e-, na železovi pa redukcija Fe2+ + 2e→ Fe. Torej Zn, ki ima negativnejši elektrokemijski potencial od železa, ščiti železo pred korozijo. Za zaščito ladij v morskih in sladkih vodah uporabljajo Zn. Cinkova plošča je žrtvena elektroda. Lahko se uporablja tudi magnezijeva anoda. Katere vrste korozijske zaščite si že kdaj uporabil(a)? Ali je korozija kljub temu napredovala? Ugotovi razloge za to in podaj možne rešitve!
Povzetek Kovinska gradiva niso v termodinamsko najstabilnejšem stanju, zato pod vplivom okolja razpadajo. Pri povišanih temperaturah je pomembna korozija v plinih. Največ škode povzroči korozija v vodnih raztopinah, ki jo imenujemo tudi elektrokemična korozija. Kadar sta v stiku dve različni kovini lahko glede na vrednosti elektrodnega potenciala napovemo, katera od kovin bo korodirala. Kovina z negativnejšim potencialom (anoda) se bo raztapljala (korodirala), na kovini s pozitivnejšim potencialom (katoda) pa bo potekala katodna reakcija. Med anodnim in katodnim mestom teče električni tok. Nekatere kovine se pri koroziji prevlečejo s pasivno plastjo, ki jih ščiti pred nadaljnjo korozijo. Kako se bo neka kovina obnašala v določenih razmerah, prikazuje Pourbaixov diagram. Odpornost proti koroziji ugotavljamo z različnimi preskusi. Pomembno je, da lahko kovinska gradiva zaščitimo pred korozijo na več načinov.
21.7 Pomisli, odgovori, reši 21.1 21.2 21.3 21.4 21.5 21.6 21.7 21.8 21.9 21.10 21.11
Pojasnite razliko med kemično in elektrokemično korozijo? Kakšna je razlika med anodno in katodno reakcijo? Ali se sekundarna reakcija pojavi v vsakem primeru? Kakšna je razlika med rjo in škajo? Pojasnite nastanek in rast oksidne plasti s pojmi, ki smo jih spoznali v poglavju Fazne premene! Zakaj se nekatere kovine pasivirajo? Kaj imata skupnega interkristalna korozija in interkristalni lom? V čem je razlika med pojmoma imunost in pasivnost? V čem je razlika med korozijskim utrujanjem in korozijskim napetostnim pokanjem? Kakšna je razlika med anodno in katodno zaščito? Kakšna je razlika, če jeklo prekrijemo s cinkom ali kositrom?
- 216 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
21.8 Dodatna literatura k poglavju 21.1 21.2
Vehovar, Leopold: Korozija kovin in korozijsko preskušanje, Samozaložba, (Najpomembnejša knjiga o koroziji v slovenskem jeziku!). Glavič, Peter: Gradiva, Maribor: Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, 2001
Ljubljana
1991
22 Keramična gradiva Kaj bomo izvedeli? Kaj je keramika? Kako delimo keramiko? Kako vpliva narava kemijskih vezi na zgradbo in lastnosti keramike? Zakaj je keramika krhka? Kako vpliva poroznost na lastnosti keramike? Kaj se dogaja pri sintranju tehnične keramike? Kakšne so osnovne značilnosti keramičnih stekel?
Equation Section (Next)
22.1 Uvod Keramika je definirana kot anorganski in nekovinski material, ki se tvori pod vplivom toplote ali toplote in tlaka. Večino keramičnih gradiv sestavljajo atomi kovinskih in nekovinskih elementov, med katerimi delujejo ionske kemijske vezi, ali pa mešane vezi s prevladujočim ionskim in manjšinskim kovalentnim značajem (le pri nekaterih keramičnih gradivih delujejo med atomi čiste kovalentne vezi: npr. diamant). V splošnem ločimo glede na vrsto atomov, ki reagirajo med seboj, štiri glavne skupine keramičnih gradiv: 1. skupina: Sem spadajo keramična gradiva, nastala z reakcijo atomov nekovin, ki so pri standardnih razmerah v plinastem stanju, in kovinskih atomov: Al2O3, ZrO2, CsCl… Vezi med temi atomi so lahko skoraj čiste ionske vezi (CsCl) ali pa mešane ionsko-kovalentne vezi s prevladujočim ionskim značajem. 2. skupina: Keramično gradivo je sestavljeno iz atomov nekovinskih elementov, ki so v standardnih razmerah trdni, in kovinskih atomov: TiC, WC… Mešane kemijske vezi imajo v tem primeru kovinskokovalentni značaj. Na pomemben delež kovinske vezi kaže njihova bistveno manjša električna upornost kot pri ostalih materialih (Razpredelnica 22.1). 3. skupina: Keramično gradivo je sestavljeno iz različnih nekovinskih ali polkovinskih elementov, ki so v standardnih razmerah v trdnem agregatnem stanju: SiC… V SiC prevladuje kovalentna vez. 4. skupina: Keramično gradivo nastane z reakcijo med atomi nekovinskega trdnega elementa in atomi nekovinskih elementov, ki so v standardnih razmerah v plinastem agregatnem stanju: SiO2… V SiO2 sta deleža ionske in kovalentne vezi podobna.
Pogosto prištevamo h keramičnim gradivom tudi nekatere snovi, ki ne spadajo v eno od zgoraj omenjenih skupin, imajo pa izrazite keramične lastnosti (npr. grafit). V splošnem so keramična gradiva trdi in krhki ter imajo majhno žilavost in duktilnost. Zaradi narave in stabilnosti kemijske vezi so dober električni in toplotni izolator (odsotnost prevodnih elektronov), imajo relativno visoko tališče (Razpredelnica 22.1) in so kemično zelo stabilni v mnogih reaktivnih okoljih. Zaradi teh lastnosti so keramična gradiva nepogrešljivi v moderni tehniki. Po uporabi razdelimo keramična gradiva na: Tehnično (inženirsko) keramiko, ki je sestavljena iz zelo čistih sestavin – oksidna keramika (Al2O3, SiO2, ZrO2); karbidi (B4C, HfC, SiC, TiC); nitridi (BN, TiN). Materiali iz te skupine se danes že uporabljajo kot konstrukcijski materiali v strojništvu, oziroma kot tehnična keramika, ki zajema vsa ostala področja uporabe anorganskih nekovinskih materialov z veliko mehansko trdnostjo. Tradicionalno keramiko, ki je sestavljena iz treh glavnih komponent: glinice (Al2O3), kremena (SiO2) in glinenca (K2O . Al2O3 . 6SiO2). Materiali iz te skupine se uporabljajo za opeke in opečne plošče, ki se uporabljajo v gradbeništvu, ter električni porcelan, ki ga veliko uporabljamo v elektroindustriji. - 217 -
- 218 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Razpredelnica 22.1:
Lastnosti izbranih keramičnih gradiv
Snov
kemijska enačba
gostota v kg/dm3
Mikrotrdota HK 50*
temperatura tališča v °C
modul elastičnosti v GPa
električna upornost Ohm m
diamant
C
3,52
7600
4100
890
1016
kubični borov nitrid
BN
3,48
4700
3730
590
1014
borov karbid
B4C
2,52
2940
2450
440
100
silicijev karbid
SiC
3,22
2580
2300
470
1
silicijev nitrid
Si3N4
3,18
1700
1900
206
1014
tantalov karbid
TaC
14,5
1550
3980
550
15 × 10–4
volframov karbid
WC
15,7
2350
2780
700
17 × 10–4
titanov karbid
TiC
4,93
2800
3070
460
52 × 10–4
korund
Al2O3
3,97
-
2050
386
-
berilijev oksid
BeO
3,00
-
2530
-
-
*Trdota po Knoopu. Vrednosti so enake kot po Vickersu. Kot vtiskalno telo se uporablja podolgovata piramida. Poiščite primere uporabe keramičnih gradiv v vsakdanjem življenju. Pri vsakem primeru poskusite ugotoviti, katera njihova lastnost je bila odločilna za izbiro tega materiala.
22.2 Zgradba keramike 22.2.1 Kemijske vezi med atomi Keramična gradiva so običajno kristalne snovi z urejeno razporeditvijo ionov oziroma molekul v prostoru, zato ima zgradba red dolgega dosega. Kemijske vezi med atomi so navadno mešane. Opazimo lahko tako ionski kot kovalentni značaj vezi. Značaj kemijske vezi je v največji meri odvisen od razlike v elektronegativnosti med elementoma, ki sestavljata keramično gradivo. Značaj vezi je pomemben, saj v veliki meri določa vrsto kristalne zgradbe keramičnega kristala in s tem posledično tudi lastnosti. Kot je prikazano v razpredelnici 22.2, narašča delež ionske vezi z večanjem razlike v elektronegativnosti.
Razpredelnica 22.2:
Značaj kemijske vezi, glede na razliko v elektronegativnosti med elementoma, ki tvorita vez
Material
Razlika v elektronegativnosti Δχ
Delež ionske vezi v %
Delež kovalentne vezi v %
MgO Al2O3 SiO2 Si3N4 SiC
2,3 2,0 1,7 1,2 0,7
73 63 51 30 11
27 37 49 70 89
22.2.2 Kristalna zgradba keramike s prevladujočim ionskim značajem kemijske vezi Pri teh keramičnih gradivih imamo dva različna tipa gradnikov kristalne mreže: pozitivno nabite delce – katione in negativno nabite delce – anione. Pri tvorbi ionske vezi izgubijo namreč elektropozitivnejši atomi svoj(e) zunanji(e) elektron(e) in postanejo pozitivno nabiti delci – kationi. Atomi druge vrste, ki so bolj elektronegativni, te elektrone sprejmejo in postanejo negativno nabiti – anioni. Število anionov, ki obdajajo kation v ionski zgradbi, se imenuje koordinacijsko število (KŠ), ki ustreza številu najbližjih sosedov, ki obkrožajo središčni kation.
22. Keramična gradiva
219
Kristalno zgradbo oziroma prostorsko razporeditev ionov v keramičnih snoveh z ionsko oziroma večinsko ionsko vezjo določajo trije glavni kriteriji: •
Zahteva po električni nevtralnosti oziroma kristalna stehiometrija;
•
Razmerje polmerov kationov in anionov – rk/ra;
•
Kovalentni značaj kemijske vezi in nagnjenost k tetraedrski koordinaciji.
Ob dejstvu, da je keramika, tako kot vsi drugi tehnični materiali električno nevtralna, dobimo iz kriterija elektronevtralnosti razmerje kationov in anionov, pri katerem je doseženo električno ravnotežje naboja – električna nevtralnost (kemijska formula snovi). Ta kriterij določa razmerje kationov in anionov, ki pripadajo osnovni celici kristalne zgradbe. Drugi kriterij določa prostorsko razporeditev ionov, oziroma daje tisto koordinacijsko število, pri katerem doseže kristalna zgradba najbolj stabilno stanje (stanje z najmanjšo prosto energijo). To je doseženo, ko med kationi in anioni delujejo največje privlačne in najmanjše odbojne sile. Privlačna sila doseže največjo vrednost pri takšni razporeditvi oziroma KŠ, ko je vsak kation obdan z največjim možnim številom anionov (največ kemijskih vezi kation-anion) ob pogoju, da se niti kationi niti anioni med seboj ne dotikajo (zmanjšanje odbojnih sil). To pomeni, da je pri določeni velikosti kationov in anionov najbolj stabilna tista razporeditev, pri kateri se anioni dotikajo kationa v središču, vendar pa se ne dotikajo med seboj (slika 22.1 a). Kadar se anioni ne dotikajo središčnega kationa (vrzel ali intersticijsko mesto med anioni je večje od polmera kationa), postane zgradba nestabilna, ker lahko centralni kation vibrira v prostoru, ki ga obkrožajo sosednji anioni. Ker se anioni med seboj dotikajo, so odbojne sile zelo močne, privlačne pa šibke.
Slika 22.1:
Stabilna (a), mejno stabilna (b) in nestabilna (c) konfiguracija za ionske snovi
Razporeditev, pri kateri se anioni hkrati dotikajo centralnega kationa in tudi med seboj, daje mejno stabilnost in se uporablja za izračun kritičnega polmera kationov. Te vrednosti so podane v razpredelnici 2.2 v podpoglavju Ionski kristali. Povečevanje kovalentnega značaja v kemijski vezi med gradniki kristalne mreže keramičnega gradiva poveča nagnjenost k tetraedrski koordinaciji – anioni so tetraedrično razporejeni okoli kationa (Podobno kot atomi okoli tetraedrske vrzeli.). Kovalentni značaj kemijske vezi s svojo usmerjenostjo določa tudi intersticijska mesta v anionski podmreži, v katera se vgrajujejo kationi. Številna keramična gradiva imajo podobno kristalno zgradbo tisti, ki jo navadno označujemo po najbolj značilnem predstavniku (npr. CsCl, NaCl…). 22.2.3 Kristalna zgradba značilnih predstavnikov ionske keramike Cezijev klorid – CsCl (slika 22.2). Kemijska vez med klorom in cezijem ima čisti ionski značaj. V zgradbi je enako število ionov Cs1+ in Cl1-. Ker je rk ra = 0,94 , je stabilno koordinacijsko število 8. CsCl
ima zato kubično kristalno zgradbo, v kateri zasedajo oglišča kocke anioni klora, medtem ko je cezijev kation v središču kocke.
- 220 -
Slika 22.2:
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Kristalna zgradba CsCl (KŠ = 8)
Sfalerit (cinkova svetlica): α-ZnS (slika 22.3 a): V kemijski vezi med cinkom in žveplom prevladuje kovalentni značaj (87 %), zato je močno nagnjenje k tetraedrski koordinaciji. Zato je koordinacijsko število enako 4. Osnovni celici pripadajo 4 atomi cinka in 4 atomi žvepla. Osnovna celica ima značilnosti ploskovno centrirane kubične kristalne zgradbe (PCK). Ena vrsta atomov (npr. S) zaseda njena mrežna mesta, druga vrsta atomov (npr. Zn) pa polovico tetraedrskih vrzeli (slika 22.3 a). Kristalno zgradbo ZnS ima veliko polprevodniških materialov: CdS, InAs, InSb, ZnSe ter BeO (rK/rA ≈ 0,25), prav tako pa tudi diamant in SiC. Ker v teh materialih prevladuje kovalentna vez, mrežnih mest ne zasedajo ioni ampak atomi.
Slika 22.3:
Kristalna zgradba a) ZnS in b) Al2O3
Korund - Al2O3 (slika 22.3 b). V tej zgradbi ima sicer kemijska vez pretežno ionski značaj (63 %) , vendar pa je pomemben tudi njen kovalentni značaj (37 %). Kisikovi anioni zasedajo mrežna mesta heksagonalnega gosto zloženega zloga (HGZ), aluminijevi kationi pa se nahajajo v oktaedrskih vrzelih ( rk ra ≅ 0,5). V osnovni celici HGZ je število oktaedrskih vrzeli enako številu atomov: 6. Ker ima
aluminij valenco 3+, kisik pa 2-, mora biti v kristalni mreži razmerje Al3+ in O2- enako 2 : 3, da je kristal električno nevtralen. Posledično zasedajo ioni Al3+ le 2/3 oktaedrskih mest v osnovni celici: 4. 22.2.4 Kristalna zgradba keramike s prevladujočim kovalentnim značajem kemijske vezi Pri keramičnih gradivih s čistim kovalentnim značajem je kristalna zgradba oziroma prostorska razporeditev atomov odvisna od usmerjenosti (prostorske orientacije) kovalentne vezi. Ker so pri večini keramičnih gradiv kemijske vezi med gradniki mešanega značaja, je kristalna zgradba v odvisnosti od deleža kovalentne vezi bolj ali manj odprta. Ionski delež vezi povečuje težnjo po gostem zlogu, torej postaja kristalna zgradba vse bolj gosta – zaprta. Ravno nasproten učinek ima naraščanje deleža kovalentne vezi. Mešan tip kemijske vezi ima veliko oksidov, karbidov in nitridov. Npr. TiC, TiN, Ti(C, N) imajo enak tip vezi kot NaCl (slika 3.16), v kateri so kovinski atomi na mrežnih mestih PCK, atomi C in N pa v vseh oktaedrskih vrzelih, kot je značilno za intersticijske spojine.
22. Keramična gradiva
221
22.3 Lastnosti keramike 22.3.1 Krhkost keramike V splošnem so za keramiko značilni velika trdota in trdnost na eni strani ter krhkost in majhna žilavost na drugi strani (pomanjkanje odpora proti napredovanju razpok). Pri keramiki predstavlja največji problem krhki lom ob zelo majhni sposobnosti absorpcije energije. Pravimo, da je lom krhek, če se material pred razširjanjem razpoke ne deformira plastično.
Tako kristalna kot amorfna keramika se pod vplivom zunanje natezne obremenitve skoraj vedno zlomita brez predhodne plastične deformacije. Dejanska trdnost keramičnih gradiv pri zlomu je bistveno manjša od njene teoretične trdnosti, ki jo določa trdnost medatomskih vezi. Vzrok za to so napake v materialu, ki povzročajo koncentracijo napetosti. Najvplivnejše napake so zunanje in notranje razpoke, notranje pore in stičišča mej kristalnih zrn. Poleg napak v mikrostrukturi je za krhkost keramičnih gradiv odgovoren tudi kovalentni značaj kemijskih vezi med atomi. Ker je kovalentna vez usmerjena - deluje na veznici med določenima atomoma (npr. σ-vez) in ima definirano prostorsko orientacijo. Kadar se ta vez prekine (pretrga), se ne more več obnoviti oziroma se ne more vzpostaviti enaka vez z drugim sosednjim atomom. Čeprav je v splošnem ionska kemijska vez šibkejša od kovalentne, je zaradi svoje neusmerjenosti število kemijskih vezi med atomi večje. Iz tega navadno izvira večja trdnost in temperaturna obstojnost ionske keramike v primerjavi s kovalentno. Večina keramičnih gradiv se obnaša kot idealno krhek material, ki se zlomi že v elastičnem področju pred začetkom plastične deformacije. V tem primeru poteka proces krhkega loma v dveh stopnjah: •
tvorba razpok in
•
napredovanje razpok do zloma (v smeri pravokotno na zunanjo natezno obremenitev).
Pri krhkih materialih sledi začetku napredovanja ali rasti razpoke takojšnja porušitev. Obnašanje takšnih materialov je v svoji energijski teoriji loma opisal Griffith. Nelinearni elasto-plastični materiali se pred zlomom trajno deformirajo, pri čemer nepovratno absorbirajo energijo. Opis obnašanja teh materialov zahteva merjenje dodatnih parametrov, ki vsebujejo elastične in plastične komponente. Razpoke v keramičnih gradivih napredujejo skozi kristalna zrna (transkristalni lom) in to vzdolž določenih prednostnih kristalnih ravnin. Navadno so to ravnine z največjo gostoto atomov. Merilo odpornosti keramičnega gradiva na krhki lom ob prisotnosti razpok je podano z lomno žilavostjo KIC, ki se ugotavlja pri ravninskem deformacijskem stanju. Razpoka začne nestabilno napredovati, ko faktor lomne žilavosti doseže lomno žilavost materiala (glej podpoglavje Mehanika loma v poglavju Mehanski preskusi), ki je pri keramičnih gradivih bistveno manjša kot pri kovinskih. Značilnost keramičnih gradiv je, da njihova trdnost ni enolično določena vrednost. Obstaja določen raztros napetosti, pri kateri se keramično gradivo poruši. Vzrok za to je v dejstvu, da je lomna trdnost odvisna od verjetnosti, da je v keramičnem gradivu navzoča napaka (npr. mikrorazpoka), ki lahko preraste v razpoko kritične velikosti. Verjetnost za navzočnost napake je odvisna od materiala, načina izdelave ter od termomehanske obdelave. Krivulja trdnosti keramičnega gradiva je asimetrična in zanjo ne velja Gaussova porazdelitev. Najpogosteje jo opišemo z Weibullovo porazdelitvijo. Kako ugotavljamo lomno žilavost kovinskih materialov? Katera krivulja sila – odpiranje ustja razpoke je po vašem mnenju najbolj značilna za keramično gradivo?
22.3.2 Diagram σ−ε keramičnih gradiv Pri keramičnih gradivih se natezna in tlačna trdnost močno razlikujeta, saj je tlačna trdnost od 5- do 10-krat večja kot natezna. Vzrok je v dejstvu, da pri tlačni obremenitvi napake v materialu ne povzročajo koncentracij napetosti.
Diagrame σ − ε pri krhkih keramičnih gradivih ne ugotavljamo z nateznim preizkusom, saj zaradi velike razlike v natezni in tlačni trdnosti, rezultati tako nateznega kot tudi tlačnega preizkusa ne pokažejo
- 222 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
prave uporabne trdnosti keramičnega gradiva. Praktičen problem predstavlja tudi izdelava epruvete za natezni preskus. Za ugotovitev odnosa σ − ε izvedemo pri keramiki upogibni preskus, kjer je zgornja polovica preizkušanca obremenjena na tlak, spodnja pa na nateg. V rabi sta tritočkovni in še pogosteje štiritočkovni upogibni preskus. Največja napetost oziroma napetost pri zlomu pri upogibnem preizkusu se imenuje prelomni modul σmr (V angleščini je modulus of rupture, Nemci temu rečejo kar upogibna trdnost!). Za preizkušance 3⋅ F ⋅l pravokotnega prereza velja za izračun prelomnega modula izraz σ m = , za preizkušance 2⋅b⋅d2 F ⋅l . V teh izrazih je F obremenitev, l razdalja med podporama, b okroglega prereza pa izraz σ m = π ⋅ R3 širina, d – višina in R – polmer preskušanca. 22.3.3 Vpliv poroznosti na lastnosti keramike Pore v keramičnih gradivih izvirajo iz tehnologije izdelave, ki poteka preko izdelave prahov, stiskanja prahov pri velikih tlakih ter sintranja. Večina por se odpravi z naknadno toplotno ali termomehansko obdelavo (HIP – vroče izostatsko stiskanje), del pa jih ostane v materialu. Poroznost (P), ki ostane, ima velik vpliv tako na elastičnost kot lomno trdnost keramike. Modul elastičnosti E se zmanjšuje z naraščajočim prostorninskim deležem poroznosti. Modul elastičnosti E(p) pri danem prostorninskem deležu por P izračunamo z enačbo:
E ( p ) = E 0 (1 − 1.9 P + 0,9 P 2 )
(22.1)
kjer je E0 modul elastičnosti materiala brez por. Poroznost vpliva tudi na lomno trdnost, saj pore zmanjšajo nosilni prečni prerez materiala in povzročajo koncentracijo napetosti. Vpliv poroznosti na trdnost keramike je velik, saj se na primer pri 10 % poroznosti zmanjša lomna žilavost za okoli 50 %. Odvisnost lomne trdnosti od prostorninskega deleža poroznosti pri keramičnih gradivih podaja enačba:
σ m = σ 0 ⋅ e ( − n⋅ P )
(22.2)
kjer je n - snovna konstanta, P – poroznost in σ0- trdnost materiala brez poroznosti. Mikrostruktura definira tudi lastnosti keramike. Osnovni odnos med trdnostjo keramičnega gradiva σm in velikostjo zrn d je:
σm = f ⋅d
−
1 2
(22.3)
kjer je f snovni faktor. Iz formule sledi, da naj bodo zrna čim manjša, da bo trdnost čim večja (Podoben je vpliv velikosti kristalnih zrn na napetost tečenja kovinskih materialov.). Mikrostruktura pri keramiki vpliva tudi močno na hitrost lezenja ε :
ε = f ⋅ d − m
(22.4)
kjer je m konstanta, ki je odvisna od mehanizma lezenja in f je snovna konstanta. Lezenje je časovno odvisna deformacija materiala pri povišani temperaturi in obremenitvi, ki je manjša od napetosti tečenja. Mikrostruktura nima močnega vpliva le na mehanske, temveč tudi na električne in magnetne lastnosti. Mikrostruktura ima velik vpliv povsod tam, kjer lahko meje med zrni ter pore vplivajo na premikanje sten magnetnih domen. V zrnih pod določeno velikostjo (mejna vrednost je odvisna od vrste materiala) domene ne morejo nastati. Posledica so trde magnetne lastnosti pri feritih (velika koercitivna sila, velika remanentna magnetizacija, velika dielektrična konstanta). Če pa so zrna dovolj velika, da nastanejo domene, pa meje zrn, pore in vključki ovirajo premikanje – širjenje domenskih sten.
22. Keramična gradiva
223
Meje zrn predstavljajo tudi področja s povečano upornostjo pri elektronski prevodnosti. Pri keramičnih elektrolitih – ionskih prevodnikih, imajo meje med zrni zaradi neurejene zgradbe večjo prevodnost. Torej sledi, da je drobnozrnata keramika boljši ionski prevodnik kot grobozrnata. Gosta keramika brez por s primerno velikostjo zrn je lahko prosojna ali pa celo prozorna. Pogoj je, da ni centrov (vključkov, drugih faz, por, mej med zrni …), ki bi razprševali svetlobo. Primerjajte vpliv zrn na lastnosti kovinskih in keramičnih gradiv!
22.4 Sintranje keramike Sintranje je proces, pri katerem preide porozen keramičen material (oblikovanec) iz drobnodisperznega prašnega stanja z veliko specifično površino pod vplivom toplote v trdno telo z bistveno manjšo specifično površino, ne da bi se material pri tem stalil. Temperatura, pri kateri poteka proces, je nižja od tališča materiala, tako da izdelek ohrani obliko, ki jo je imel pred sintranjem, čeprav se lahko močno skrči. Pri temperaturi sintranja navadno ne smejo potekati kemične reakcije. Oblikovanec iz keramičnega prahu je pred žganjem sestavljen iz posameznih zrn (kristalov), gostota materiala pa je 40–75 % teoretične gostote snovi, odvisno od njene zrnavosti in metode oblikovanja. Cilji, ki jih želimo s sintranjem doseči so: ¾ čim večja končna gostota materiala; ¾ zgostitev pri čim nižji temperaturi; ¾ ustrezna mikrostruktura.
Glede na potek procesa, lahko sintranje razdelimo na: ¾ sintranje v trdnem stanju; ¾ sintranje s tekočo fazo; ¾ sintranje pod tlakom.
Sintranje lahko obravnavamo na makroskopskem ali na mikroskopskem nivoju. Na makroskopskem nivoju predstavlja gonilno silo sintranja zmanjšanje proste energije sistema - ΔG zaradi: zmanjšanja celotnega deleža površin – naraščanje povprečne velikosti delcev; zmanjšanja deleža zunanjih - prostih površin; zmanjšanja števila napak v kristalni zgradbi (prehod neurejene kristalne zgradbe prašnih delcev v bolj urejeno kristalno zgradbo); zmanjšanja notranjih napetosti.
Mehanizem sintranja na makroskopskem nivoju predstavlja torej izginjanje zunanjih prostih površin. Na mikroskopskem nivoju gonilna sila izvira iz razlike v kemijskem potencialu atomov (μ), ki se nahajajo na različno ukrivljenih mejnih površinah. To vodi do transporta atomov v področja z manjšim kemijskim potencialom. Mehanizmi, ki transport atomov omogočajo so: •
difuzija,
•
izparevanje in kondenzacija,
•
viskozno in plastično tečenje.
Prašne delce, ki jih sintramo, si lahko predstavljamo kot toge kroglice, ki se stikajo v točkah. Med njimi se nahajajo pore, katerih mejne površine so proste površine kroglic. V začetku sintranja se prašni delci zlepijo in med njimi se ustvarijo vratovi oziroma grla. Vrat definiramo s polmeroma r in ρ. Pri tem predstavlja polmer r (+) polmer vratu, polmer ρ (-) pa daje ukrivljenost zunanje površine vratu. Napetost, ki se pojavi v področju grla zaradi ukrivljenosti površine, lahko izrazimo z Laplacevo enačbo:
⎛ 1 1⎞ Δσ = γ ⋅ ⎜⎜ − + ⎟⎟ ⎝ ρ x⎠
(22.5)
- 224 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
ker je x > ρ, lahko člen 1/x zanemarimo in enačba dobi obliko:
⎛ γ ⎞ Δσ = ⎜⎜ − ⎟⎟ ⎝ ρ⎠
(22.6)
Med sintranjem vrat raste, kinetiko rasti vrata pa lahko v splošnem opišemo z enačbo: n
F (T ) ⎛ x⎞ ⎜ ⎟ = m ⋅t a ⎝a⎠
(22.7)
kjer je F(T) funkcija temperature, t čas, n in m pa sta eksponenta, značilna za posamezen (pri rasti vratu prevladujoč) mehanizem (Razpredelnica 22.3). Razpredelnica 22.3:
Vrednosti eksponentov n in m m
n
mehanizem
1
2
viskozni (newtonski) tok
2
3
transport skozi parno fazo
3
5
prostorninska difuzija
4
6
difuzija po mejah
4
7
površinska difuzija
Prostornina por med prašnimi delci se med procesom sintranja zmanjšuje. Površinska napetost mejnih površin por skuša te pore stisniti. V atomskem merilu se to zgodi s prenosom snovi iz meje med delci (iz stičnih površin) na mesta notranje površine por (na proste površine kroglic). Na ta način se centra dveh zrn približujeta, pora postaja vse manjša, površina stika med zrni pa se veča. To povzroči skrček materiala. V začetku sintranja je logaritem skrčka premosorazmeren času in proces lahko opišemo s splošno enačbo:
ΔL = K ⋅ tn L0 kjer je K = K1 ⋅ in D = D0 exp (−
(22.8)
γ ⋅Ω⋅ D k ⋅T ⋅ M 3 Q ). RT
V teh enačbah je ΔL/L linearni skrček, γ površinska napetost, Ω atomska prostornina, M velikost delcev ter n eksponent, katerega vrednost je odvisna od prevladujočega mehanizma (1/3–2/3). Pora izgine tako, da povzroči napake v kristalni mreži zrn. Da se pora zapolni z sintrnima komponentama A-B, morajo v področje pore difundirati atomi obeh ionov. Pri tem je celotna hitrost zapolnitve pore odvisna od difuzije počasnejšega iona. Temperatura sintranja je tista temperatura, pri kateri doseže vzorec želeno gostoto (∼95 % teoretične gostote) v razumno kratkem času (nekaj ur). Mikrostruktura, ki nastaja med sintranjem je močno odvisna od rasti kristalnih zrn. Tudi tu predstavlja površinska napetost gonilno silo procesa rasti. Termodinamično ravnotežje v polikristalnih agregatih dosežemo takrat, ko je vzpostavljeno statično ravnotežje med površinskimi napetostmi mej med zrni. Torej ko velja:
γ 23 = γ 12 cosθ 2 + γ 31 cosθ 3
(22.9)
22. Keramična gradiva
225
Če zanemarimo vpliv orientacije velja, da je γ 12 = γ 23 = γ 31 , tako da je θ12 = θ 23 = θ 31 = 1200 . Torej velja, da je ravnotežni kot med mejami zrn enak 120°. Takšen kot med mejami zrn pa se lahko vzpostavi takrat, ko je vsako zrno obdano s šestimi sosedi. Ker imajo zrna veliko robov, je večina mej med zrni ukrivljena. Le zrna, ki imajo šest robov imajo ravne meje. Zrna, ki imajo manj kot šest robov imajo konkavne meje, meje zrn, ki imajo več kot šest robov, pa so konveksne. Zaradi težnje po zmanjšanju površine, se bo meja med zrni gibala proti središču ukrivljenosti zrna. Zrna, ki imajo več kot šest robov bodo zrasla na račun zrn, ki imajo manj kot šest robov. Hitrost gibanja meje zrna je obratno sorazmerna ukrivljenosti meje, zato bo povprečna hitrost rasti zrn obratno sorazmerna polmeru zrn. Torej velja:
dr 1 = dt r
(22.10)
r − r0 = K ⋅ t 1 / 2
(22.11)
oziroma
kjer je r polmer zrn in r0 polmer zrn pri t = 0. Ali poleg keramičnih sintramo tudi katera druga gradiva? Če jih, podajte primere!
22.5
Anorganska stekla
Keramična stekla imajo neurejeno zgradbo – so amorfna. Uporabljajo se kot konstrukcijski material v optiki, ker izotropno prepuščajo vidno svetlobo. Stekla so tudi kemično odporna, zato se uporabljajo za gradnjo raznih aparatov v kemijski industriji in laboratorijskih naprav. Steklo nastane pri normalnem ohlajanju silikatnih talin. Pri ohlajanju viskoznost taline počasi narašča (slika 22.4), medtem ko zgradba silikatov ostane neurejena. Osnovni gradniki silikatnih talin so tetraedri 4(SiO4) , ki so naključno povezani med seboj. Najenostavnejše steklo nastane pri ohlajevanju taline SiO2. To steklo imenujemo kremenovo steklo. Kremenovo steklo je popolnoma prepustno za vidno in ultravijolično svetlobo. Kremenovo steklo je težko izdelati, ker ima tališče 1713 °C. Temperaturni razteznostni koeficient kremenovega stekla je praktično nič. Zato lahko brez težav zdrži hitre temperaturne spremembe, vendar je zelo krhko. Z namenom, da bi znižali visoko tališče SiO2, se dodajajo kremenu alkalni oksidi: Na2O, CaO. Alkalni oksidi razbijejo silikatno mrežo in močno znižajo viskoznost silikatne taline. Po dodatku alkalnih oksidov ne prepušča več ultravijoličnih žarkov, vendar celotni spekter vidne svetlobe. Obarvanje stekla se doseže z dodajanjem majhnih količin določenih ionov. Najmočnejši so Co, Cr, Cu in Mn. Dodatek 0,15 % Co povzroči modro obarvanje stekla. Če vsebuje steklo Fe2+ je steklo zeleno, če pa Fe3+ pa rjavo. Steklo lomi svetlobo. Lomni količnik stekla je zelo velik, če vsebuje ione težki elementov Pb2+ in Bi3+. Takšno steklo se da brusiti. Imenuje se "kristalno" steklo. Žilavost stekla je praktično nična. Ob obremenitvi povzročajo napake v steklu velike koncentracije napetosti in zato se steklo prelomi že pri zelo majhnih obremenitvah. Z zmanjšanjem velikosti steklenih predmetov – npr. premera vlaken – začne natezna trdnost močno naraščati. Pri majhnih premerih vlaken pod 1 μm se trdnostne lastnosti približujejo teoretični trdnosti. Takšna tanka vlakna uporabljamo v kompozitnih gradivih.
- 226 -
Slika 22.4:
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Temperaturna odvisnost viskoznosti stekel. Nad temperaturo žarjenja lahko odpravimo notranje napetosti v steklu. Nad temperaturo mehčanja je steklo mogoče oblikovati.
Poiščite podobnosti in razlike med kristalno keramiko in keramičnimi stekli!
Povzetek Keramika je kot anorgansko in nekovinsko gradivo, ki se tvori pod vplivom toplote fiba ali toplote in tlaka. Večino keramičnih gradiv sestavljajo atomi kovinskih in nekovinskih elementov, med katerimi delujejo ionske kemijske vezi, ali pa mešane vezi s prevladujočim ionskim in manjšinskim kovalentnim značajem (le pri nekaterih keramičnih gradivih delujejo med atomi čiste kovalentne vezi: npr. diamant). V splošnem so za keramiko značilni velika trdota in trdnost na eni strani ter krhkost in majhna žilavost na drugi strani (pomanjkanje odpora proti napredovanju razpok). Pri keramiki predstavlja največji problem krhki lom ob zelo majhni sposobnosti absorpcije energije. Sintranje je proces, pri katerem preide porozen keramičen material (oblikovanec) iz drobnodisperznega prašnega stanja z veliko specifično površino pod vplivom toplote v trdno telo z bistveno manjšo specifično površino, ne da bi se material pri tem stalil. Temperatura, pri kateri poteka proces, je nižja od tališča materiala, tako da izdelek ohrani obliko, ki jo je imel pred sintranjem, čeprav se lahko močno skrči. Pri temperaturi sintranja navadno ne smejo potekati kemične reakcije. Keramična stekla imajo neurejeno zgradbo – so amorfna. Uporabljajo se kot konstrukcijski material v optiki, ker izotropno prepuščajo vidno svetlobo. Stekla so tudi kemično odporna, zato se uporabljajo za gradnjo raznih aparatov v kemijski industriji in laboratorijskih naprav.
22.6 Razmisli, odgovori, reši 22.1 22.2 22.3 22.4
Kako definiramo keramično gradivo? Kako lahko delimo keramična gradiva? V čem se razlikujejo štiri glavne skupine keramičnih gradiv? Kako vpliva razlika v elektronegativnosti med komponentama na kristalno zgradbo in lastnosti keramičnih gradiv? 22.5 Zakaj je formula aluminijevega oksida Al2O3? 22.6 Kaj je osnovna značilnost keramičnih gradiv? 22.7 S katerimi preskusi največkrat ugotavljamo trdnost keramike? Zakaj? 22.8 Kako vplivata poroznost in mikrostruktura na lastnosti keramičnih gradiv? 22.9 Kaj je značilno za sintranje keramike? Podobnosti in razlike s sintranjem kovinskih gradiv! 22.10 Kako vplivajo kristalna zrna na lastnosti keramičnih gradiv? 22.11 V čem se razlikujejo lastnosti keramičnih stekel od lastnosti kristalne keramike? Od kod izvirajo razlike? 22.12 V vsakdanjem življenju poišči predmete iz kristalne keramike in keramičnih stekel. Ugotovi, iz katerih snovi so sestavljene, kakšna je njihova zgradba ter kakšne so njihove lastnosti.
22. Keramična gradiva
227
22.7 Dodatna literatura k temu poglavju 22.1 22.2 22.3 22.4 22.5 22.6
Glavič, Peter: Gradiva, Maribor : Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, 2001 Kovač, Miran: Gradiva, Zapiski predavanj. Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 2001 Krautov strojniški priročnik. – 13. slovenska izd.., izdajo pripravila Jože Puhar, Jože Stropnik, Ljubljana: Littera picta, 2002 Anžel, Ivan; Zupanič, Franc: Nekovinska gradiva, Fakulteta za strojništvo Maribor, 2007 Paulin, Andrej: Mala slovenska enciklopedija metalurgije in materialov, Rudarsko-metalurški zbornik, Letnik 44, št. 1-2, Ljubljana julij 1997 Kolar, Drago: Tehnična keramika I. in II. del, Zavod Republike Slovenije za šolstvo in šport, Ljubljana 1993.
23 Polimerna gradiva Kaj bomo izvedeli? Kaj so polimeri? Kako jih delimo glede na povezanost polimernih verig? Kako polimerne verige nastanejo in kako so zgrajene? Kakšne so mehanske lastnosti polimerov in od česa zavisijo?
Equation Section (Next)
23.1 Uvod Polimerna gradiva so organske snovi zgrajene iz velikih molekul - makromolekul z molekulsko maso od 104 do več kot 106 g/mol. Te vrste naravnih materialov je človek uporabljal že v starih časih v obliki tekstila, lesa in usnja. Danes je že večina polimernih gradiv, ki jih uporablja človek sintetično pridobljenih. Med najpomembnejše prištevamo plastomere in duromere, ki jih pogosto imenujemo tudi plastika, in elastomere, ki jim navadno pravimo guma (slika 23.1).
Slika 23.1:
Shematičen prikaz razporeditve polimernih verig v posamezni vrsti materiala.
Plastomeri (tudi termoplasti) so sestavljeni iz dolgih linearnih ali rahlo razvejanih polimernih verig, ki so prostorsko vezane s šibkimi kemijskimi vezmi – sekundarnimi vezmi . Nastanejo z združevanjem manjših molekul - monomerov. Če jih segrejemo na višje temperature, se zmehčajo in postanejo plastični, tako da jih lahko preoblikujemo, oblikujemo. Pri ohlajanju zadržijo novo obliko. Vsi ti procesi so reverzibilni, to pomeni, da lahko plastomere recikliramo. Problem se pojavi le pri plastomernih zlitinah, ki so heterogene in jih je zato težko reciklirati. V primeru urejene linearne zgradbe lahko polimerne verige plastomerov tvorijo gosto zloženo kristalno zgradbo. Zaradi relativno dolgih verig, ki pri polimerizaciji na posameznih mestih ustvarijo pentlje, se urejena zgradba ne more tvoriti po celotni dolžini polimerne verige – govorimo o delno kristalnih plastomerih. Duromeri (tudi duroplasti) so sestavljeni iz polimernih verig, ki so med seboj povezane z močnimi, kovalentnimi vezmi in tvorijo tridimenzijsko mrežasto zgradbo. Pojav, pri katerem se tvorijo primarne kemijske vezi med makromolekulami, imenujemo zamreženje. Obseg oziroma trdnost zamreženja določa lastnosti teh materialov. Z naraščanjem stopnje zamreženosti imajo duromeri večjo trdnost, material postaja bolj trd in krhek in ga ni mogoče več staliti. Pri segrevanju prej razpade zamrežena tridimenzijska zgradba v atome oziroma v maloatomne molekule. Duromerov ne moremo preoblikovati, variti in reciklirati. Elastomeri so iz šibko zamreženih polimernih verig. Stopnja zamreženosti je manjša kot pri duromerih. Med vozlišči so odseki polimerne verige močno zaviti. Pri delovanju zunanje sile se verige odvijajo in raztezajo, po razbremenitvi pa se ponovno zvijejo. Zato se lahko elastomeri močno elastično - 228 -
23. Polimerna gradiva
229
deformirajo, ne da bi pri tem trajno spremenili svoje začetne oblike. V neobremenjenem stanju so makromolekulske verige močno zavite, ker je takšno stanje energijsko najugodnejše. Ugotovite razliko med zgradbo polimernih gradiv ter kovinskih in keramičnih gradiv!
23.2 Nastanek polimernih verig Povezovanje maloatomnih molekul v polimerne verige je možno le takrat, ko so molekule nenasičene, ali ko vsebujejo reakcijsko sposobne funkcionalne skupine. Takšne reaktivne molekule (monomeri) predstavljajo osnovne gradnike polimera oziroma njegovo ponavljajočo se enoto. Od kemijske sestave je odvisen tudi način povezovanja monomerov v polimerne verige oziroma potek kemijskih reakcij. Glede na to ločimo: polimerizacijo, polikondenzacijo in poliadicijo. Treba pa je omeniti, da lastnosti polimernih materialov niso toliko odvisne od načina povezovanja monomerov, ampak predvsem od končne oblike polimerne verige, ki se tvori. S pojmom polimerizacija označujemo kemijsko reakcijo povezovanja enakih monomerov, ki vsebujejo dvojne vezi. V primeru takšnih nenasičenih molekul se pri ustreznih razmerah (toplota, tlak, katalizator) dvojna vez med ogljikovima atomoma razklene (razbije) in nadomesti jo enojna kovalentna vez. Konci monomerov postanejo na ta način prosti radikali, kar pomeni, da ima vsak atom ogljika neparni elektron (delno zasedeno orbitalo), s pomočjo katerega lahko tvori vez s prostimi radikali drugih monomerov. S povezovanjem monomerov se tvori veriga in reakcijo imenujemo verižna polimerizacija (slika 23.2).
Slika 23.2:
Verižna reakcija za nastanek polietilena (PE) iz molekul etilena.
Poleg verižne polimerizacije enakih monomerov, kjer dobimo t. i. homopolimerizate, poznamo še postopke polimerizacije dveh ali več različnih monomerov (kopolimerizati), pa tudi postopke mehanskega mešanja različnih polimerov (polimerne mešanice; angl. polyblends). Medtem ko so lastnosti polimernih materialov zgrajenih iz homopolimerizatov večinoma določene s kemijsko zgradbo monomera in s tem povezano obliko polimernih verig, lahko lastnosti kopolimerizatov spreminjamo z vrsto in količino dodanih monomerov oziroma z vrsto in količino polimerov v primeru polimernih mešanic. Polimerne verige lahko nastajajo tudi s polikondenzacijo ali s t. i. stopenjsko polimerizacijo. Pri tej reakciji morata sodelovati dve različni vrsti monomerov, proces pa teče stopenjsko tako dolgo, dokler se ne doseže kemijsko ravnotežje med reaktanti in reakcijskimi produkti. Združevanje monomerov je pri polikondenzaciji povezano z odcepljanjem stranskega produkta, ki je pogosto voda. Zgradbe verig, ki nastanejo na ta način, so podobne tistim pri verižni polimerizaciji, ko je funkcionalna skupina na koncih monomerov, kadar pa vsebuje monomer več funkcionalnih skupin, pa nastanejo prostorsko zamreženi polimeri - duromeri. Stopenjski potek reakcije omogoča tudi izdelavo le delno kondenziranih tekočih vmesnih produktov (surovine za lak, lepila). Tipični polikondenzati so: poliestri, poliamidi, formaldehidne smole (novolak). Na sliki 23.3 je prikazan primer tvorbe poliestra, ki se tvori pri
- 230 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
polimerizaciji dimetil tereftalata in etilenglikola. Skupina -OCH3 in vodikov atom se odcepita od monomerov in jima omogočita, da se spojita. Nastaja maloatomni stranski produkt metilni alkohol (CH3OH).
Slika 23.3:
Kondenzacijska reakcija za polietilen tereftalat (PET) – zelo pogost poliester.
Kadar pri polimerizaciji sodelujeta dve različni vrsti monomerov in se pri tem ne odcepi stranski produkt, govorimo o poliadiciji. Združevanje monomerov je v tem primeru povezano s prehajanjem vodikovega atoma iz funkcionalne skupine enega monomera na drugi monomer. Vodikov atom, ki se relativno lahko odcepi od funkcionalnih skupin OH-, NH2-, ali pa COOH-, ustvari na koncu monomera prosti radikal (valenčni elektron), s pomočjo katerega se lahko monomer povezuje z drugimi monomeri v polimerno verigo. Tudi pri poliadiciji teče proces stopenjsko, ker pa pri tem ne nastanejo stranski produkti, proces ni povezan z doseganjem kemijskega ravnotežja med reaktanti in reakcijskimi produkti, kot je to primer pri polikondenzaciji. Reakcija se zaključi takoj, ko se porabi ena vrsta monomerov. Nastale polimerne verige so linearne, če vsebujejo monomeri le funkcionalne skupine na svojih koncih, oziroma so prostorsko zamrežene, ko se nahajajo funkcionalne skupine še v notranjosti molekule. Povprečna dolžina linearne polimerne verige je odvisna od stopnje polimerizacije oziroma od števila ponavljajočih se enot (monomerov) v verigi. Stopnjo polimerizacije Np (število monomerov v polimerni verigi) definiramo kot: NP =
MP Mm
(23.1)
kjer je MP molska masa polimera in Mm molska masa ponavljajoče se enote. Če polimer vsebuje samo en tip monomerov, je molska masa ponavljajoče se enote (monomera) kar molska masa monomera. Če pa je polimer iz več monomerov, je molska masa ponavljajoče se enote vsota molekulskih mas monomerov, od katere odštejemo molsko maso stranskih produktov. Posamezne verige imajo v polimernih gradivih različne dolžine oziroma različno molsko maso zaradi različne stopnje polimerizacije. Nekatere so kratke zaradi zgodnjega zaključka (terminacije), druge so spet zaradi ugodnejših razmer za rast zelo dolge. Pri polimernih gradivih lahko zato navajamo samo njihove povprečne vrednosti, ki so pomembne za poznavanje mehanskih lastnosti polimernega gradiva. Čim večja je dolžina polimernih verig, tem večje so trdnost, togost in temperaturna obstojnost materiala. Primerjajte različne načine nastajanja polimernih verig!
23.3 Zgradba polimernih gradiv V polimernih gradivih delujeta dve vrsti kemijskih vezi. Intramolekulske vezi, ki delujejo med atomi znotraj makromolekul, ter intermolekulske vezi, ki povezujejo makromolekule. Pri duromerih in elastomerih so prisotne le primarne kovalentne vezi, pri plastomerih pa delujejo med atomi v molekulah
23. Polimerna gradiva
231
primarne kovalentne vezi, med makromolekulami pa sekundarne vezi, kot sta van der Waalsova in vodikova vez. Primarne kemijske vezi imajo veliko energijo, ki je znatno večja od energije toplotnega gibanja. Zato se makromolekule nepovratno (ireverzibilno) spremenijo šele pri višjih temperaturah. Trdnost primarnih vezi določajo vrsta atomov v kemijski vezi, vrsta vezi (enojna, dvojna ali trojna), valenčni koti (prostorska orientacija), dolžina kemijske vezi in koordinacijsko število. Intermolekulske vezi so elektrostatske narave ter povezujejo posamezne makromolekule v polimernem gradivu. Energija teh vezi je majhna (od enega do dveh redov velikosti manjša kot pri primarnih) in je manjša od energije toplotnega gibanja pri navadnih temperaturah, zato jih lahko pri povišanih temperaturah (60-200 °C) zelo hitro prekinemo. Vsi polimeri imajo kompleksno tridimenzijsko zgradbo, ki jo je težko slikovno predstaviti. Slika 23.4 kaže tri načine, na katere lahko predstavimo odsek polietilena. Polimerne verige so sestavljene iz skeleta (ogrodja) ogljikovih atomov, na katerem sta na vsakem ogljikovem atomu po dva vodikova atoma. Veriga se zavito vije skozi prostor. Preprost dvodimenzijski model na sliki 23.4 c vključuje osnovne elemente polimerne zgradbe in se uporablja za opis raznih polimerov. Enojna črta (-) med ogljikovima atomoma in med atomom ogljika in vodika predstavlja enojno kovalentno vez , dve črti (=) pa dvojno kovalentno vez med atomoma. Nekateri polimeri imajo v verigi tudi obroče, kot je npr. benzenski obroč v stirenskih in fenolnih molekulah. Ti aromatski obroči so sestavljeni iz šestih ogljikovih atomov, ki so povezani z izmeničnimi enojnimi in dvojnimi kovalentnimi vezmi. Za krajšo označbo take zgradbe uporabljamo šestkotnik s krogom v notranjosti.
Slika 23.4:
Trije načini ponazoritve zgradbe polietilena (a) polni tridimenzionalni model, (b) tridimenzionalni – prostorski model in (c) preprost dvodimenzionalni model.
Polimerne verige se lahko zaradi tetraedrske narave kovalentne vezi ogljika zvijajo in obračajo. Potreben kot med kemijskimi vezmi v ogljikovi verigi je namreč pri novem ogljikovem atomu, ki se veže na verigo dosežen pri poljubnem položaju na obodu stožca, ki ga opisuje kovalentna vez. Posledično obstajata dva možna osnovna načina rasti verige: ravna (slika 23.5 b) in zavita (slika 23.5 c). Prepletenost polimernih verig je pomembna lastnost, ki zagotavlja polimerom njihovo natezno trdnost.
- 232 -
Slika 23.5:
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Lege tretjega ogljikovega atom v verigi (a); Ravna (b) in zavita (c) rast verige.
Podobno kot pri kovinskih materialih, kjer so lastnosti v veliki meri določene z realno mikrostrukturo, so lastnosti polimernega gradiva močno odvisne od: ¾ kemijske sestave, oblike in dolžine polimernih verig; ¾ medsebojne lege in prostorske razporeditve verig; ¾ lege in porazdelitve substituentov vzdolž verig; ¾ narave organskih ostankov zaradi zamreženja (členi povezovalnih mostičkov). Strukturne značilnosti polimernih verig opišemo s konstitucijo, konfiguracijo in konformacijo polimerov. Konstitucija (sestava, razporeditev) nam daje podatke o kemijski sestavi, razporeditvi in povezavi atomov in atomskih skupin v makromolekulah. Določa zaporedje monomerov, vrsto in dolžino vej, molske mase in njihovo porazdelitev. Konfiguracija (oblika) nam pri dani konstituciji opisuje medsebojno lego posameznih atomskih skupin ter njihovo razporeditev vzdolž makromolekulskih verig. Konformacija (prilagajanje) pa nam pri dani konstituciji in konfiguraciji opisuje prostorsko orientacijo določenih atomskih skupin v makromolekulski verigi.
Slika 23.6:
Hierarhična zgradba delno kristalnega polietilena s sferolitno nadstrukturo.
Kristaliničnost polimerov zahteva urejenost v vseh treh prostorskih smereh. Zato morajo imeti kristalna področja v polimerih pravilno konstitucijo, konfiguracijo in konformacijo. Verige morajo biti ravne in med seboj vzporedne, imeti morajo enako zaporedje substituentov (makromolekule ne smejo imeti ataktične konfiguracije) ter enako prostorsko orientacijo atomskih skupin. Pri tako urejeni razporeditvi makromolekulskih verig lahko definiramo osnovno celico kristala, za katero pa veljajo enake značilnosti, kot smo jih spoznali v poglavju Razporeditev atomov v trdnih snoveh. Od polimerov so sposobni tvoriti kristalna območja le plastomeri. Kristalna območja so pogosto zložena lamelno. Dolžina
23. Polimerna gradiva
233
posamezne lamele je 50–100-kratnik velikosti osnovne celice kristala. Med kristalizacijo se lamele razporejajo različno, odvisno od temperature in tlaka. Tako nastanejo nadstrukture z velikostjo do 1 mm. Na sliki 23.6 je prikazana sferolitna razporeditev lamel.
23.4 Mehanske lastnosti polimernih gradiv Mehanske lastnosti polimernih gradiv opisujemo z enakimi parametri kot pri kovinah ali keramiki (modul elastičnosti E, natezna trdnost Rm, preoblikovalnost, žilavost...). Posebnost pri teh materialih je, da so vrednosti mehanskih lastnosti zelo odvisne od temperature, hitrosti deformacije in okolice (atmosfere, organskih topil,...). S primerjalno analizo lahko ugotovimo, da so vrednosti mehanskih lastnosti polimernih gradiv za en do dva reda velikosti (od 10- do 100-krat) manjše kot pri kovinskih in keramičnih gradivih. Po mehanskih lastnostih lahko razdelimo polimerna gradiva v tri glavne skupine in za vsako je značilna tipična krivulja σ – ε (slika 23.7). 1. Skupina (krivulja A na sliki 23.7 a): Krhki polimeri, za katere je značilen zelo velik modul elastičnosti, zlomijo pa se že v elastičnem področju. Raztezki v elastičnem področju dosežejo le nekaj odstotkov. 2. Skupina (krivulja B na sliki 23.7 b): Plastični polimeri, ki imajo krivuljo σ−ε podobno, kot jo imajo kovine; začetek deformacije je elastičen, nato nastopi izrazita napetost tečenja, ki se zaključi s porušitvijo. Pri polimerih je faktor utrjevanja v plastičnem področju majhen. Do porušitve pride, ko napetost preseže kohezijsko trdnost. 3. Skupina (krivulja C na sliki 23.7 c): Viskoelastični polimeri, glavna lastnost je gumielastičnost*, ki jo dosežemo pri relativno majhnih napetostih. Ko je elastična napetost dovolj velika, se pretrgajo brez plastične deformacije. Elastični raztezek lahko doseže tudi 1000 %. Mehanske lastnosti polimernih gradiv so močno odvisne od temperature že pri običajnih temperaturah okolice (~20°C). Z višanjem temperature se modul elastičnosti in natezna trdnost močno zmanjšata, močno se spremenita tudi plastičnost in duktilnost (slika 23.7 b). Deformacijska hitrost ima prav nasproten vpliv na mehanske lastnosti kot temperatura. Z večjo hitrostjo obremenjevanja namreč naraščata modul elastičnosti in natezna trdnost, plastičnost in duktilnost pa se zmanjšata. Na zunanjo silo se duromeri in elastomeri odzovejo kot elastično, plastomeri pa kot elastično, plastično ali viskoelastično telo. Pri viskoelastičnem obnašanju polimernih gradiv deformacija ni odvisna le od zunanje obremenitve, ampak tudi od časa trajanja te obremenitve (podobno kot pri lezenju kovin). Kako se bo plastomer odzval na delovanje zunanje sile, je odvisno od mnogih vplivnih dejavnikov (kemijska sestava, zgradba polimera, temperatura, hitrost deformacije, …). Elastično deformacijo v polimernih gradivih povzročata dva mehanizma. Delujoča napetost povzroči, da se najprej ravnajo makromolekulske verige. Te spremembe so povezane z zmanjšanjem entropije in niso linearno odvisne od napetosti – entropijska elastičnost (elastomeri – gume). V materialu z zravnanimi (raztegnjenimi) verigami poteka nadaljnja elastična deformacija z raztezanjem kovalentne vezi. Pri tem gre za reverzibilne spremembe medatomskih razdalj in valenčnih kotov kovalentnih vezi energijska elastičnost. Ko napetost odstranimo, se energijska elastičnost takoj sprosti (relaksira). To je podobno kot pri kovinah in keramiki, ki se prav tako elastično deformirajo zaradi raztegovanja kovinskih, ionskih ali kovalentnih vezi. Relaksacija entropijske elastičnosti pa je časovno odvisen proces, saj se verige po razbremenitvi povrnejo v začetni položaj šele čez nekaj časa (lahko nekaj ur ali mesecev). To časovno odvisno ali viskoelastično obnašanje prispeva k nelinearnemu elastičnemu obnašanju. Entropijska elastičnost je za red do dva večja od energijske.
* Gumielastičnost pomeni, da se neka snov v področju elastičnosti obnaša kot gumi. Gumi je elastična snov, dobljena z vulkanizacijo kavčuka.
- 234 -
Slika 23.7:
GRADIVA – Visokošolski učbenik
a) Krivulja σ – ε treh glavnih skupin polimernih gradiv (A – krhki polimeri, B – plastični polimer, C – viskoelastični polimeri). b) Temperaturna odvisnost za skupino B.
Polimeri, katerih diagram σ−ε je podoben krivuljama A in B, imajo le energijsko elastičnost (običajno niso zamreženi, nimajo zavitih makromolekul). To so običajno polimeri z linearnimi makromolekulskimi verigami, ki so slabo razvejene in niso zvite. Polimeri, ki imajo krivuljo C, pa imajo energijsko in entropijsko elastičnost (elastomeri).
Slika 23.8:
Krivulja σ−ε za 6,6 najlon (poliamid), tipičen plastomerni polimer. V začetku plastične deformacije so verige v amorfnem delu močno prepletene. Ko je napetost dovolj velika, se začno razpletati in raztezati (izravnavanje). Na preizkušancu nastane vrat, ki omogoča zaradi zmanjšanega premera drsenje verig že ob manjših napetostih (zmanjšanje napetosti po doseženi napetosti tečenja). Potem, ko postanejo verige skoraj vzporedne, se močno približajo druga drugi in uredijo - kristalizirajo. Zato se znova pojavijo močnejše van der Waalsove vezi in za nadaljnjo deformacijo – vse do loma – potrebujemo vedno večjo napetost: deformacijsko utrjanje.
Plastična deformacija je prisotna predvsem pri delno kristalnih plastomerih, ko napetost preseže napetost tečenja. Pri teh materialih so med kristalnimi lamelami in sferoliti majhna (vezna) območja amorfne faze. Polimerne verige iz kristalnega področje se nadaljujejo v amorfno in naprej v naslednje kristalno področje. Trajno deformacijo teh materialov ne povzroča gibanje dislokacij, ampak se gibljejo verige, ki se raztegnejo, rotirajo, drsijo in razpletajo, ter tako povzročijo trajno deformacijo. Za krivulje v plastičnem področju je značilno zmanjšanje napetosti, potem ko dosežemo napetost tečenja, in majhna stopnja utrjanja med plastično deformacijo (slika 23.8). Plastična deformacija pri delno kristalnih
23. Polimerna gradiva
235
plastomerih poteka s pomočjo dveh osnovnih mehanizmov: (1) z razpletanjem zvitih makromolekulskih verig (razpenjanje verig) in (2) z medsebojnim drsenjem makromolekulskih verig (slika 23.9). Trdnostne lastnosti lahko pri delno kristalnih polimerih izboljšamo s povečanjem prostorninskega deleža kristalnih področij, s povečanjem stopnje zamreženosti, z večjo molsko maso in s predhodno plastično deformacijo. Plastomeri se pod temperaturo steklastega prehoda Tg (stekliščem) elastično obnašajo, nad temperaturo tališča Tt se obnašajo kot viskozna talina, v vmesnem območju med Tg in Tt pa izkazujejo viskoelastično obnašanje. V tem območju vplivajo na velikost deformacije poleg obremenitve še trajanje obremenitve in viskoznost materiala, slednja pa je odvisna od temperature. Pri viskoelastičnem obnašanju povzroči napetost drsenje verig in plastično deformacijo, ki je odvisna od časa in hitrosti deformacije. Če obremenjujemo plastomer počasi z majhno napetostjo (majhna hitrost deformacije), verige drsijo ena mimo druge. Toda če ga obremenimo sunkovito z veliko napetostjo (velika hitrost deformacije), drsenje ni mogoče in material se krhko poruši. Primerjajte krivulje σ - ε polimernih gradiv s krivuljami σ - ε kovinskih in keramičnih gradiv.
Slika 23.9:
Prikaz poteka plastične deformacije v delno kristalnem plastomeru. a) Začetno stanje. b) V začetku natezne obremenitve se razpenjajo zvite makromolekulske verig v amorfnem področju, c) Kristalna področja z lamelami se poravnajo v smeri natezne obremenitve. d) Drsenje kristalnih segmentov relativno enega glede na drugega in lamele se razlomijo v manjše enote, dokler ni material sestavljen iz majhnih kristalnih segmentov, povezanih z vezalnimi verigami in usmerjenih v smeri delovanja zunanje natezne obremenitve. Kristalna področja tako spremenijo obliko in postanejo raztegnjena v smeri napetosti. Z naraščajočo napetostjo se vezalne verige razpletejo, ter pretrgajo. e) Polimer se poruši.
23.5 Oblikovanje polimernih gradiv Do danes so se na področju oblikovanja polimernih gradiv razvili številni postopki, katerih uporaba je v veliki meri odvisna od narave in lastnosti polimernega gradiva še posebej pa od tega, ali je material plastomer ali duromer. Največ tehnik se uporablja za (pre)oblikovanje plastomerov. Te segrejemo na temperaturo tik pod ali nad temperaturo tališča tako, da postanejo gumijasti ali tekoči. V tem stanju jih lahko preoblikujemo oziroma oblikujemo in ohladimo v novo obliko. Plastomerne elastomere oblikujemo na enak način. Pri teh postopkih praktično ni odpadnega materiala, ker lahko te polimere pretalimo in torej recikliramo.
- 236 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Manj (pre)oblikovalnih tehnik je na voljo za preoblikovanje duromerov, ker jim po zamreženju več ne moremo spreminjati oblike (tudi s ponovnim segrevanjem nad temperaturo tališča ne). Prav tako ni mogoče spreminjati oblike elastomerom po vulkanizaciji. V teh primerih pa odpadnega materiala ne moremo reciklirati. V splošnem lahko danes najpogosteje uporabljene postopke predelave in oblikovanja polimernih gradiv razdelimo v več osnovnih skupin: (i) nizkotlačne postopke predelave, (ii) tlačne postopke predelave, (iii) ekstrudiranje, (iv) kalandriranje in (v) preoblikovanje. Poiščite podobnosti in razlike med oblikovanjem kovinskih in polimernih gradiv!
23.6 Dodatna literatura k temu poglavju Povzetek Polimerna gradiva so organske snovi zgrajene iz velikih molekul - makromolekul z molekulsko maso od 104 do več kot 106 g/mol. Delimo jih v tri glavne skupine: plastomere (termoplaste), duromere in elastomere (gume). Plastomeri (termoplasti) so sestavljeni iz dolgih linearnih ali rahlo razvejanih polimernih verig, ki so prostorsko vezane s šibkimi kemijskimi vezmi – sekundarnimi vezmi. Nastanejo z združevanjem manjših molekul - monomerov. Če jih segrejemo na višje temperature, se zmehčajo in postanejo plastični, tako da jih lahko preoblikujemo. Duromeri so sestavljeni iz polimernih verig, ki so med seboj povezane z močnimi, kovalentnimi vezmi in tvorijo tridimenzijsko mrežasto zgradbo. Pojav, pri katerem se tvorijo primarne kemijske vezi med makromolekulami, imenujemo zamreženje. Obseg oziroma trdnost zamreženja določa lastnosti teh materialov. Z naraščanjem stopnje zamreženosti postajojo duromeri trdnejši, trši in bolj krhki, zato jih ni mogoče več staliti. Pri segrevanju prej razpade zamrežena tridimenzionalna zgradba v atome oziroma v maloatomne molekule. Duromerov ne moremo preoblikovati, variti in reciklirati. Elastomeri so iz šibko zamreženih polimernih verig. Stopnja zamreženosti je manjša kot pri duromerih. Med vozlišči so odseki polimerne verige močno zaviti. Pri delovanju zunanje sile se verige odvijajo in raztezajo, po razbremenitvi pa se ponovno zvijejo. Elastomeri se lahko močno elastično deformirajo, ne da bi pri tem trajno spremenili svojo začetno obliko.
23.7 Razmisli, odgovori, reši 23.1 23.2 23.3 23.4 23.5 23.6
Kateri je kriterij za delitev polimernih gradiv? Kako delimo polimerna gradiva? Kaj je razlog, da se lastnosti polimernih gradiv močno razlikujejo med seboj? Kako so lastnosti polimerov odvisne od stopnje polimerizacije? V čem je razlika med intermolekulskimi in intramolekulskimi vezmi? Neko polimerno gradivo lahko močno elastično deformiramo. V katero skupino polimerov spada, kakšna bi lahko bila njegova zgradba in kakšen bi bil natezni diagram ter druge lastnosti? 23.7 Na kakšen način lahko izdelamo polimerna gradiva? 23.8 Ali so lahko polimerna gradiva tudi kristalna? 23.9 Neko polimerno gradivo lahko močno elastično deformiramo. V katero skupino polimerov spada, kakšna bi lahko bila njegova zgradba in kakšen bi bil natezni diagram ter druge lastnosti? 23.10 Neko polimerno gradivo se pri obremenitvi plastično deformira. V katero skupino polimerov spada, kakšna bi lahko bila njegova zgradba in kakšen bi bil njegov natezni diagram ter druge lastnosti? 23.11 Neko polimerno gradivo se po majhni elastični deformaciji krhko poruši. V katero skupino polimerov spada, kakšna bi lahko bila njegova zgradba in kakšen bi bil natezni diagram ter druge lastnosti? 23.12 V vsakdanjem življenju poišči predmete iz polimerov. Ugotovi, iz katerih snovi so sestavljene, kakšna je njihova zgradba ter kakšne so njihove lastnosti.
23. Polimerna gradiva
237
23.8 Dodatna literatura k temu poglavju 23.1 23.2 23.3 23.4 23.5 23.6
Glavič, Peter: Gradiva, Maribor : Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, 2001 Kovač, Miran: Gradiva, Zapiski predavanj. Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 2001 Krautov strojniški priročnik. – 13. slovenska izd.., izdajo pripravila Jože Puhar, Jože Stropnik, Ljubljana: Littera picta, 2002 Anžel, Ivan; Zupanič, Franc: Nekovinska gradiva, Fakulteta za strojništvo Maribor, 2007 Paulin, Andrej: Mala slovenska enciklopedija metalurgije in materialov, Rudarsko-metalurški zbornik, Letnik 44, št. 1-2, Ljubljana julij 1997 Navodnik, Janez; Kopčič, Mateja: Plastik – orodjar, Velenje: Navodnik – kemijski inženiring, 1995
24 Kompozitna gradiva Kaj bomo izvedeli? Kaj je kompozit? Kakšna je vloga osnove v kompozitu? Kakšna je naloga utrjevalne faze? Kakšen je pomen fazne meje utrjevalna faza/osnova? Kakšne so mehanske lastnosti kompozita?
Equation Section (Next)
24.1 Uvod Definicij za to, kaj je kompozitno gradivo, je več. V splošnem velja, da je kompozit sodobni material, sestavljen iz dveh ali več različnih materialov na makroskopskem nivoju. Makroskopski nivo pomeni, da lahko sestavine ločimo s prostim očesom. Kompozitno gradivo sestavljata osnova (matica) in utrjevalna faza (tudi okrepilni element). Sestavini kompozita se razlikujeta po mehanskih, fizikalnih in kemijskih lastnostih. Posebnost kompozitnih gradiv je tudi v tem, da lahko običajno njihove lastnosti načrtujemo vnaprej. Dosežene lastnosti so odvisne predvsem od izbire oziroma lastnosti osnove in utrjevalne faze, oblike, porazdelitve in orientacije utrjevalne faze, od interakcij med komponentami na mejni površini ter od prostorninskega deleža sestavin. Kompozitne materiale uporabljamo na vsakdanjih področjih, kot so avtomobilska industrija, transport in športni rekviziti, zelo pomembni pa so tudi v vesoljski tehniki, vojaški industriji ter povsod tam, kjer se zahtevajo materiali s specifično kombinacijo lastnosti. Največkrat se uporabljajo kot konstrukcijski materiali, pri katerih je osnova oziroma vezivo kovina, keramika ali polimer, utrjevalna faza pa so materiali, ki imajo velik modul elastičnosti in veliko trdnost. Če gledamo z mikroskopskega stališča, bi lahko na osnovi definicije zgradbe kompozitnih gradiv prištevali med kompozite tudi nekatere kovinske in polimerne zlitine, ki so sestavljene iz dveh ali več delov z različnimi lastnostmi (npr. perlit v ogljikovem jeklu). Da lahko nek material uvrstimo med kompozite, mora izpolnjevati naslednje kriterije: •
ni naravna tvorba,
•
sestavljen je iz več sestavin, ki so med seboj jasno razmejene,
•
njegove lastnosti se razlikujejo od lastnosti sestavnih delov,
•
ena sestavina mora biti zvezna (osnova), druga sestavina pa prekinjena in razdeljena (utrjevalna faza ali armatura).
Čeprav iz omenjenih definicij sledi, da so kompozitna gradiva le delo človeka, je v naravi mnogo materialov, ki imajo vse značilnosti kompozitov. Tak primer je les, ki je sestavljen iz celuloznih vlaken v osnovi iz lignina. Celulozna vlakna imajo veliko trdnost, vendar niso toga. Osnova jih spaja in da lesu potrebno togost. Človek že dolgo uporablja nekatere tehnične materiale, za katere je značilna kompozitna zgradba (npr. beton, asfalt). Že v davnini so ljudje spoznali ugodne lastnosti kompozitnih zgradb. Gradili so z opekami iz blata in slame, lepili les; ometavali kamnite zidove, ipd. V srednjem veku so izdelovali predvsem orožje iz različnih materialov. Kot raziskovalna in tehnična disciplina se je to interdisciplinarno področje pričelo v 60. letih 20-ega stoletja. V tem času se je pojavila zahteva po trdnih, togih in lahkih materialih, ki naj bi pomagala uresničiti človekove načrte v zvezi z letali, vesoljem, varčevanjem z energijo in različnimi zahtevnimi konstrukcijami. Z enovitimi materiali teh načrtov ni bilo moč uresničiti, saj ne omogočajo doseganje želenih kombinacij posameznih lastnosti, kar je razvidno iz slike 24.1 (pri enovitem materialu ne moremo - 238 -
24. Kompozitna gradiva
239
doseči kombinacijo velike trdnosti in majhne mase). Tako se je rodila ideja o združevanju različnih materialov v integralni sistem – kompozit, ki naj bi bil sposoben zadostiti tem željam. V osnovi delimo kompozitne materiale glede na material osnove na: • kovinske kompozite (MMCs – Metal Matrix Composites), • keramične kompozite (CMCs – Ceramic Matrix Composites), • polimerne kompozite (PMCs – Polimer Matrix Composites). Glede na obliko utrjevalne faze ločimo: • kompozite, utrjene z delci, • kompozite, utrjene s kosmiči, • kompozite, utrjene z vlakni, • strukturne kompozite in • kompozite s polnili. Pri kompozitih utrjenih z delci ločimo kompozite z velikimi delci in kompozite z malimi delci. Kompozite z vlakni delimo na kompozite z neprekinjenimi (kontinuirnimi) vlakni in kompozite s prekinjenimi (diskontinuirnimi) vlakni. Med strukturne kompozite spadajo laminati in sendvičaste strukture. Kompozite s polnili uporabimo takrat, kadar želimo drago komponento nadomestiti s cenejšo. Kompozite lahko delimo tudi glede na razporejenost delcev utrjevalne faze v osnovi: •
kompoziti z usmerjeno utrjevalno fazo – anizotropna kompozitna struktura, lastnosti so odvisne od smeri obremenitve,
•
kompoziti z naključno razporejeno – neusmerjeno utrjevalno fazo – izotropna kompozitna struktura, lastnosti so neodvisne od smeri obremenitve.
Slika 24.1:
Primerjava lastnosti med enovitimi klasičnimi materiali in kompoziti.
Poiščite primere uporabe kompozitov v vašem vsakdanjem življenju!
24.2 Zgradba kompozitov Kot smo že uvodoma zapisali, so kompozitna gradiva sestavljena iz dveh osnovnih sestavin: osnove in utrjevalne faze. Pri opisu zgradbe kompozita je zato potrebno poznati zgradbo osnove, zgradbo utrjevalne faze, stanje na mejni površini in razporeditev utrjevalne faze v osnovi. 24.2.1 Osnova Osnova daje kompozitu obliko in monolitnost. Skrbi za razporeditev utrjevalne faze, zagotavlja primerno nosilnost kompozita, tako da prenaša obremenitve na vlakna, ki so običajno glavni nosilni elementi. Če se neko vlakno pretrga, prenese obremenitev na sosednja vlakna. Poleg tega tudi zmanjšuje koncentracije napetosti ob napakah, ustavlja oziroma zavira napredovanje razpok in pogosto ščiti utrjevalno fazo pred okolico (pred korozijo oziroma oksidacijo ter mehanskimi poškodbami).
Kovinske osnove imajo običajno veliko trdnost in žilavost. Modul elastičnosti oziroma togost kovinskih osnov lahko bistveno povečamo le z utrjevanjem z vlakni. Večina materialov za vlakna, razen tistih iz volframa, molibdena ali jekla, ima tudi manjšo gostoto kot kovinska osnova. Disperzijsko in izločevalno utrjanje kovin močno poveča napetost tečenja in hitrost utrjevanja, ne pa modula elastičnosti.
- 240 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Keramične osnove imajo veliko trdnost in so zelo krhke. Atomi v njih so povezani z močno ionsko ali kovalentno kemijsko vezjo (pogosto ima kemijska vez v keramičnih gradivih mešan značaj – glej podpoglavje Zgradba keramike) z majhno možnostjo drsenja kristalnih ravnin, kar se kaže v majhni deformaciji ob porušitvi in majhni lomni žilavosti. Imajo majhno toplotno prevodnost in odpornost proti toplotnim in mehanskim šokom. Tudi natezna trdnost ni velika. Imajo pa velik modul elastičnosti, majhno gostoto in lahko prenašajo zelo visoke temperature, kar je bistvena prednost pred kovinskimi materiali. Glavna slabost keramike je krhkost. Žilavost lahko izboljšamo tako, da keramiko ojačimo z vlakni iz SiC, Al2O3, ogljika ali kovin. Pri izdelavi kompozitov s keramičnimi osnovami želimo predvsem izboljšati lomno žilavost in temperaturno stabilnost. Najbolj pogoste keramične osnove so stekla, Si3N4, TiB2, SiC, Al2O3 in ZrO2. Keramični kompoziti se uporabljajo predvsem za tehnične uporabe pri zelo visokih temperaturah. Uporabljajo se lahko tudi pri temperaturah nad 1500 ºC. V teh razmerah je največja nevarnost oksidacija, proti kateri so posebno neodporna ogljikova vlakna. Keramični kompoziti z vlakni iz SiC ali Si3N4 se lahko uporabljajo do temperatur med 1200 °C in 1300 ºC. Polimerne osnove se po svoji zgradbi močno razlikujejo od kovinskih in keramičnih (glej poglavje Polimerna gradiva). Molekule z majhnim številom atomov (monomeri) so v njih s kovalentno vezjo povezane v makromolekule, med katerimi pa delujejo šibke sekundarne kemijske vezi (termoplasti ali plastomeri) ali močne primarne kemijske vezi (duromeri). Imajo manjšo trdnost in modul elastičnosti kot kovinske in keramične osnove, vendar se odlikujejo z zelo majhno gostoto in dobro odpornostjo proti kemikalijam in vodi. Polimerne osnove iz plastomerov so žilave, iz duromerov pa krhke. V splošnem se lahko uporabljajo pri mnogo nižjih temperaturah kot kovinske in keramične osnove. Ker prevladuje v polimernih osnovah kovalentna vez, praviloma slabo prevajajo toploto in električni tok. Najpogosteje uporabljene polimerne osnove so duromeri, npr. epoksidne smole, nenasičeni poliestri, fenolne smole, pa tudi nekateri plastomeri. 24.2.2 Utrjevalna faza S pojmom utrjevalna faza označujemo nezvezno sestavino kompozita, s katero običajno izboljšamo mehanske lastnosti zvezne sestavine – osnove, dosežemo posebne lastnosti ali ustvarimo želeno kombinacijo lastnosti. Utrjevalna faza je lahko kristalna ali amorfna. Običajno je v obliki delcev, kosmičev, vlaken, lističev ali polnila (slika 24.2).
Slika 24.2:
Najpogosteje uporabljane oblike utrjevalne faze v kompozitih.
Z uporabo utrjevalnih faz izrabljamo zelo pomembno značilnost večine materialov (še posebej pa je to izrazito pri krhkih materialih), da so trdnostne lastnosti materiala močno odvisne od dimenzij. Tako na primer velja, da imajo praktično vsi materiali v obliki tankih vlaken z zelo majhnim premerom ( običajno
24. Kompozitna gradiva
241
reda velikosti nekaj 10 μm) veliko večjo trdnost in togost kot dimenzijsko veliko večje (masivnejše) telo iz istega materiala. Vzrok za takšno razliko v obnašanju je v dejstvu, da vsebujejo tanka vlakna bistveno manj napak, ki lahko povzročijo zlom, kakor isti material večjih dimenzij. Zato tudi velja, da so kompoziti utrjeni z vlakni v trdnostnem pogledu boljši od drugih vrst in se danes največkrat uporabljajo kot konstrukcijski material. Vlakna, ki jih uporabljamo za kompozite lahko razdelimo na: viskerje, kratka (nezvezna) vlakna in dolga (zvezna) vlakna. Viskerji (angl. whiskers) so zelo tanki enoviti kristali (monokristali) z velikim razmerjem dolžina/premer. Njihova kristalna mreža ima zelo majhno število napak, kar se odraža v izjemno veliki trdnosti. Viskerji so danes najtrdnejši znani materiali. Njihova slabost je velika cena. Kratka in dolga vlakna so amorfna ali imajo polikristalno mikrostrukturo. Vlakna, ki se običajno uporabljajo za utrjevanje kompozitnih osnov morajo imeti naslednje lastnosti: • majhno gostoto, • velik modul elastičnosti, • veliko natezno trdnost pri vseh delovnih temperaturah, • majhno topnost v osnovi, • termodinamično stabilnost (v območju uporabe kompozita ne sme priti v vlaknih do faznih transformacij), • kemijsko obstojnost - za preprečitev reakcije med osnovo in vlakni, • nestrupenost, • ustrezne tehnološke lastnosti (obdelovalnost). Vlakna, ki se danes največ uporabljajo, imajo običajno majhno gostoto in veliko trdnost. V teh vlaknih so atomi navadno povezani s kovalentno vezjo, ki jim daje velik modul elastičnosti. Veliko vrst vlaken ima anizotropne mehanske lastnosti. 24.2.3 Mejne površine Lastnosti kompozita kot celote so splet lastnosti osnove, utrjevalne faze in mejnih površin med osnovo in utrjevalno fazo. Ker je utrjevalna faza majhna (npr. premer vlaken je običajno reda velikost nekaj mikrometrov), je delež mejnih površin v kompozitu zelo velik, in temu primerno tudi njegov vpliv na lastnosti kompozitnega materiala. Povezava med osnovo in utrjevalno fazo na mejni površini je lahko mehanska ali kemična.
Večina kompozitnih gradiv je zgrajenih iz termodinamično nezdružljivih sestavin – to so termodinamično neravnotežni sistemi, za katere je značilna mreža notranjih mej in spreminjanje koncentracij kemijskih elementov. To neravnotežje je v določenih razmerah (T, p, …) gonilo medfaznih reakcij, ki so v omejenem obsegu celo nujne za izdelavo kompozita z dobrimi lastnostmi (večja kemijska povezanost na mejni površini omogoča boljši prenos napetosti iz osnove na utrjevalno fazo). Iz faznih diagramov lahko dobimo informacije o vrsti in smeri kemijskih reakcij, ki v takšnih sistemih potečejo, ter kemijsko sestavo faz v termodinamičnem ravnotežju. Ob poznavanju mehanizma kemijskih reakcij lahko ugotovimo tudi kinetiko prehoda. Termodinamična združljivost je sposobnost osnove in utrjevalne faze, da sta v termodinamičnem ravnotežju nedoločen čas pri razmerah izdelave in uporabe. Popolna termodinamična združljivost sicer omogoča soobstoj sestavin kompozita za nedoločen čas v vseh stopnjah izdelave, vendar se v teh primerih običajno močno zmanjša kemijska povezanost na mejni površini. Takšna popolna termodinamična združljivost je namreč omejena predvsem na kompozite sestavljene iz praktično netopnih sestavin v širokem temperaturnem intervalu (npr. W in Cu). Najpogosteje se srečujemo s pogojno združljivostjo, kjer lahko, kot smo že omenili, iz faznih diagramov ugotovimo smer reakcij in fazna ravnotežja. Ta problem med seboj izključljivih zahtev pri izdelavi kompozita (na eni strani želena popolna termodinamična združljivost, na drugi strani pa dobra kemijska povezanost na mejni površini) običajno rešujemo s kinetično združljivostjo, ki omogoča sestavinam kompozita, da so v nestabilnem ravnotežju, ki ga krmilijo pojavi, kot so adsorpcija, difuzija, in hitrost kemijskih reakcij.
- 242 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Poleg omenjene termodinamične združljivosti je zelo pomembna tudi mehanska združljivost sestavin kompozita, ki jo določajo razlike v temperaturnem razteznostnem koeficientu, ter elastičnostne lastnosti in plastičnost (podobnost raztezkov in duktilnosti) osnove in utrjevalne faze. Pojasnite vpliv osnove, utrjevalne faze in mejnih površin na lastnosti kompozita!
24.3 Lastnosti kompozitov Lastnosti kompozitnih gradiv so močno odvisne od vrste in deleža posamezne sestavine v kompozitu ter od razporeditve in oblike utrjevalne faze. Oblika in porazdelitev utrjevalne faze pa ne vplivata le na velikost utrditve, ampak tudi na sam mehanizem utrjanja. To si bomo v nadaljevanju ogledali na primerih kompozitov, utrjenih z velikimi in majhnimi delci, ter kompozitih, utrjenih z vlakni. 24.3.1 Kompoziti utrjeni z velikimi delci Veliki delci se pogosto uporabljajo pri vseh treh osnovnih vrstah kompozitov (MMC, CMC in PMC). Veliki delci so lahko dodani zaradi:
•
spremembe lastnosti osnove,
•
izboljšanja lastnosti osnove,
•
zamenjave dela osnove (predvsem pri polimernih kompozitih) s cenejšim materialom – polnilom.
Običajno imajo delci enako obliko v vseh smereh in so enakomerno porazdeljeni v osnovi. Zato so kompoziti utrjeni z velikimi delci izotropni. Mehanske lastnosti teh kompozitov se običajno izboljšujejo z naraščajočim deležem delcev. Tukaj velja pravilo mešanic. Modul elastičnosti se po vrednosti giblje med zgornjo in spodnjo mejo, ki sta določeni z enačbama: Ec = EmVm + E pV p (zgornja meja)
(24.1)
Ec = EmVm + E pV p (spodnja meja)
(24.2)
24.3.2 Kompoziti utrjeni z majhnimi delci Tukaj ni ostre meje med kompoziti in disperzijsko utrjenimi zlitinami. Zato med te kompozite mnogi prištevajo tudi t. i. ODS-zlitine (z oksidi disperzijsko utrjene zlitine). Bistvena razlika med kompoziti utrjenimi z majhnimi delci in tistimi, ki so utrjeni z velikimi delci, je v mehanizmu utrjanja. Medtem ko je trdnost kompozitov, utrjenih z velikimi delci, odvisna od trdnosti osnove, trdnosti delcev utrjevalne faze in njunih deležev (velja pravilo mešanic), je trdnost kompozitov, utrjenih z majhnimi delci, odvisna od sposobnosti teh delcev, da blokirajo drsenje dislokacij v osnovi (majhni delci vplivajo na mehanizem plastične deformacije osnove). Trdnost kompozita je v tem primeru odvisna od velikosti in deleža delcev, od razdalje med delci ter od skladnosti mejne površine delcev s kristalno mrežo osnove (glej Kellyjev in Orowanov mehanizem utrjanja v podpoglavju Izločevalno utrjanje). 24.3.3 Z vlakni utrjeni kompoziti Ta skupina predstavlja najpogostejšo in najpomembnejšo vrsto kompozitnih gradiv, ki se odlikujejo z veliko trdnostjo in togostjo ob zelo majhni gostoti. Pri modernih kompozitnih gradivih opisujemo te lastnosti s parametroma specifična trdnost (Rm/gostota) in specifični modul (E/gostota). Glede na dolžino vlaken jih delimo na kompozite z dolgimi vlakni ali zvezne kompozite in kompozite s kratkimi vlakni ali nezvezne kompozite.
Pri nezveznih kompozitih se trdnostne lastnosti ne izboljšajo bistveno, saj so vlakna prekratka, da bi se obremenitev v celoti prenesla iz osnove na vlakna. Pri kompozitih, utrjenih z vlakni, obstaja kritična dolžina vlaken, ki razmejuje zvezna (kontinuirna) vlakna od nezveznih (diskontinuirnih). Napetost σ0, s katero je natezno obremenjena osnova kompozita, utrjenega z vlakni, se zaradi kemijske vezi na mejni površini osnova/vlakno prenese na vlakno. Posledično se na mejni površini pojavi strižna napetost τ. Zaradi kemijske povezanosti na mejni površini in zaradi različnih modulov elastičnosti obeh
24. Kompozitna gradiva
243
faz (osnove in vlaken) se deformacija osnove spreminja s prečno oddaljenostjo od vlakna, kakor tudi vzdolž vlakna (slika 24.3). Napetost, ki se pri tem prenese z osnove na vlakno, je odvisna od moči kemijske vezi na mejni površini in od dolžine vlaken. Osnova se v okolici vlakna strižno deformira, na koncih vlaken pa ni prenosa napetosti z osnove na vlakna.
Slika 24.3:
Prenos napetosti z osnove na vlakno
Napetost, ki se prenese z osnove na vlakno, se povečuje z oddaljenostjo od koncev vlaken in doseže pri določeni oddaljenosti "x" največjo vrednost (σmax = σ0). Če je dolžina vlakna (l) enaka 2x, se σmax doseže točno na polovici dolžine vlakna. Dolžino l = 2x imenujemo kritična dolžina vlakna Lc. Odvisna je od premera vlaken (d = 2r), natezne trdnosti vlaken (σf) in od jakosti kemijske vezi na meji osnova/vlakno oziroma od strižne trdnosti osnove (τc), če privzamemo, da je moč kemijske vezi na mejni površini enaka ali celo večja od strižne trdnosti osnove. Ob poznavanju teh parametrov lahko izračunamo kritično dolžino vlaken: Lc = d·σf/σc
(24.3)
Če delujemo na kompozit z napetostjo σ = σf in je l = Lc, potem dosežemo σf točno na sredini vlakna (slika 24.4). Z naraščanjem jakosti kemijske vezi narašča hitrost povečevanja napetosti na enoto dolžine vlakna, oziroma poveča se kot α in kritična dolžina vlaken se skrajša. Če je l > Lc postaja utrjanje z vlakni še bolj uspešno, saj narašča dolžina odseka vlakna, ki je obremenjeno z napetostjo σ = σf. Če pa je l < Lc, je utrjanje z vlakni manj uspešno, saj na nobenem odseku dolžine vlakna ne dosežemo napetosti σf. Vlakna z dolžino l > 15Lc imenujemo zvezna (kontinuirna) vlakna, tista, katerih dolžina je manjša (l < 15Lc), pa nezvezna (diskontinuirna). Vlakna, ki so krajša od Lc, ne omogočajo večjega prenosa napetosti. Pravimo, da navidez ni prenosa napetosti. S temi vlakni dosežemo majhno utrjanje in so po lastnostnih podobni kot kompoziti, utrjeni z delci. Smisel izdelave teh kompozitov je v doseganju drugih kombinacij lastnosti.
Slika 24.4:
Porazdelitev napetosti po vlaknu v odvisnosti od dolžine vlaken in moči kemijske vezi
Vidimo, da mehanske značilnosti kompozita, utrjenega z vlakni, niso odvisne le od lastnosti osnove in vlaken ter deleža posamezne faze, ampak tudi od narave mejnih površin. Od tega je tudi odvisna stopnja,
- 244 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
do katere se delujoča zunanja obremenitev skozi osnovo in prek kemijske vezi na meji osnova/vlakno prenese na vlakna. 24.3.4 Vpliv orientacije in deleža vlaken na mehanske lastnosti Posebnost kompozitov je, da lahko nekatere njihove lastnosti, posebno mehanske, izračunamo vnaprej. Tudi pri vlakenskih kompozitih lahko mehanske lastnosti načrtujemo in jih določamo v odvisnosti od orientacije vlaken gleda na zunanjo silo.
Oglejmo si najprej primer, kako lahko izračunamo trdnost in modul elastičnosti kompozita, utrjenega z dolgimi vlakni, ki so vsa usmerjena v smer, v kateri deluje na kompozit zunanja sila (slika 24.5 a). Izpeljava velja ob pogoju, da sta sestavini trdno povezani (idealna kemijska vez na mejni površini), da imata enaki Poissonovi števili ν in da se obe sestavini oziroma kompozit pod vplivom zunanje sile raztegneta enako. Deformacije kompozita in obeh sestavin so v vzdolžni smeri enake (znaki c, f in m pomenijo kompozit, vlakno in osnovo, v pa vzdolžno smer):
ε cv = ε f = ε m =
Δl lo
(24.4)
Če je obremenitev tolikšna, da se obe sestavini deformirata le elastično, sta napetosti v vlaknih in osnovi enaki:
σ f = E f ⋅ ε f ; σ m = Em ⋅ ε m
(24.5)
Obremenitev na kompozit se razdeli na vlakna in osnovo:
Fcv = F f + Fm = σ f ⋅ A f + σ m ⋅ Am
(24.6)
(Ac, Af, Am so prerezi kompozita, vlaken in osnove), kar lahko zapišemo tudi kot:
σ cv ⋅ Acv = [E f ⋅ A f + E m ⋅ Am ]⋅ ε cv = Ecv ⋅ ε cv ⋅ Acv
(24.7)
iz te enačbe pa lahko izrazimo modul elastičnosti kompozita:
E cv =
A σ cv A = E f ⋅ f + Em ⋅ m ε cv Acv Acv
(24.8)
Pri določeni dolžini kompozita so razmerja prerezov enaka prostorninskim deležem sestavin. Zato se izraz lahko zapiše v obliki:
E cv = E f ⋅ V f + E m ⋅ Vm = E f ⋅ V f + E m [1 − V f ]
(24.9)
kjer je Vf + Vm = Vc =1 (Vf, Vm in Vc so prostorninski deleži vlaken, osnove in kompozita). Enačba pove, da velja za modul elastičnosti kompozita Ec, pri obremenitvi kompozita v smeri vlaken pravilo mešanic – da je Ec odvisen od modula elastičnosti in prostorninskega deleža obeh sestavin (krivulja A na sliki 24.6). Ob upoštevanju Hookovega zakona dobimo tudi za trdnost kompozita v smeri vlaken izraz, ki kaže, da velja tudi za ta parameter pravilo zmesi:
σ cv = σ f ⋅ V f + σ m ⋅ [1 − V f ]
(24.10)
V drugem primeru, pri obremenitvi kompozita v smeri pravokotno na vlakna (slika 24.5 b), se mehanske lastnosti izračunajo po kriteriju enakih napetosti oziroma pravilu, ki velja za zaporedno vezane sestavine. V tem primeru je namreč v obeh sestavinah – vlaknih in osnovi, napetost enaka:
σ m = σ f = σ cp
(24.11)
razteg kompozita pa je enak vsoti raztegov sestavin:
Δbc = Δbm + Δb f
(24.12)
24. Kompozitna gradiva
245
Če zgornji izraz delimo z začetno širino kompozita (bc), dobimo na levi strani specifični raztezek kompozita v prečni smeri:
ε cp =
Δbc bc
=
Δbm bc
+
Δb f
(24.13)
bc
Desno stran enačbe lahko preuredimo:
ε cp =
Δbc bc
=
Δbm bm bm
⋅
bc
+
Δb f b f bf
⋅
bc
= εm
b bm +εf f bc bc
(24.14)
Ker so pri konstantnem prerezu kompozita razmerja širin vlaken in osnove s širino kompozita enaka prostorninskemu deležu sestavin (Vf = bf/bc; Vm = bm/bc), lahko zgornji izraz poenostavimo v znano obliko, ki kaže, da velja pri obremenitvi kompozita v prečni smeri na vlakna pravilo mešanic za specifični raztezek – εc. Ta je odvisen od specifičnega raztezka in prostorninskega deleža obeh sestavin:
ε cp = ε f ⋅ V f + ε m ⋅ (1 − V f )
(24.15)
Z upoštevanjem Hookovega zakona dobimo za modul elastičnosti kompozita obremenjenega v prečni smeri na vlakna naslednji izraz (Krivulja B na sliki 24.6):
Ecp =
E f ⋅ Em Em ⋅V f + E f ⋅ (1 − V f )
(24.16)
Slika 24.5:
Vzdolžna oziroma vzporedna (a) in prečna oziroma zaporedna (b) obremenitev kompozita utrjenega z zveznimi (kontinuirnimi) vlakni
Slika 24.6:
Spreminjanje modula elastičnosti kompozita, utrjenega z zveznimi (kontinuirnimi) vlakni v odvisnosti od prostorninskega deleža vlaken pri vzdolžni (A) in prečni (B) obremenitvi.
- 246 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
24.3.5 Utrjeno srebro Srebro se zaradi svoje odlične toplotne in električne prevodnosti uporablja kot kontaktni material v električnih kontaktih. Srebro ima majhno trdnost, ki s temperaturo zelo hitro pojema. Električni kontakti se med uporabo segrevajo, zato se zahteva ustrezna trdnost tudi pri povišanih temperaturah. Slika 24.7 prikazuje, kako različne oblike utrjevalne faze Al2O3 vplivajo na natezno trdnost srebra. Največja trdnost in temperaturna stabilnost se dosežeta pri največjem razmerju L/d vlaken.
Slika 24.7:
Utrjanje srebrove osnove z Al2O3.
Povzetek Kompozitno gradivo je sodobni material, sestavljen iz dveh ali več različnih materialov na makroskopskem nivoju. Sestavljen je iz osnove, utrjevalne faze in medfaznih mej. Ločimo kompozite s kovinsko, keramično in polimerno osnovo. Oblike utrjevalne faze so lahko različne. Najpogosteje se uporabljajo dolga ali kratka vlakna, ali pa so v kompozitu delci. Lastnosti kompozitov lahko vnaprej napovemo. V tehniki se vedno več uporabljajo.
24.4 Razmisli, odgovori, reši 24.1 24.2 24.3 24.4
Kako je definirano kompozitno gradivo? V čem so prednosti kompozitnih gradiv proti ostalim? Kakšna je razlika med kovinskimi, polimernimi in keramičnimi osnovami kompozitov? Kakšna je naloga utrjevalne faze v različnih osnovah kompozita? Katere vrste utrjevalnih faz lahko uporabimo? 24.5 Kakšen je pomen mejnih površin? 24.6 Na kakšen način lahko vse delci utrdijo osnovo? 24.7 Kaj pomeni pojem kritična dolžina vlaken? 24.8 V čem je razlika med dolgimi in kratkimi vlakni? 24.9 V čem je razlika med termodinamično, kinetično in mehansko združljivostjo sestavin kompozita? 24.10 Pojasnite, zakaj lahko srebro, utrjeno z dolgimi vlakni, uporabljamo pri mnogo višji temperaturi kot čisto srebro ali srebro, utrjeno z delci? 24.11 V vsakdanjem življenju poišči predmete iz kompozitov. Ugotovi, iz katerih snovi so sestavljene, kakšna je njihova zgradba ter kakšne so njihove lastnosti.
24.5 Dodatna literatura k temu poglavju 24.1 24.2 24.3 24.4
Anžel, Ivan; Zupanič, Franc: Nekovinska gradiva, Fakulteta za strojništvo Maribor, predvidoma 2007 Glavič, Peter: Gradiva, Maribor : Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, 2001 Kovač, Miran: Gradiva, Zapiski predavanj. Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 2001 Paulin, Andrej: Mala slovenska enciklopedija metalurgije in materialov, Rudarsko-metalurški zbornik, Letnik 44, št. 1-2, Ljubljana julij 1997
25 Označevanje izbranih kovinskih materialov 25.1
Označevanje jekel
Jekla označujemo z osnovnimi znaki po SIST EN 10027-1:1995 in s številčnim sistemom po SIST EN 10027-2.
25.1.1
Označevanje z osnovnimi znaki po SIST EN 10027-1:1995
Označujemo glede na mehanske in fizikalne lastnosti ter glede na kemijsko sestavo jekel.
A
Označevanje jekel glede na uporabo ter mehanske in fizikalne lastnosti a) Osnovne znake sestavljata črka, ki pomeni S = konstrukcijska jekla (za gradbeništvo) P = jekla za tlačne namene L = jekla za cevovode E = konstrukcijska jekla (za strojegradnjo) Tej črki sledi število, ki označuje najmanjšo napetost tečenja najmanjše debeline. B = jekla za armiranje betona. Črki B sledi število, ki pomeni značilno napetost tečenja v MPa. Y = jekla za prednapeti beton. Črki Y sledi število, ki pomeni najmanjšo natezno trdnost v MPa. R = jekla za tirnice ali v tirnicam podobni obliki.
H = hladno valjani ploščati izdelki iz zelo trdnega jekla za vlečenje v hladnem. Črki H sledi število, ki pomeni najmanjšo napetost tečenja v MPa. Če je določena le natezna trdnost, črki H sledi črka T, tej pa število, ki pomeni najmanjšo natezno trdnost v MPa. D = ploščati izdelki za oblikovanje v hladnem (ki jih ne zajema prejšnja oznaka H). T = bela pločevina (pokositrena za embalažo). M = jekla za elektropločevino.
B
Označevanje jekel glede na kemijsko sestavo Nelegirana jekla (razen avtomatnih) s srednjim masnim deležem Mn ≤ 1 %
Primer: C 15. Pomen oznak: Črka C pomeni ogljik. Število 15 je stokratnik masnega deleža ogljika izraženega v odstotkih. V jeklu C 15 je torej 0,15 % C. Nelegirana jekla s srednjim masnim deležem Mn ≥ 1 %, nelegirana avtomatna jekla in legirana jekla (razen hitroreznih jekel), kjer je masni delež vsakega zlitinskega elementa manjši kot 5 %.
Primer: 20 MnCr 5 Oznaka je sestavljena iz treh delov. Prvi del je stokratnik masnega deleža ogljika izraženega v odstotkih. V jeklu je torej 0,2 % C. Drugi del oznake tvorijo kemijski simboli zlitinskih elementov v padajočem zaporedju glede na njihov masni delež. V tem jeklu sta zlitinska elementa Mn in Cr. V tretjem delu so števila, ki so večkratniki masnega deleža zlitinskega elementa. Če je več števil, so med seboj ločena z vezajem. Večkratniki so podani v spodnji tabeli. Pri zgornjem primeru je samo eno število: 5, ki ga delimo s 4. Torej je masni delež mangana v jeklu 1,25 %.
- 247 -
- 248 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Razpredelnica 25.1:
Koeficienti vpliva zlitinskih elementov Kemijski element
Koeficient
Cr, Co, Mn, Ni, Si, W Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zn Ce, N, P, S B
4 10 100 1000
Legirana jekla (razen hitroreznih jekel), kjer je masni delež vsaj enega elementa večji kot 5 %.
Primer: X 22 CrMoV 12-1 Pomen oznake: X pomeni, da je to legirano jeklo 22 je stokratnik masnega deleža ogljika v odstotkih: 0,22 % C Zlitinski elementi v padajočem vrstnem redu glede na masni delež: Cr, Mo, V Masni deleži zlitinskih elementov v %: 12 % Cr, 1 % Mo.
C
Hitrorezna jekla Primer: HS 10-4-3-10 Pomen oznake: HS = hitrorezno jeklo
Številčne oznake ločene z vezaji pomenijo srednje masne deleže izražene v odstotkih naslednjih zlitinskih elementov: W, Mo, V in Co. Izbrano jeklo vsebuje: 10 % W, 4 % Mo, 3 % V in 10 % Co.
25.2
Označevanje železovih litin
Označevanje z znaki (črkovno-številčni sistem). 1. mesto EN-.
To pomeni, da je to standardizirani material 2. Mesto GJ-
G – litina J – železova litina 3. Mesto: Znak za označitev oblike grafita
L - lamelasti grafit S – kroglasti grafit M – vozlasti grafit V – vermikularni grafit N – brez grafita, ledeburitna Y – posebna struktura, določena z ustreznim materialnim standardom 4. mesto- Znak za označitev mikrostrukture oziroma stanja. Ta oznaka ni obvezna. A – avstenitna F – feritna P – perlitna M – martenzitna L – ledeburitna Q – kaljena T – kaljena in popuščana B – črna temprana
25. Označevanje izbranih kovinskih materialov
249
W – bela temprana 5. mesto Razvrščanje po mehanskih lastnostih Navedemo lahko najmanjšo zahtevano natezno trdnost, razteznost, udarno žilavost ali trdoto. K številki dodamo še črko: S – posebej lita epruveta U – preskušanec ulit skupaj z osnovnim materialom C – preskušanec vzet iz ulitka Primeri:
EN-GJL-150C. Siva litina z lamelastim grafitom. Najmanjša natezna trdnost preskušanca vzetega iz ulitka je 150 MPa. EN-GJS-350-22U. Siva litina s kroglastim grafitom. Najmanjša natezna trdnost 350 MPa, najmanjša razteznost 22 %. Preskušanec ulit skupaj z osnovnim materialom. EN-GJS-400-18S-RT. Siva litina s kroglastim grafitom. Najmanjša natezna trdnost 400 MPa. Udarna žilavost je 18 J na posebej liti epruveti pri sobni temperaturi RT. Če bi bila oznaka LT, bi bila udarna žilavost izmerjena pri nizki temperaturi. EN-GJL-HB155. Siva litina z lamelastim grafitom. Trdota po Brinellu 155 HB. Pri metodi po Vickersu bi uporabili HV namesto HB, pri metodi po Rockwellu pa HR. Razvrščanje po kemijski sestavi. Na 5. mestu lahko razvrščamo tudi po kemijski sestavi. EN-GJL-X NiMn 13-7. Siva litina z lamelastim grafitom z masnim deležem niklja 13 % in masnim deležem Mn 7 %. EN-GJN-X 300 CrNiSi 9-5-2. Lebeburitna litina s 3 % C, 9 % Cr, 5 % Ni in 2 % Si. 6. mesto:
Morebitne potrebne oznake za opis stanja materiala D – lito, neobdelano stanje ulitka H – toplotno obdelan ulitek W – varivost za zvarne spoje Z – druge zahteve, določene v naročilu Številčne oznake EN-JL2171 1. in 2. mesto: EN tretje mesto: - (vezaj) 4. mesto: J (železova litina) 5. mesto L – lamelasti grafit S – kroglasti grafit M – vozlasti grafit V – vermikularni grafit N – brez grafita, ledeburitna Y – posebna struktura, določena z ustreznim materialnim standardom 6. mesto: Znak daje glavno lastnost litine 0 – rezerva 1– natezna trdnost
- 250 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
2 – trdota 3 – kemijska sestava 4 – rezerva 5 – rezerva 6 - rezerva 7 - rezerva 8 - rezerva 9 – rezerva 7. in 8. mesto: Dvomestna oznaka za označitev posameznega materiala (00-99) 9. mesto: Enomestna oznaka, ki podaja posebne zahteva za posamezni material 0 – brez posebnih zahtev 1– posebej liti vzorec 2 – sočasno liti vzorec 3 – vzorec iz ulitka 4 – udarna žilavost pri sobni temperaturi 5 – udarna žilavost pri nizki temperaturi 6 – določena varivost 7 – neobdelan ulitek 8 – toplotno obdelan ulitek 9 – dodatne zahteve določene ob naročilu ali kombinacije posameznih zahtev
25.3
Označevanje bakra in bakrovih zlitin
Baker in bakrove zlitine označujemo s kemijskimi simboli in s črkovno-številčnimi oznakami. Označevanje s simboli so že prej uporabljali JUS, DIN in ISO. Primer: Oznaka CuSn37 označuje bakrovo zlitino Cu-Zn s srednjim masnim deležem cinka 37 %. Ta sistem lahko postane precej neroden pri zlitinah, ki vsebujejo veliko zlitinskih elementov (CuZn40Mn1Pb1AlFeSn), zato so pred kratkim uvedli črkovno-številčni sistem, ki ima v osnovi 6 znakov: tri črke in tri številke. C W 617 R 1. mesto: Tam je vedno črka C, ki pomeni baker (Cu). 2. mesto: Označuje vrsto produkta. Možne so naslednje črke W – gnetni produkt C – ulitek B – ingot M – predzlitina. 3., 4. in 5. mesto: Na vsakem je števka. Skupaj označujejo številko zlitine. 6. mesto: Na njem je črka, ki označuje vrsto zlitine (glej razpredelnico)
25. Označevanje izbranih kovinskih materialov
Razpredelnica 25.2:
251
Evropski črkovno-številčni sistem za baker in bakrove zlitine, s prednostnim obsegom števil področij in črko, ki označuje vrsto zlitine
Skupine materialov
Možen obseg števil
Baker
Končna črka, ki označuje vrsto materiala
Prednostni obseg števil
001-999
A
001-049A
001-999
B
050-099B
001-999
C
100-149C
001-999
D
150-199D
001-999
E
200-249E
001-999
F
250-299F
Zlitine Cu-Al
001-999
G
300-349G
Zlitine Cu-Ni
001-999
H
350-399H
Zlitine Cu-Ni-Zn
001-999
J
400-449J
Zlitine Cu-Sn
001-999
K
450-499K
Zlitine Cu-Zn, binarne
001-999
L
500-549L
001-999
M
550-599M
001-999
N
600-649P
001-999
P
650-699P
Zlitine Cu-Zn, večkomponentne
001-999
R
700-749R
001-999
S
750-799S
Nestandardizirana zlitina
800-999
A-S
800-999
Razne bakrove zlitine Razne bakrove zlitine
Zlitine Cu-Zn-Pb
Za označevanje stanja bakra in bakrovih zlitin se uporablja sistem, kjer se daje najmanjša vrednost zahtevane lastnosti. Npr. R 250 pomeni, da mora biti natezna trdnost najmanj 250 MPa; Y 140 pomeni, da mora biti napetost tečenja Rp0,2 najmanj 140 MPa, H090 pomeni, da mora biti trdota najmanj 90 enot (HV za gnetne zlitine, HB za ulitke).
Razpredelnica 25.3: Označevanje zahtevanih lastnosti
25.4
Oznaka
Zahtevana lastnost
A
Razteznost A v %
B
upogibna vzmetnost (angl. spring bending limit)
G
Velikost kristalnih zrn v mikrometrih
H
Trdota (HB za ulitke, HV za gnetne zlitine)
M
Po izdelavi, brez predpisanih lastnosti
R
Natezna trdnost v MPa
Y
Napetost tečenja Rp0,2
Označevanje aluminija in aluminijevih gnetnih zlitin
25.4.1
Označevanja aluminijevih gnetnih zlitin
Tukaj bo podana delitev aluminijevih gnetnih zlitin glede na kemično sestavo, ki je enaka pri AA – Aluminum Association in po SIST EN standardih. Uporabljamo lahko oznake s kemijskim simbolom (SIST EN 573-1:2005) ali številčno oznako (SIST EN 573-2:2005)
- 252 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
Uporablja se številčni sistem s štirimi številkami. Prva številka pomeni vrsto aluminijeve zlitine, preostale tri pa številko zlitine. 1xxx – Tehnično čisti aluminij, ki vsebuje najmanj 99 % Al. 2xxx – Zlitine Al-Zn 3xxx – Zlitine Al-Mn 4xxx – Zlitine Al-Si 5xxx – Zlitine Al-Mg 6xxx – Zlitine Al-Mg-Si 7xxx – Zlitine Al-Zn, ki lahko vsebujejo še Mg ali kombinacijo Mg in Cu
25.4.2
Oznake stanj Al-zlitin
F (as fabricated): zlitina je v izdelanem stanju. Če je bila narejena z litjem, je v litem stanju; če je bila iztiskana, je v iztiskanem stanju. H – Deformacijsko utrjeno O – Žarjeno. Oznaka se uporablja za gnetne produkte, ki so bili žarjeni, da bi dosegli čim manjšo trdnost in trdoto. Velja tudi za lite produkte, ki so bili žarjeni, da bi se izboljšala duktilnost in dimenzijska stabilnost. Oznaki O lahko sledi od 0 različna števka. W – Topilno žarjeno. To je nestabilno stanje, ki ga lahko uporabimo za poljubno zlitino, ki jo naravno staramo po topilnem žarjenju. T – Toplotno obdelano, da bi dosegli stanja različna od O. Uporablja se za toplotno obdelane izdelke, ki niso bili deformacijsko utrjeni. Oznaki T sledi ena ali več števk. T1 – Ohlajeno z visokotemperaturnega oblikovalnega postopka in naravno starano do stabilnega stanja. T2 – Ohlajeno z visokotemperaturnega oblikovalnega postopka, hladno preoblikovano in naravno starano do relativno stabiliziranega stanja. T3 – Topilno žarjeno, hladno preoblikovano in naravno starano. T4 – Topilno žarjeno in naravno starano do relativno stabilnega stanja. T5 – Ohlajeno s visokotemperaturnega oblikovalnega postopka in umetno starano. T6 – Topilno žarjeno in umetno starano. T7 – Topilno žarjeno in stabilizirano. T8 – Topilno žarjeno, hladno preoblikovano in umetno starano. T9 – Topilno žarjeno, umetno starano in hladno preoblikovano po umetnem staranju. T10 – Ohlajeno z visokotemperaturnega oblikovalnega procesa, hladno preoblikovano in umetno starano.
25.4.3
Označevanje aluminijevih livnih zlitin
Pri njih se uporablja sistem s petimi številkami. Prva številka pomeni vrsto zlitine. 2xxxx – Zlitine Al-Cu 4xxxx – Zlitine Al-Si, vsebujejo lahko tudi Mg in/ali Cu. 5xxxx – Zlitine Al-Mg 7xxxx – Zlitine Al-Zn
25.4.4
Oznake stanj aluminijevih livnih zlitin
Tukaj pred oznakami stanj, ki so bile opisane pri aluminijevih gnetnih zlitinah dodamo še oznako za vrsto litja K – litje v kokilo S – litje v pesek D – tlačno litje F – lito stanje
25. Označevanje izbranih kovinskih materialov 25.4.5
253
Primeri oznak
EN AW-6061 T6 Standardizirana (EN) aluminijeva (A) gnetna (W) zlitina 6061 (Al-Mg-Si) v stanju T6 (topilno žarjeno, gašeno, starano). EN AC-AlSi9Cu1Mg K F Standardizirana (EN) aluminijeva (A) livna (C) zlitina, ki vsebuje 9 % Si, 1 % Cu in Mg. Ulita je bila v kokilo (K) in je v litem stanju (F).
25.5
Literatura k temu poglavju
25.1 Zupančič, Danilo: Označevanje materialov, Jekla in železove litine, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 1998 25.2 Kovač, Miran: Gradiva, Zapiski predavanj. Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 2001 25.3 Casti Metals Black Book, European Ferrous Data (Bringas, John E.), Second Edition, Casti Publication Inc, 2003 25.4 Casti Metals Red Book, Nonferrous Metals (Bringas, John E.), Fourth Edition, Casti Publication Inc, 2003 25.5 http://www.copper.org/resources/properties/standard/euronumb.htm
26 Slovarček A1-temperatura. Temperatura evtektoidne reakcije v jeklu. Pri evtektoidni reakciji razpade avstenit pri ohlajanju v ferit in cementit. To zmes ferita in cementita imenujemo perlit. A3-temperatura. Temperatura, pri kateri se pri ohlajanju začne iz avstenita izločati ferit. Pri segrevanju je nad to temperaturo obstojen le avstenit. A3 je termodinamična temperatura, Ac3 je temperatura, pri kateri izgine pri segrevanju ves ferit, Ar3 pa je temperatura, pri kateri začne pri ohlajanju nastajati predevtektoidni ferit. abraziv. Trda nekovinska snov, ki se uporablja kot brusivo ali polirno sredstvo za kovinske in druge materiale. abrazivna obraba. Obraba, ki jo povzroča drgnjenje abraziva ob površino. ABS. Polimer, z daljšim imenom akrilonitril-butadien-stiren absolutna stabilnost. Kritična hitrost strjevalne fronte, nad katero postane meja med talino in trdnino ravna – praktično neodvisno od razmer pri strjevanju. absorpcijski spekter. Pri presevanju snovi z belo svetlobo (vse valovne dolžine vidne svetlobe) se v njej absorbirajo fotoni, katerih energija je enaka razliki med osnovnimi in višjimi (vzbujenimi) energijskimi stanji atomov, ki jo sestavljajo. Pri energijah teh fotonov se v spektru pojavijo črne črte. Acm-temperatura. Temperatura, pri kateri se začne pri ohlajanju iz avstenita izločati cementit. adheziv ali lepilo. Snov (navadno polimerno gradivo) za spajanje različnih delov. aditiv. Dodatek. aglomeracija. Postopek skepljanja drobnozrnatih snovi. agregatno stanje. Eno izmed treh stanj snovi: trdno, tekoče ali plinasto. akrilne smole. Umetne smole, dobljene s polimerizacijo estrov in drugih derivatov akrilne kisline. aktivacijska energija za difuzijo. Energija, ki je potrebna, da atom preskoči iz enega mesta v kristalni mreži na drugo. aktivacijska energija. Energijski prag, ki ga moramo premagati, da snov preide iz stanja z višjo v stanje z nižjo energijo. alfageni element. Element, ki stabilizira fazo α. V jeklu alfageni elementi stabilizirajo Fe-α (TCK), v titanovih zlitinah pa Ti-α (HGZ). alitiranje. Obogatitev površine jekla z aluminijem. Postopek spada k difuzijskemu metaliziranju. alkalijske kovine. Kovinski elementi prve skupine periodnega sistema: Li, Na, K, Rb, Sr, Ra. alkan. Ogljikovodik z enojno vezjo med ogljikovimi atomi (npr. C2H6). alken. Ogljikovodik z dvojno vezjo med ogljikovimi atomi (npr. C2H4). alkin. Ogljikovodik s trojno vezjo med ogljikovimi atomi (npr. C2H2). alotropska premena. Premena, pri kateri se spremeni kristalna zgradba čiste snovi (elementa ali spojine). aluminij Al. Kemični element, lahka kovina amalgam. Zlitina živega srebra z drugo kovino. aminske smole. Vrsta duromera, ki nastane s stopenjsko polimerizacijo sečnine ali melamina s formaldehidom. amorfen termoplast. Termoplast (plastomer) z neurejeno notranjo zgradbo. amorfna (steklasta) zgradba. Neurejena zgradba trdne snovi. Prisoten je le red kratkega dosega (bližnji red). anihilacija napak. Izničenje napak. Izničita se dve nasprotni dislokaciji, praznina in lasten intersticijski atom. anion. Negativno nabit delec. Npr. atom, ki sprejme elektron. anizotropija. Lastnosti snovi so odvisne od smeri preskušanja. Praviloma imajo kristali anizotropne lastnosti, ker gostota zasedenosti z atomi v različnih smereh ni enaka. Lastnosti kristalov se ponavljajo v različnih smereh skladno z njihovo simetrijo. anodiziranje. Ustvarjanje zaščitne oksidne plasti na aluminiju in njegovih zlitinah. anodna zaščita. Protikorozijska zaščita. Zaščiteni predmet je v električnem tokokrogu anoda. anomalni evtektik. Evtektik, v katerem njegove sestavine niso periodično razporejene. anorgansko steklo. Keramično steklo. antioksidant. Snov, ki zmanjša občutljivost polimernega gradiva za oksidacijo. antistatik. Aditiv polimernemu gradivu, ki zmanjša površinski naboj na materialu, izboljša površinsko prevodnost in zmanjša možnost iskrenja. aramidna vlakna. Splošno ime za aromatska poliamidna vlakna, ki se uporabljajo za utrjanje kompozitnih gradiv.
- 254 -
26. Slovarček
255
aromatski obroč. Šest v obroč povezanih ogljikovih atomov. atom. Najmanjši delec snovi, ki ga ne moremo kemijsko še bolj razstaviti, vendar ima vse lastnosti kemijskega elementa. Sestavljen je iz atomskega jedra velikosti okoli 10–15 m, v katerem so protoni in nevtroni, ter elektronske ovojnice velikosti med 10–10 in 10–9 m, v kateri krožijo po orbitalah elektroni. atomizacija taline. Razpršitev taline v drobne kapljice. Dosežemo hitro strjevanje. atomska enota mase. Enaka je 1/12 mase ogljikovega izotopa 12C; u = 1,66 × 10–27 kg atomsko jedro. Jedro atoma, ki je veliko okoli 10-15 in vsebuje protone ter nevtrone. Augerjevi elektroni. Elektroni, ki nastanejo pri interakciji hitrih delcev (elektronov, ionov) z vzorcem. Uporabljamo jih za mikrokemijsko analizo površin. ausforming. Postopek termomehanske obdelave jekla. Jeklo avstenitiziramo in ohladimo v področje metastabilnega avstenita. V tem področju ga preoblikujemo. Preden se prične razpad avstenita, ga hitro ohladimo, da nastane martenzit. austempering (bainitno poboljšanje). Ohladitev jekla s temperature avstenitizacije tik nad temperaturo Ms, da se avstenit v celoti pretvori v spodnji bainit. austempering (bainitno popuščanje). Toplotna obdelava, ki je sestavljena iz hitrega ohlajanja s temperature avstenitizacije na temperaturo tik nad Ms temperaturo. Zadržujemo na tej temperaturi, dokler se ves avstenit ne pretvori v bainit. Avogadrova konstanta. Število atomov v 1 molu (to je v 12 g) ogljikovega izotopa
12 6
C . NA = 6,023 × 1023 mol-1.
avstenit. Alotropska modifikacija čistega železa. V železovih zlitinah je trdna raztopinaki ima ploskovno centrirano kubično kristalno zgradbo (PCK). Navadno jo označimo z grško črko γ. avstenitizacija. Segretje jekla v temperaturno območje nad A3-temperaturo, da nastane homogen avstenit. avstenitno jeklo. Jeklo, ki je pri sobni temperaturi sestavljeno iz avstenita. Npr. avstenitno nerjavno jeklo. bainit. Mikrostrukturna sestavina, ki nastane iz avstenita, pri neravnotežnem ohlajanju ali pri izotermnem žarjenju v ustreznem temperaturnem območju. Ločimo zgornji ali peresasti in spodnji ali igličasti bainit. bainitno poboljšanje. Glej austempering. bakelit. Vrsta fenola (duromer). batni (Newtonov) model. Model za ponazoritev idealnega viskoznega obnašanja materialov. Bat, ki prepušča tekočino. bela litina. Železova litina, v kateri je ogljik vezan v obliki cementita Fe3C. bela temprana litina. Železova litina, v kateri belo litino žarimo v oksidacijski atmosferi. Najprej razpade cementit v grafit in železo, nato ogljik difundira do površine, kjer zgori. benzenov obroč. V obroč povezani ogljikovi atomi. betageni element. Element, ki stabilizira fazo β (TCK) v titanovih zlitinah. binarni diagram. Fazni diagram za dve komponenti. blok-kopolimer. Kopolimer, v katerih sta monomera razporejena v blokih. blokovne izceje. Neenakost v kemični sestavi ulitka. Sestava na površini se razlikuje od sestave v sredini ulitka. Bohrov model atoma. Model atoma, pri katerem elektroni krožijo okoli jedra po krožnih orbitalah s točno določeno energijo. boridiranje. Obogatitev površine jekla z borom. Braggova enačba. Enačba, ki jo uporabimo za izračun kotov, pri katerih se pojavijo uklonski vrhovi pri rentgenski difrakciji. Bravaisova mreža. Štirinajst prostorskih mrež, ki jih dobimo s kombinacijo simetrijskih elementov. Burgersov vektor. Vektor, ki ponazarja dolžino in smer zdrsa dislokacije v enem koraku. Njegova dolžina je tudi dolžina drsne stopnice, ki nastane na površini kristala pri zdrsu ene dislokacije. celična strjevalna fronta. Meja med talino in trdnino pri strjevanju ni ravna. Sestavljena je iz paraboloidnih celic. cementiranje. Toplotna obdelava, pri kateri površino jekla najprej naogljičimo pri temperaturi okoli 900 °C (takrat je jeklo v avstenitnem območju) in nato kalimo. Dobimo trdo, proti obrabi odporno površino ter mehko in žilavo jedro. cementit. Spojina Fe in C: Fe3C. Je trd in krhek. Pogosto je navzoč v jeklih in beli litini. V tempranih litinah razpade v vozlasti grafit. centrifugalno litje. Litje rotacijsko simetričnih teles, pri čemer se forma vrti z veliko hitrostjo. cepitev dislokacije. Nastanek dveh dislokacij iz ene. cepljenje. Namerno dodajanje tujih delcev (kali) v talino, da dosežemo heterogeno tvorbo kali trdne faze. Charpyjev udarni preskus. Postopek ugotavljanja udarne žilavosti materialov. Kladivo spustimo z začetne višine. Potencialna energija se spreminja v kinetično. V mirovni legi udari kladivo v preskušanec z zarezo v obliki črki U ali V, ki je na
- 256 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
nasprotni strani. Preskušanec se najprej deformira elastično, nato plastično. Ob zarezi se nato pojavi razpoka, ki se širi skozi preskušanec do popolnega preloma. cis-izomer. Stranski skupini sta na isti strani dvojne vezi. Cotrell-Lomerjeva zapreka. Ovira na drsni ravnini, ki nastane ob interakciji dislokacij z različnih drsnih sistemov. CVD (Chemical Vapour Deposition). Glej "kemijsko naparjanje" časovna nihajna trdnost. Napetost, pri kateri se material poruši po določenem številu nihajev. črna temprana litina. Železova litina, ki jo dobimo iz bele litine z žarjenjem v nevtralni atmosferi. Cementit razpade v vozlasti grafit. črtna (linijska) analiza. Mikrokemijska analiza (EDS ali WDS) vzdolž črte. deformacija. Sprememba oblike in/ali prostornine. Deformacijo, pri kateri se spremeni le prostornina, imenujemo dilatacija. Deformacijo, pri kateri se spremeni oblika, pa distorzija. deformacijske celice. Celice, ki nastanejo pri plastični deformaciji. V stenah celic je mnogo večja gostota dislokacij kot v notranjosti celic. deformacijski dvojčki. Dvojčki ki nastanejo pri plastični deformaciji kovin. deformacijsko utrjanje. Utrjanje, ki ga povzroča navadno hladna plastična deformacija kovin. degradacija polimera. Poslabšanje lastnosti polimera s časom; predvsem zaradi delovanja okolja. dejanska napetost. Sila, deljena z dejanskim prečnim prerezom. dejanski raztezek. Tudi logaritemski. Podaljšanje merilne dolžine glede na dejansko (trenutno) merilno dolžino. delec α. Helijevo jedro, ki nastane pri radioaktivnem razpadu α. delec β. Elektron ali pozitron, ki nastane pri radioaktivnem razpadu β. delna ali parcialna dislokacija. Dislokacija, katere Burgersov vektor ni enak translacijskemu vektorju kristalne mreže. Njeno drsenje povzroči krajevno spremembo kristalne zgradbe. delno koherentna ali semikoherentna fazna meja. Fazna meja, ki ni v celoti koherentna. Nekatere ravnine se ne nadaljujejo iz ene faze v drugo. delovna točka. Temperatura, do katere lahko steklo preoblikujemo. dendrit. Neravnotežna oblika kristala. Nastane zaradi prednostne rasti kristalov v določenih smereh. V kubičnih kristalih je najhitrejša rast v smereh, ki so vzporedne robovom osnovne celice (družina smeri <100>). dendritna strjevalna fronta. Strjevalna fronta pri usmerjenem strjevanju z dendritno morfologijo dendritna veja. Izrastek iz dendritnega debla. Imenujemo jo tudi sekundarna dendritna veja. dendritno deblo. Veja dendrita usmerjena v smeri strjevanja. Pri usmerjenem strjevanju je mnogo večja od drugih vej. Imenujemo jo tudi primarna dendritna veja. diagram brez izrazite napetosti tečenja. Natezni diagram, pri kateri je prehod iz elastičnega v plastično področje zvezen. diagram z izrazito napetostjo tečenja. Natezni diagram, pri katerem je prehod iz elastičnega v plastično področje navadno povezan z nenadnim padcem napetosti. diamant. Ena od alotropskih modifikacij ogljika. V diamantu ima vsak atom ogljika štiri sp-orbitale (sp3-hibridizacija), ki so razporejeno pod kotom 109,5°. Tako vsak atom ogljika tvori vezi s štirimi sosednjimi ogljikovimi atomi. Te vezi so zelo močne, zato je diamant najtrša znana snov, je najboljši električni izolator in toplotni prevodnik. Ima zelo visoko sublimacijsko temperaturo in velik modul elastičnosti. difuzija. Posamično premikanje atomov v plinih, tekočinah in trdnih snoveh. V trdnih snoveh ločimo intersticijsko in substitucijsko difuzijo. difuzijska premena. Premena, pri kateri je potrebna difuzija atomov. Ločimo difuzijo kratkega in difuzijo dolgega dosega. difuzijsko lezenje. Lezenje, ki je odvisno od difuzije praznin. Praznine potujejo s kristalnih mej, kjer so natezne napetosti, h kristalnim mejam, kjer so tlačne napetosti (atomi pa seveda v obratni smeri). Pri nizkih temperaturah poteka difuzija pretežno po kristalnih mejah (Coblejevo lezenje), pri višjih temperaturah blizu tališča pa skozi kristalna zrna (HerringNabarrovo lezenje). Difuzijsko lezenje je tem hitrejše, čim manjša so kristalna zrna. difuzijsko metaliziranje. Obogatitev površine jekla s kovinskimi elementi. dilatacija. Sprememba prostornine. Nastane zaradi temperaturnega raztezanja (krčenja) snovi, ali pa jo povzroči hidrostatično napetostno stanje. dilatometrska krivulja sintranja. Krivulja, ki ponazarja spremembo mer sintranca pri kontinuirnem in izotermnem sintranju prahov. dilatometrska meritev. Meritev raztezanja in krčenja predmeta med segrevanjem oziroma ohlajanjem.
26. Slovarček
257
dinamična poprava. Poprava, ki poteka med vročo deformacijo. dinamična rekristalizacija. Rekristalizacija, ki poteka med vročo deformacijo. dipolna vez. Ena od molekulskih vezi, pri kateri delujejo privlačne vezi med polariziranimi atomi. diskontinuirno ali kratko vlakno. Kratko vlakno za utrjanje kompozitov. dislokacija. Enodimenzijska (črtna, linijska) napaka v kristalih, ki se lahko premika (drsi) pri mnogo manjših napetostih od teoretične strižne trdnosti. Dislokacija loči zdrseli del kristala od nezdrselega. dislokacijsko lezenje. Lezenje, ki je povezano z drsenjem in plezanjem dislokacij. dislokacijsko utrjanje. Utrjanje kovinskega gradiva zaradi povečanja gostote dislokacij. To navadno desežemo s hladno deformacijo. disociacija. Pretrganje kemijskih vezi v molekuli. disperzijska vez. Ena od molekulskih ali sekundarnih vezi. Je zelo šibka. disperzijsko utrjanje. Utrjanje osnov z drobnimi delci, ki so nekoherentni z osnovo. Utrjanje z Orowanovim mehanizmom. disperzna mikrostruktura. Dvofazna mikrostruktura, v kateri so delci faze β enakomerno razporejeni v osnovi α. Značilna je za izločevalno in disperzijsko utrjene materiale. disperzni delci. Drobni delci, ki so bolj ali manj enakomerno razporejeni v osnovi. disproporcionacija. Zaključitev rasti verige s pripojitvijo vodikovega atoma z druge verige na konec rastoče verige. distorzija. Sprememba oblike. Povzroči jo strižna napetost – napetostni deviator. dogovorna napetost tečenja. Napetost, ki povzroči določeno trajno deformacijo materiala. Navadno je to 0,2 % trajne deformacije (Rp0,2). dolgo vlakno. Glej kontinuirno vlakno. drsenje dislokacij. Premikanje dislokacije po drsnem sistemu, imenujemo drsenje. drsna ravnina. Kristalna ravnina, po kateri drsijo dislokacije. To je praviloma najgosteje zasedena ravnina v kristalu. drsna smer. Smer, v kateri drsi dislokacija. To je praviloma najgosteje zasedena smer v kristalu. drsna stopnica. Stopnica, ki nastane na površini materiala zaradi zdrsa dislokacije. drsni sistem. Drsni sistem je kombinacija drsne ravnine in drsne smeri. drsno trenje. Trenje med telesoma, ki drsita drugo ob drugem. drugi termodinamski zakon. Kvocient dQ/T je funkcija stanja. To je toplota, ki jo sistem sprejme pri konstantni temperaturi in ga imenujemo entropija S. dualna mikrostruktura. Dvofazna mikrostruktura, v kateri so delci faze β razporejeni le na stičiščih treh zrn faze α. Delci faze β se ne stikajo med seboj, njihov prostorninski delež je okoli 30 %. dualnost elektronov. Pojav, da se elektroni pri nekaterih pojavih obnašajo kot delci, pri drugih pa kot valovanje. duktilnost. Sposobnost materiala, da se lahko plastično deformira. dupleksna mikrostruktura. Dvofazna mikrostruktura, ki je sestavljena iz enako velikih kristalnih zrn faz α in β. Tudi prostorninska deleža obeh faz sta enaka. Delež mej αβ je dvakrat večji od deleža mej αα in ββ. duromeri. Močno zamreženo polimerno gradivo. So zelo trdi in krhki. duroplast. Glej duromer. dušilnost. Sposobnost dušenja mehanskih nihanj. dvodelni model. Model za izdelavo forme (livne votline), ki je sestavljen iz dveh delov. dvofazna usmerjena mikrostruktura. Mikrostruktura sestavljena iz dveh usmerjenih faz. Ločimo lamelno in paličasto mikrostrukturo. Ti mikrostrukturi lahko nastaneta »in-situ« dvofazno področje. Področje v faznem diagramu, v katerem sta v ravnotežju dve fazi. dvojčenje. Mehanizem plastične deformacije, ki zahteva veliko napetost in se navadno pojavlja pri nizkih temperaturah in v kovinah, ki imajo malo drsnih sistemov. dvojčična meja. Koherentna meja med dvojčkom in osnovo. eksotermna reakcija. Reakcija, pri kateri se toplota sprošča. ekstenzivne spremenljivke stanja. Termodinamske spremenljivke stanja, ki so odvisne od količine snovi. ekstruzija. Glej iztiskavanje. elastična deformacija. Deformacija, ki izgine po prenehanju delovanja sile. Tudi začasna ali prožna deformacija. elastomer. Šibko zamreženo polimerno gradivo. Imenujemo ga tudi guma. Za elastomer je značilno, da ga lahko močno elastično deformiramo (tudi 1000 %), ne da bi se plastično deformiral ali porušil.
- 258 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
električni izolator. Snov, ki ima veliko električno upornost in ne prevaja električnega toka. elektrodni potencial. Napetostna razlika med dvema elektrodama. elektrokemična korozija. Korozija v vodnih raztopinah, pri kateri potekata katodna in anodna reakcija, elektroni pa potujejo med anodnim in katodnim mestom. elektrolizno nanašanje. Nanašanje tankih plasti pod vplivom električnega toka. elektron. Osnovni delec, ki spada v družino leptonov. Ima maso 9,31×10–31 kg, negativen električni naboj e0 = 1,602×10–19 A s ter spin ½. elektronegativni element. Element, ki ima veliko elektronegativnost. elektronegativnost. Sila, s katero atom privlači valenčne elektrone v molekuli. elektronska afiniteta. Energija, ki se sprosti, ko atom sprejme dodatni elektron - postane anion. elektronska konfiguracija. Razporeditev elektronov po orbitalah. Tudi elektronska zgradba. elektronska ovojnica. Elektroni, ki krožijo okoli atoma. elektronski mikroskop. Mikroskop, ki preiskuje vzorec z elektroni. Najpomembnejša sta vrstični in presevni (transmisijski) elektronski mikroskop. elektronski par. Par elektronov, ki kroži v skupni orbitali okoli jeder dveh atomov, ki sta ju prispevala. elektronvolt. Energija, ki jo pridobi elektron, pri preletu potenciala 1 V. 1 eV = 1,6 × 10-19 J. elektropozitivni element. Element, ki ima majhno elektronegativnost. elektrostatična sila. Sila med mirujočimi nabitimi delci. emisijski spekter. Elektromagnetni spekter, ki nastane, pri prehodu snovi iz vzbujenega v osnovno energijsko stanje. enakoosna mikrostruktura. Mikrostruktura sestavljena iz enako velikih kristalnih zrn, ki imajo podobne mere v vseh smereh. enakoosni dendrit. Dendrit, ki ima približno enako velikost v vseh smeri. Nastanejo pri enakoosnem strjevanju. En dendrit je tudi eno kristalno zrno. enakoosno strjevanje. Odvod toplote je v vse smeri. V talini nastanejo kristalne kali, ki rastejo v vse smeri enako hitro. Praviloma rastejo v obliki enakoosnih dendritov. enakoosno zrno. Kristalno zrno, ki ima podobno velikost v vseh smereh. endotermna reakcija. Reakcija, pri kateri se toplota porablja. energijska elastičnost. Reverzibilne spremembe medatomskih razdalj in valenčnih kotov kovalentnih vezi. energijskodisperzijski spektrometer (EDS). Spektrometer, ki analizira energijo rentgenskih žarkov pri mikrokemijski analizi. enodelni model. Model za izdelavo forme (livne votline), ki je sestavljen iz enega dela. enofazna usmerjena mikrostruktura. Mikrostruktura sestavljena iz kristalnih zrn, ki so v določeni (določenih) smereh daljša (krajša) kot v ostalih. enovit kristal. Monokristal entalpija mešanja. Toplota, ki se sprosti pri mešanju komponent. entalpija, H. Toplota, ki jo sistem sprejme ali odda pri konstantnem tlaku. entropija mešanja. Sprememba entropije pri mešanju dveh ali več komponent. Z mešanjem se entropija povečuje. Zato so praviloma stabilnejše snovi, ki so pomešane – zmesi. entropija, S. Mera za nered snovi. To je tudi toplota, ki jo sistem (snov) sprejme pri konstantni temperaturi. entropijska elastičnost. Elastična deformacija, pri kateri se razpletajo makromolekulske verige. Povezana je z zmanjšanjem entropije in ni linearno odvisna od napetosti. epitaksija. Popolno ujemanje plasti s podlago. Med njima je koherentna fazna meja. epoksidna smola. Umetna smola, ki jo izdelujemo s kopolimerizacijo epoksidnih spojin s fenoli. eV. Glej elekronvolt. evtektična reakcija. Reakcija, pri kateri nastaneta(jo) pri ohlajanju iz taline dve ali več trdnih faz. V binarnih sistemih nastaneta iz taline dve trdni fazi. Proces poteka pri konstantni temperaturi, tlaku in določenih sestavah vseh sodelujočih faz. evtektični fazni diagram. Fazni diagram, v katerem poteka le ena invariantna evtektična reakcija. evtektik. Mikrostrukturna sestavina, ki nastane pri evtektični reakciji. V binarnih sistemih je sestavljena iz dveh faz. Trojni evtektik v ternarnih sistemih je sestavljen iz treh faz. evtektoidna reakcija. To je reakcija, ki poteka v trdnem stanju. Ena trdna faza razpade v dve drugi različni trdni fazi. V binarnem sistemu poteka ta reakcija pri konstantni temperaturi in določeni sestavi vseh faz. Najbolj znana evtektoidna reakcija poteka v ogljikovih jeklih, pri kateri iz avstenita nastane perlit.
26. Slovarček
259
evtektoidno jeklo. Jeklo, ki ima evtektoidno sestavo; pri počasnem ohlajanju razpade avstenit v celoti v perlit. faktor lomne žilavosti. Mera za koncentracijo napetosti na vrhu razpoke. fasetirana faza. Faza, ki je obdana z atomsko ravnimi ploskvami. Praviloma rastejo iz taline fasetirane faze, ki imajo veliko talilno entropijo. Med nje spada silicij. fasetirana rast. Rast kristala z ravnimi ploskvami. faza. Homogeno področje snovi z enakimi fizikalno-kemijskimi lastnostmi. fazna meja. Meja med dvema trdnima fazama. Obstajajo tri možnosti: koherentna (skladna) meja, semikoherentna (delno skladna) meja in nekoherentna (neskladna). fazna premena. Sprememba ali transformacija, pri kateri se spremeni število oziroma vrsta faz. fazni diagram. Diagram, ki ponazarja področja obstojnosti faz v eno-, dvo- ali večkomponentnih sistemih v odvisnosti od temperature, tlaka in koncentracije komponent. fenol-formaldehidna smola. Duromer izdelan s polimerizacijo fenola in metanala. Fenolne smole se uporabljajo za oplaščenje livarskih peskov. ferit. Trdna raztopina ogljika in drugih zlitinskih elementov v α-Fe (TCK) feritno jeklo. Jeklo, katerega mikrostruktura je sestavljena iz kristalnih zrn ferita. fibril. Vzporedna in zaporedna razporeditev kristalnih lamel v delno kristalnih termoplastih. fizija. Radioaktiven razpad nestabilnih atomskih jeder. fizikalno naparjanje (PVD). Našanje tankih plasti z naparevanjem ali naprševanjem. fleksibilizator. Aditiv polimernim gradivom, ki povečuje žilavost. forma. Orodnje z livno votlino, v katero ulijemo talino in po kateri dobi ulitek obliko. fotooksidacija. Reakcija prostih radikalov po fotorazpadu s kisikom. fotorazpad. Prekinitev kemijskih vezi v molekuli zaradi vpliva svetlobe. Frank-Readov vir dislokacij. Mehanizem nastajanja dislokacij pri plastični deformaciji. funkcionalna skupina. Atomi ali skupine atomov v molekuli, ki lahko reagirajo z drugimi molekulami. funkcionalnost. Število mest, na katerih se lahko na mer pripnejo nove molekule. fuzija. Zlitje lahkih jeder v težja. galvaniziranje. Nanašanje kovinskih prevlek na podlago z električnim tokom. gamageni element. Element, ki stabilizira fazo γ (avstenit) v zlitinah na osnovi železa. gašenje. Hitro ohlajanje z visoke temperature. Gaussova porazdelitev. Simetrična razporeditev okoli srednje vrednosti v obliki zvonaste krivulje. gel. Disperzija fino porazdeljenih trdnih delcev, ki tvorijo nekakšno mrežo, v katero so ujete kapljice tekočine. geometrični izomer. Polimerno gradivo, ki ima ob enaki kemični sestavi različne zgradbe. Gibbsova prosta energija. Del energije, ki se lahko spremeni v delo. Mera za fazno ravnotežje. Gibbsovo fazno pravilo. Gibbsovo fazno pravilo pove, koliko zunanjih spremenljivk (temperatura, tlak) ali koncentracij komponent se lahko spremeni, ne da bi se spremenilo število faz. Če je število prostostnih stopenj nič, morajo biti razmere konstantne. To je tako imenovana invariantna reakcija. Če je število prostostnih stopenj ena, govorimo o univariantni reakciji; ena zunanja spremenljivka se lahko spreminja v določenih mejah, ne da bi se spremenilo število faz. gladilo. Aditiv polimernemu gradivu, ki zmanjša viskoznost in zlepljanje polimerne zmesi ter olajša zapolnjevanje forme. glavne napetosti. Na element pri dani orientacije delujejo le glavne napetosti – to so normalne napetosti. Vse strižne napetosti so enake nič. glavne vezi. Vezi, pri katerih atomi izmenjujejo elektrone. Med nje spadajo ionska, kovinska in kovalentna vez. glavno kvantno število, n. Kvantno število, ki v največji meri določa energijo elektrona, ki kroži okoli atomskega jedra. Vrednosti glavnega kvantnega števila n so naravna števila. Lupina, ki je najbližja jedru, ima glavno kvantno število enako ena. Z oddaljevanjem od jedra se vrednost glavnega kvantnega števila povečuje. V spektroskopiji se namesto števil uporabljajo črke: K (n = 1), L (n = 2), M (n = 3)… glinica (Al2O3). Spojina, iz katere z elektrolizo pridobivamo aluminij. globinska ostrina. Sposobnost mikroskopov oziroma optičnih elementov, da vidimo ostro predmete na različnih oddaljenostih globoki vlek. Postopek natezno-tlačnega preoblikovanja pločevin. gnetne zlitine. Zlitine, ki dobijo končno obliko s plastičnim preoblikovanjem. gonilna sila. Razlika v prosti energiji med novo in začetno fazo, ki je osnova za potek fazne premene.
- 260 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
gostota dislokacij. Dolžina dislokacij v enoti prostornine (m/m3) GP-cone (Guinier-Prestonove cone). Majhna, v celoti koherentna področja topljenca, ki se izločajo iz trdne raztopine v začetku izločanja. gradivo. Snov, ki jo ljudje uporabljamo za gradnjo strojev in stavb, za izdelavo orodij ipd. grafit. Ena od alotropskih modifikacij ogljika. V osnovni ravnini je vsak atom ogljika povezan s tremi drugimi atomi ogljika. V ravnini je povezava med njimi zelo močna. Povezava med ravninami je pa šibka. Zato lahko ravnine drsijo ena preko druge. Zato se lahko grafit uporablja kot mazivo. granulat. Zrnat material. guma. Vrsta polimernega gradiva. Elastomer gumeno področje. Temperaturno področje, v katerem se polimerno gradivo obnaša kot guma. Hall-Petchova enačba. Enačba, ki povezuje napetost tečenja z velikostjo kristalnih zrn. halogeni elementi. Elementi 7. skupine Periodnega sistema elementov. HB. Oznaka za trdoto po Brinellu. HDPE. Polietilen z veliko gostoto (ang. high-density polyethilene). Heisenbergovo načelo nedoločljivosti. To pravilo pravi, da ne moremo hkrati natančno poznati položaja in gibalne količine atomskih delcev. Npr. energija elektrona v atomu je natančno znana, zato ne vemo natanko, kje se nahaja. Zato elektron kroži v prostoru, ki se imenuje orbitala. heterogena nukleacija. Nastanek nove faze na tuji fazi. Npr. nastanek kristala na tujem delcu v talini. Namerno dodajanje tujih delcev v talino, da dosežemo nastanek velikega števila kristalov, imenujemo cepljenje (inokulacija). heterogeni sistem. Sistem, ki je sestavljen iz več faz. heterogeno ravnotežje. Ravnotežje več faz. heteropolarna vez. Kovalentna vez med neenakimi elektronegativnimi elementi. HGZ. Kratica za heksagonalno gosto zloženo kristalno zgradbo. hibridizacija orbital. Nastanek novih orbital z združenjem osnovnih. hidrostatično napetostno stanje. Napetostno stanje, pri katerem deluje na telo z vseh strani enaka napetost (tlak). hitro strjevanje. Strjevanje, kjer dosežemo bistveno večje strjevalne hitrosti kot pri klasičnih postopkih litja. Posledica hitrega strjevanja je doseganje drobnejše mikrostrukture, prenasičene trdne raztopine z zlitinskimi elementi nad mejo največje ravnotežne topnosti, nastanek metastabilnih faz ipd. hladna deformacija. Plastična deformacija pod temperaturo rekristalizacije. Kovinski materiali se utrdijo. hladni zvar. Zvar med delci prahov pri hladnem stiskanju. hladno izostatsko stiskanje. Stiskanje prahov pri nizkih temperaturah, navadno v tekočem mediju. hladno preoblikovanje. Preoblikovanje pod temperaturo rekristalizacije. Kovinski materiali se utrdijo. homeopolarna vez. Kovalentna vez med elektronegativnimi elementi, ki imajo enako elektronegativnost. homogen sistem. Sistem sestavljen iz ene faze. Lastnosti so v vsaki točki enake. homogena ali enakomerna deformacija. Plastična deformacija, pri kateri se mere preskušanca enakomerno spreminjajo po celotni merilni dolžini. homogena nukleacija. Homogen nastanek kali nove faze v začetni fazi. Primer je nastanek kristala v talini. Nastanek je odvisen le od termodinamskih lastnosti taline in kristala. Navadno se homogena nukleacija lahko pojavi le pri velikih podhladitvah, zato je v praksi redka. homogena razteznost. Največji relativni raztezek epruvete pri nateznem preskusu, do katerega je deformacija homogena (enakomerni premer po celotni merilni dolžini). To je maksimumu v nateznem diagramu. homogenizacija. Tudi homogenizacijsko žarjenje. Žarjenje materiala pri sorazmerno visoki temperaturi (blizu tališča oziroma tik pod solidus temperaturo), da bi dosegli izenačitev kemijske sestave. Navadno odpravimo kristalne izceje, ki nastanejo pri neravnotežnem strjevanju zlitin in spremenimo obliko kristalnih zrn – nastanejo dendriti. homogenost. Enakomernost temperature, kemične sestave, lastnosti… po celotnem vzorcu. homopolimerizat. Polimerna veriga nastala le iz ene vrste monomera. Hookov zakon. V elastičnem področju sta napetost in raztezek linearno sorazmerna. Sorazmernostni faktor je modul elastičnosti E. HRB. Oznaka za trdoto po Rockwellu. Vtiskalno telo je jeklena kroglica. HRC. Oznaka za trdoto po Rockwellu. Vtiskalno telo je diamantni stožec.
26. Slovarček
261
Hundovo pravilo. Hundovo pravilo pravi, da elektroni polnijo zaporedoma enakovredne orbitale in to tako, da so njihovi spini poravnani. HV. Oznaka za trdoto po Vickersu. Vtiskalno telo je štiristrana diamantna piramida. idealna ali konfiguracijska entropija. Sprememba entropije pri nastanku idealne raztopine. idealna raztopina. V njej so atomi komponent naključno (statistično) razporejeni. Pri njenem nastanku se toplota niti ne sprosti niti ne porabi – entalpija mešanja je enaka nič. Spremeni se le entropija mešanja, ki je enaka idealni entropiji mešanja. idealni kristal. Neskončen kristal z urejeno zgradbo, brez kakršnih koli kristalnih napak. idealni strižni lom. Je možen le pri monokristalu. Plastična deformacija je omejena le na en drsni sistem in poteka le v omejenem številu drsnih ravnin. Plastična deformacija poteka, dokler zgornji del kristala ne zdrsi s spodnjega. idealni žilav lom. Pri natezni obremenitvi nastane na materialu – zaradi plastične nestabilnosti – zožitev, ki jo imenujemo vrat. Zaradi večje napetosti v vratu se plastična deformacija omeji le na področje vratu. Ta se tanjša tako dolgo, dokler se še zadnja dva atoma ne ločita drug od drugega. Kontrakcija ali zožitev Z je enaka 1 ali 100 %. impregnacija. Prepojitev sintranih izdelkov z oljem ali polimeri. imunost. Območje v Pourbaixovem diagramu, v katerem je material imun na korozijo; čeprav je izpostavljen korodirnemu mediju, ne korodira. indukcijsko kaljenje. Površinsko kaljenje jekel. Površino segrejemo v induktorju in jo hitro ohladimo. inertni plin. Plin, ki ne reagira z obdelovancem. infiltracija. Prepojitev sintranih izdelkov s tekočo kovino. iniciator. Snov, ki sproži začetek verižne polimerizacije. inkongruentno taljenje. Spojina pri segrevanju razpade v talino in neko drugo trdno snov (peritektična reakcija pri segrevanju). Sestava taline, ki pri tem nastane, ni enaka sestavi spojine. inokulacija. glej "cepljenje" in-situ evtektični kompozit. Kompozit, ki nastane z usmerjenim strjevanjem evtektične zlitine. intenzivne spremenljivke stanja. Termodinamske spremenljivke stanja, ki niso odvisne od količine snovi (npr. tlak, temperatura). interkristalna korozija. Korozija vzdolž kristalnih mej. interkristalni lom. Vrsta krhkega loma, pri katerem razpoka napreduje po mejah kristalnih zrn. To se zgodi takrat, ko so kristalne meje oslabljene zaradi segregacije nekaterih elementov ali zaradi prisotnosti krhke faze, ki mrežasto obdaja kristalna zrna. intermetalna spojina. Spojina med kovinskimi elementi. intermolekulska vez. Kemijska vez, ki povezuje različne makromolekule. intersticijska difuzija. Intersticijsko raztopljeni atom preskakuje iz vrzeli na vrzel (intersticijsko mesto). Atom lahko preskoči, če ima dovolj energije. intersticijska trdna raztopina. Trdna raztopina, v kateri atomi topljenca zasedajo vrzeli (intersticijska mesta) v kristalni mreži. intramolekulska vez. Kemijska vez, ki deluje med atomi v makromolekuli. invariantno ravnotežje. Fazno ravnotežje, kjer je število prostostnih stopenj enako nič. invar-zlitine. Zlitine, pri katerih je temperaturni razteznostni koeficient v določenem temperaturnem območju blizu nič – lastnost invar. Prve takšne zlitine so odkrili v sistemu Fe-Ni, lastnost invar pa se pojavlja tudi pri drugih zlitinah (npr. titanovih zlitinah, ki se plastično deformirajo z brezdislokacijskim mehanizmom – "gum metal"). inženirska napetost. Sila deljena z začetnim prečnim prerezom. Pri nateznem preskusu je inženirska napetost manjša, pri tlačnem pa večja od dejanske napetosti. ionizacijska energija. Energija, ki jo moramo dovesti, da atomu odstranimo zunanji elektron; atom postane kation. ionska implantacija. Sprememba kemijske sestave površine z obstreljevanjem površine z ioni. ionska vez. Vez, ki nastane med atomi, ki se močno razlikujejo v elektronegativnosti. Elekropozitivni atom odda elektron elektronegativnemu atomu, nastaneta iona, ki se privlačita z elektrostatsko silo.
ionsko platenje. Glej PACVD izločanje prahov iz plinske faze. Postopek izdelave keramičnih prahov. izloček. Delec faze, ki se je izločil iz trdne raztopine zlitine pri temperaturah manjših od temperature solvus. izločevalno utrjanje. Utrditev zlitine z drobnimi, enakomerno porazdeljenimi izločki v osnovi. Takšno porazdelitev izločkov navadno dobimo s toplotno obdelavo, ki sestoji iz topilnega žarjenja, gašenja in staranja. izmenični kopolimer. Monomera v kopolimeru sta izmenično – urejeno – razporejena.
- 262 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
izomerija. Medsebojna orientacija substituentov na določenem mestu v polimerni verigi. izomorfni fazni diagram. Fazni diagram s popolno topljivostjo komponent tako v tekočem kot tudi trdnem stanju. izostatsko stiskanje. Stiskanje prahov v tekočini ali plinu. Na stiskanec deluje iz vseh smeri enak tlak. izotermna reakcija. Reakcija, ki poteka pri konstantni temperaturi. izotermno žarjenje. Žarjenje, ki poteka pri konstantni temperaturi. izotop. Atomska jedra, ki imajo enako število protonov v jedru – torej imajo enako vrstno število, tako da pripadajo istemu elementu, vendar pa se razlikuje v masnem številu; to je številu nevtronov. izotropija. Lastnosti snovi so neodvisne od smeri preskušanja. Popolnoma izotropne snovi so amorfni materiali. Antonim: Anizotropija. iztiskavanje. Izdelovalna tehnika za dolge izdelke različnih prerezov, ko material z veliko silo potiskamo skozi matrico. vir dislokacij. Mesta v kristalu, kjer nastajajo dislokacije. vir praznin. Mesta v kristalu, kjer nastajajo praznine. jamičast lom. Žilav lom, pri katerem med plastično deformacijo nastajajo jamice, ki se nato združujejo med seboj. jamičasta korozija. Lokalna korozija v obliki globih izjed (ang. pitting) jamičasti lom. Pri natezni obremenitvi nastane na epruveti vrat. V vratu nastane trioosno napetostno stanje, ki omogoči nastanek jamic - por na delcih sekundarnih faz. Jamice ali pore se združujejo v večje jamice, kar na koncu privede do preloma. Jamičasta prelomna površina je značilna za večino prelomov žilavih materialov pri nizkih temperaturah, kot tudi pri visokih, ko se pojavlja še lezenje. jedro. Del, ki ga vstavimo v livno votlino, da nastanejo v ulitku prazni prostori. jeklena litina. Litina, ki ima enako sestavo kot jeklo, vendar svojo končno obliko dobi z litjem. jeklo. Kovna zlitina železa in 0,1 % do 1,9 % ogljika, ki se ji lahko dodajajo različni zlitinski elementi, kot so krom, nikelj, mangan, molibden, volfram, kobalt, vanadij, silicij, niobij. kalandriranje. Postopek za izdelavo trdih in mehkih folij iz PVC. kaljenje stekla. Postopek, pri katerem s krmiljenim ohlajanjem dosežemo tlačne napetosti v površinskem sloju stekla. kaljenje. Toplotna obdelava jekla. Jeklo segrejemo do avstenitnega področja (avstenitizacija) in ga hitro hladimo. Običajno je cilj doseči mikrostrukturo sestavljeno pretežno iz martenzita. Kot kalilno sredstvo se uporabljajo voda, olje, zrak ali polimerne raztopine. Po kaljenju je jeklo trdo in krhko, zato ga navadno popuščamo. kaljivost. Sposobnost jekla, da doseže pri kaljenju visoko trdoto, oziroma da se prekali do večjih globin. kanalski pojav. Pojav, da ioni prodrejo mnogo globlje v kristal, če so usmerjeni v smereh kristala z majhnimi Millerjevimi indeksi. karbidna trdina. Material, sestavljen iz karbidnih delcev npr. WC, ki so povezani z žilavo kovino (npr. kobaltom, nikljem ali železom). karbidotvorni element. Element, ki z ogljikom tvori karbid. karborund. Silicijev karbid, SiC. kation. Pozitivno nabit delec. katodna zaščita. Protikorozijska zaščita, pri kateri je zaščiteni predmet v električnem tokokrogu, katoda. kavčuk. Vrsta elastomera. Kellyjev mehanizem utrjanja. Utrditev povzročajo izločki, ki so koherentni (skladni) z osnovi. Koherentne izločke lahko dislokacije pri drsenju prerežejo, vendar je zato potrebna večja napetost kot za drsenje skozi osnovo brez izločkov. Kelvinova enačba. Povezava med parnim tlakom snovi in ukrivljenostjo fazne meje. kemična korozija. Korozija pri povišanih temperaturah brez prisotnosti vlage. kemijska vez. Vez med atomi v molekuli ali trdnini. kemijsko naparjanje (CVD). Nanašanje prevlek, pri katerem potekajo kemične reakcije. keramična gradiva. Skupina materialov, ki se odlikuje po visokem tališču, veliki trdnosti in trdoti, vendar majhni žilavosti. Med nje spadajo oksidi (korund), nitridi ali druge spojine. V keramičnih gradivih večinoma prevladuje mešana vez: kombinacija ionske in kovalentne. kermet. Kompozit sestavljen iz kovinske osnove in keramičnih delcev. kevlar. Vrsta aramidnih vlaken. kinetična združljivost. Sestavine kompozita so lahko dalj časa v termodinamičnem neravnotežju, ker procesi v smeri ravnotežja potekajo prepočasi. kinetika izločanja. Časovni potek izločanja iz trdne raztopine npr. pri izločevalnem utrjanju.
26. Slovarček
263
klaster. Majhen skupek atomov v talini, ki ima enako zgradbo kot trdna snov. koalescenca. Združevanje delcev, por... koherenten izloček. To je izloček, pri katerem se kristalne ravnine in smeri neprekinjeno nadaljujejo iz osnove skozi izloček. koherentna fazna meja. Fazna meja, pri kateri se kristalne ravnine ene faze neprekinjeno nadaljujejo v drugo. kohezijska trdnost. Napetost, ki povzroči porušitev gradiva. kombinacija. Zaključek rasti polimerne verige z združitvijo dveh krajših polimernih verig. komponenta. Osnovni gradnik faznega diagrama. Komponente so ponavadi kemijski elementi (npr. v faznem diagramu Al-Si sta komponenti elementa Al in Si) ali pa čiste spojine (npr. voda in alkohol – komponenti sta H2O in C2H5OH). kompozit. Sodoben material sestavljen iz dveh ali več različnih materialov. koncentracija napetosti. Lokalno povečanje napetosti ob konici razpoke, napakah v materialu in na mestih, kjer se spremeni prečni prerez. koncentracijski trikotnik. Trikotnik za ugotavljanje koncentracije komponent v ternarnem sistemu. konfiguracija polimera. Opisuje pri dani konstituciji medsebojno lego atomskih skupin ter njihovo razporeditev vzdolž polimerne verige. konformacija. Prostorska orientacija določenih atomskih skupin v polimerni verigi. Ločimo prekrito in stopničasto konformacijo. kongruentno taljenje. Pri kongruentnem taljenju spojine je sestava taline enaka sestavi trdne faze. Takšna spojina se tali pri konstantni temperaturi, enako kot čisti kemijski elementi. konkavna meja. Navznoter obrnjena (vbočena) meja. konoda. Del izoterme, ki povezuje dve fazi, ki sta v ravnotežju. Konec konode podaja kemijsko sestavo faze. konstitucija polimerov. Daje podatke o kemijski sestavi, razporeditvi in povezavi atomov in atomskih skupin v makromolekulah. Podaja zaporedje monomerov, vrst in dolžino vej, molske mase in njihovo porazdelitev. konstitucijsko podhlajena cona. Področje pred strjevalno fronto, kjer je temperatura taline nižja od temperature likvidus. kontinuirno ali dolgo vlakno. Dolgo vlakno za utrjanje kompozitov. kontinuirno litje. Neprekinjeno (zvezno) litje. kontrakcija, Z. Tudi zožitev. Relativno zmanjšanje prečnega prereza S: Z =
S 0 − Su (S0 – začetni prečni prerez, Su – končni S0
prečni prerez). Kontrakcija je tudi mera za žilavost materiala. Čim večja je, tem bolj žilav je material. Pri idealnem krhkem lomu je kontrakcija enaka 0, pri idealnem žilavem lomu pa 1. konveksna meja. Navzven obrnjena (izbočena) meja. koordinacijsko število. Število najbližjih sosedov, navadno v kristalu. kopolimer s cepljenimi stranskimi verigami. Homogena veriga monomera A s stranskimi vejami monomera B. kopolimerizat. Polimerna veriga nastala iz dveh ali več monomerov. korozija. Propadanje kovinskih gradiv pod vplivom okolice. korozijsko utrujanje. Korozija ob sočasnem delovanju korodirnega medija in izmeničnih mehanskih napetosti. kot omočljivosti. Kot med podlago in novonastalo fazo. Pojem je pomemben pri heterogeni nukleaciji. Čim manjši je kot omočljivosti, tem lažji je nastanek nove faze in obratno. kovalentna vez. Vez, pri kateri atomi tvorijo skupne elektronske pare. Ločimo nepolarno in polarno kovalentno vez. kovanje. Postopek plastičnega preblikovanja, pri katerem obdelovanec udarjamo s kladivom ali stiskamo. kovinska vez. Atomi oddajo elektrone v skupni elektronski oblak, ki zagotavlja kohezivnost. kovinsko gradivo. Kovina ali zlitina. kremenovo steklo. Steklo, ki ga izdelamo iz kremena, SiO2. krhki lom. Lom, pri katerem se porabi malo energije. Navadno je nenaden in zato neželen. krhkost v modrem. Krhkost, ki se pojavi, če jeklo popuščamo med 200 °C in 300 °C. krhkost. Majhna odpornost proti napredovanju razpok in lomu. kristal. Telo z urejeno notranjo zgradbo. Ločimo periodične in neperiodične kristale. kristaliničnost polimerov. Urejenost polimernih verig v treh dimenzijah. Možna je le v termoplastih, vendar nikoli ni popolna. kristalizacija. Prehod taline ali amorfne snovi v trdno kristalno stanje. kristalna anizotropija. Podobna orientacija kristalnih zrn v polikristalnem gradivu.
- 264 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
kristalna meja. Meja med dvema kristaloma – kristalnima zrnoma. Kristalne meje so debele za 2-3 atomske razdalje. Spadajo med dvodimenzijske kristalne napake. Kristalne meje so lahko vzvojne ali nagibne, glede na orientacijsko razliko med kristalnima zrnoma pa malokotne (do 15°) in velikokotne. kristalna napaka. Krajevno odstopanje od idealne zgradbe v kristalu. kristalna snov. Snov z urejeno notranjo zgradbo. kristalna zgradba. Razporeditev atomov v kristalu. kristalne izceje. Neenaka kemična sestava kristalov. Nastanejo zaradi neravnotežnega strjevanja trdne raztopine. Difuzijski procesi so običajno prepočasni, da bi lahko izenačili sestavo trdne faze. Odpravimo jih lahko s homogenizacijskim (difuzijskim) žarjenjem. kristalni sistemi. Razdelitev kristalov glede na števnost sučnih osi. kristalno zrno. V polikristalni snovi imenujemo posamezen kristal kristalit ali kristalno zrno. Kristalna zrna so ločena s kristalnimi mejami. Pri temperaturah, ko je lezenje zanemarljivo, se z zmanjševanjem velikosti kristalnih zrn povečuje napetost tečenja ter žilavost kovin. Pri visokih temperaturah zmanjšanje velikosti kristalnih zrn povzroči povečanje hitrosti lezenja. kritična trdota. Trdota jekla, ki ima v mikrostrukturi 50 % martenzita. kritični polmer. Kritični polmer delca pri homogeni oziroma heterogeni nukleaciji. kritični prostorninski delež vlaken. Delež vlaken, pri katerem je trdnost kompozita enaka trdnosti osnove. krivulja lezenja. Krivulja, ki predstavlja odvisnost deformacije pri lezenju od časa. Tipična krivulja lezenja je sestavljena iz področij primarnega, sekundarnega in terciarnega lezenja. krivulja likvidus. Krivulja v binarnem faznem diagramu, nad katero je obstojna tekoča faza. krivulja solidus. Krivulja v binarnem faznem diagramu, pod katero je vse strjeno. krivulja solvus. Krivulja nasičenosti v binarnem faznem diagramu, pod katero se začne iz trdne raztopine pri nižanju temperature izločati neka nova faza. krivulja tečenja. Krivulja, ki povezuje preoblikovalno trdnost kf in dejansko ali logaritemsko deformacijo ϕ. kromanje. Obogatitev površine jekla s kromom. kvalitativna kemijska analiza. Analiza, pri kateri ugotavljamo, kateri elementi so v vzorcu. kvantitativna kemijska analiza. Analiza, pri kateri ugotavljamo količino elementov v vzorcu. kvaziizotropija. Lastnost polikristalnih snovi, ki imajo v vseh smereh enake lastnosti, čeprav je vsak kristalit (kristalno zrno) anizotropen. kvazikristal. Trdna snov z urejeno zgradbo, ki pa nima periodičnosti. Larson-Millerjev parameter. Uporablja se pri opisovanju lezenja. Čas in temperatura sta povezana v skupnem parametru. laser. Naprava za proizvajanje koherentne svetlobe. lasersko legiranje. Legiranje površine s pomočjo laserja. lastnost elinvar. Lastnost nekaterih zlitin, da se s temperaturo modul elastičnosti ne spreminja. Pri normalnih materialih se modul elastičnosti zmanjšuje z višanjem temperature. LDPE. Polietilen z majhno gostoto (ang. low-density polyethilene). legirano jeklo. Jeklo, ki vsebuje enega ali več zlitinskih elementov, kot so Cr, Ni, Mo, W itd. lepilo. Glej adheziv. lepljenje. Spajanje delov z nanašanjem adheziva (lepila) na vmesno ploskev. lezenje. Pojav, da se material plastično deformira pri konstantni napetosti (obremenitvi), ki je manjša od napetosti tečenja materiala pri dani temperaturi. Predpogoj za lezenje je dovolj visoka temperatura (večja kot 0,4 Tt – tališča). Najpomembnejša mehanizma pri lezenju kovin sta dislokacijsko in difuzijsko lezenje. linearna polimerna veriga. Polimerna veriga, ki ima funkcionalne skupine le na svojih koncih. litje v enkratne forme. Litje v peščene forme, ki so samo za enkratno uporabo. litje v trajne forme. Litje v kovinske forme, ki so za večkratno uporabo. litje. Izdelava izdelkov z ulivanjem tekoče kovine v livno votlino. livna votlina. Prostor, v katerega ulijemo talino in ki da obliko ulitku. livne zlitine. Zlitine, ki dobijo končno obliko z litjem. livni sistem. Sistem livnih kanalov, po katerih priteče talina v livno votlino. livnost. Sposobnost taline, da teče in napolni livno votrino.
26. Slovarček
265
ločljivost (razločljivost). Najmanjša razdalja med dvema delcema, pri kateri ju še lahko razločimo. lom. Razdelitev materiala na dva ali več delov. lomna žilavost. Odpornost materiala proti napredovanju razpok. lotanje (spajkanje). Postopek spajanja kovinskih gradiv, pri kateri zlitina z nižjim tališčem zalije špranjo med spajanima deloma in ju po strditvi poveže. lunker. Prazen prostor v ulitku, ki nastane zaradi krčenja pri strjevanju. lupina. Skupno ime za orbitale, ki imajo enako glavno kvantno število. magnetna metoda. Postopek neporušitvene preiskave materialov. magnetno kvantno število, m. To število določa število orbital. Vrednosti so vsa cela števila med –l in l (l: stransko kvantno število). Npr. pri l = 0 (s – orbitala) je lahko m le 0, zato je v vsaki lupini le ena s – orbitala. Pri l = 1, so tri p-orbitale (m = -1, m = 0 in m = 1). magnetostrikcija. Širjenje in krčenje snovi pod vplivom spreminjajočega se magnetnega polja. magnetronsko naprševanje. Naprševanje z uporabo magnetnega polja za zgostitev plazme. makroizceje. Neenakost kemične sestave med sredino in površino ulitka. makromolekula. Molekula, ki vsebuje 106 atomov ali več. makrostruktura. Zgradba snovi, ki jo razločimo s prostim očesom ali pri majhnih povečavah. malokotna kristalna meja. Kristalna meja, ki deli kristalni zrni, katerih orientaciji se razlikujeta za manj kot 15°. Nagibna malokotna meja je sestavljena iz robnih dislokacij, ki so razporejene druga nad drugo. Z večanjem dezorientacije se razdalja med dislokacijami zmanjšuje, energija kristalne meje pa ustrezno povečuje. martempering ali breznapetostno kaljenje. Jeklo hitro ohladimo na temperaturo tik nad Ms-temperaturo in ga zadržujemo pri tej temperaturi, da se temperaturi plašča in jedra čim bolj izenačita. Najdaljši dovoljeni čas zadrževanja je čas, ko se začne izločati bainit. Zato moramo pred tem jeklo ohladiti pod Ms-temperaturo, da se avstenit spremeni v martenzit. Na ta način zmanjšamo velikosti notranjih napetosti. martenzit. Prenasičena (prisilna) trdna raztopina ogljika v α-železu. Nastane z brezdifuzijsko premeno avstenita. Po kaljenju ima tetragonalno kristalno zgradbo, pri popuščanju pa se pretvori v kubično. Po obliki ločimo letvasti in dvojčeni martenzit. Običajno zelo trd in krhek. martenzitna premena. Brezdifuzijska premena. martenzitno jeklo. Jeklo, z martenzitno mikrostrukturo. masni absorpcijski koeficient. Koeficient, ki podaja sposobnost snovi za absorpcijo X- in γ-žarkov. masni defekt. Masa, ki se pretvori v energijo pri nastanku atomskih jeder. masno število. Vsota protonov in nevtronov v jedru. material. Glej gradivo materialografija. Opis zgradbe materialov. matrica (votlica). Orodje, skozi katero vlečemo žico pri vlečenju.
meddendritni prostor. Prostor med dendriti. mehanika loma. Privzema, da so v materialu napake, ki povzročajo koncentracije napetosti. Zaradi njih se material poruši pri manjših napetosti od teoretične trdnosti. Z metodami mehanike loma lahko izračunamo največjo napetost, ki jo lahko prenese material, ki vsebuje napako določene velikosti, ne da bi se porušil. Če je podana napetost, s katero je material obremenjen, lahko izračunamo največjo kritično velikost napake, pri kateri se material nenadoma poruši. mehanizem izločanja. Način izločanja npr. pri izločevalnem utrjanju. mehanska združljivost. Podobnost temperaturnega razteznostnega koeficienta, elastičnih lastnosti ter plastičnosti matice in utrjevalne faze v kompozitnem materialu. mehanski preskus. Preskus, pri katerem ugotavljamo lastnosti materiala, ki jih obremenimo z mehansko silo. mehko žarjenje. Žarjenje s ciljem, da bi dosegli kar se da manjšo trdoto materiala. Pri toplotni obdelavi jekel je to toplotna obdelava, pri kateri spremenimo lamelni perlit v kroglastega ali zrnatega. Gonilna sila je zmanjšanje površinske energije med cementitom in perlitom. melirana litina. Železova litina, ki ima v mikrostrukturi tako grafit kot tudi cementit. mer. Ponavljajoča se enota v polimeru. merila tečenja. Tudi kriteriji ali pogoji tečenja. Kriterij, s katerim v večosnem napetostnem stanju ugotovimo ali se bo material preoblikoval ali ne. Najbolj znana sta kriterija po von Misesu in Tresci. metalografija. Veda, ki se ukvarja z opisom zgradbe kovin.
- 266 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
metalurgija prahov. Postopki izdelave kovinskih gradiv iz prahov. metastabilno ravnotežje. V tem stanju ima sistem večjo prosto energijo kot v stabilnem ravnotežju. Vendar potrebuje za prehod neko aktivacijsko energijo. Npr. cementit Fe3C ima večjo prosto energijo kot grafit, vendar se sam od sebe ne more spremeniti v grafit. Mf-temperatura. Temperatura, pri kateri se pri ohlajanju konča nastajanje martenzita. mikroizceje ali kristalne izceje. Neenakost kemične sestave na mikronivoju. mikrokemična materialografija. Ugotavljanje kemijske sestave gradiv v nano- in mikropodročju. mikrokemijska analiza. Kemijska analiza v nano- in mikropodročju. Praviloma poteka v elektronskem mikroskopu. Elektronska mikroanaliza. mikrostruktura. Navadno jo definiramo kot kristalno zgradbo s kristalnimi napakami, ki jo lahko opazujemo z mikroskopi. mikrostrukturna anizotropija. Kristalna zrna usmerjena v eni ali dveh smereh. mikrostrukturna sestavina. Homogen ali heterogen del mikrostrukture. Primer: Podevtektoidno jeklo je iz dveh mikrostrukturnih sestavin: predevtektoidnega ferita in perlita. Predevtektoidni ferit, ki nastane z izločanjem ferita iz avstenita pod temperaturo A3, je homogena mikrostrukturna sestavina. Po drugi strani je perlit, ki nastane z evtektoidnim razpadom avstenita pri A1, heterogena mikrostrukturna sestavina, saj je iz ferita in cementita Fe3C. Miller-Bravaisovi indeksi. Indeksi za označevanje kristalnih ravnin in smeri v heksagonalnih kristalih. Millerjevi indeksi. Indeksi za označevanje kristalnih ravnin in smeri. minimalni prostorninski delež vlaken. Delež vlaken, pri katerem se pojavi utrditev kompozita z vlakni. množina snovi. Osnovna veličina mednarodnega sistema enot. močna jedrska sila. Sila, ki privlači med seboj jedrske delce. modificiranje (cepljenje) sive litine. Postopek zmanjšanja velikosti grafitnih lističev v sivi litini. modul elastičnosti E. Sorazmernostni faktor med napetostjo in raztezkom v elastičnem območju. Tudi Youngov ali prožnostni modul, ki pa velja le za vzdolžno smer. modul lezenja. Modul za ovrednotenje viskoelastičnega obnašanja polimernih materialov. Mohrov krog. Metoda za grafično predstavitev napetostnega stanja v ravnini ali prostoru. mol. Enota za množino snovi. molekula. Spojina določenega števila in vrste atomov. molekulska vez. Glej van der Waalsova vez. molska masa. Masa mola atomov ali molekul. monokristal. Enovit kristal. Kristalografske značilnosti so enotne za celoten kristal. Primer: lopatica letalskega motorja je lahko monokristal. Monokristal lahko izdelamo s primernim usmerjenim strjevanjem. monomer. Maloatomna molekula, iz katere nastane polimer. monotektična reakcija. Reakcija, pri kateri talina razpade v talino z drugačno kemijsko sestavo in trdno fazo. monotektični fazni diagram. Fazni diagram, v katerem poteka monotektična reakcija mrežasta mikrostruktura. Dvofazna mikrostruktura, v kateri delci faze β mrežasto obdajajo zrna faze α. mrežno mesto. Mesto v kristalni mreži, ki jo praviloma zaseda atom ali ion. mrežno trenje. Odpor kristala proti drsenju dislokacij. Ms-temperatura. Temperatura, pri kateri začne pri ohlajanju iz avstenita nastajati martenzit. nadevtektoidno jeklo. Jeklo, pri katerem se iz avstenita pri ravnotežnem ohlajanju izloča sekundarni cementit. naključni kopolimer. Monomera v kopolimeru sta naključno razpojena. nanašanje iz plinske faze. Nastajanje tankih plasti na materialu za povečanje korozijske, obrabne in toplotne odpornosti. Najpogostejša postopka nanašanja sta fizikalno (PVD) in kemijsko (CVD) naparjanje. napajalnik. Del, iz katerega priteka rezervna talina pri strjevanju ulitka, da ne bi v ulitku nastal lunker. napaka zloga. Napaka v zaporedju kristalnih ravnin. naparevanje. Fizikalno naparjanje z uparevanjem snovi, ki jo nanašamo. naparjanje. Glej nanašanje iz plinske faze. napetost tečenja. Napetost, ki je potrebna, da material preide iz elastičnega v plastično področje. Ločimo dogovorno napetost tečenja Rp0,2, ki jo ugotavljamo v nateznih diagramih brez izrazite napetosti tečenja, ter spodnjo ReL in zgornjo ReH napetost tečenja, ki ju ugotavljamo v diagramih z izrazito napetostjo tečenja. napetost. Sila deljena s površino, na katero deluje. Običajno je podana v MPa ali N mm–2.(1 MPa = 1 N mm–2.)
26. Slovarček
267
napetostna relaksacija. Zmanjšanje elastičnih napetosti s časom pri konstantni deformaciji. Elastična deformacija se spreminja v plastično. napetostni deviator. Nesimetrični del napetostnega tenzorja. napetostni tenzor. Predstavitev napetostnega stanja v obliki tenzorja. Diagonalni elementi so normalne napetosti, ostali so strižne napetosti. napetostno žarjenje. Žarjenje, pri katerem želimo zmanjšati notranje napetosti v materialu. Temperatura tega žarjenja mora preseči ~0,3 tališča kovine, kajti k relaksaciji (zmanjšanju) napetosti prispevajo difuzijski procesi. napetostno-korozijsko pokanje. Korozija pod vplivom mehanske napetosti in korodirnega medija. napredovanje razpoke (stabilno, nestabilno). Podaljševanje razpoke. Stabilno: za napredovanje razpoke moramo obremenitev povečati; nestabilno: ob napredovanju razpoke se obremenitev zmanjšuje. naprševanje. Nanašanje prevleke, pri čemer atome v viru uparimo s plazmo. nasičene spojine. Organske spojine z enojno vezjo med atomi. nasipna gostota. Gostota nasutega prahu. natezna trdnost. Največja inženirska napetost, ki jo zdrži material, ne da bi se porušil. To je največja sila, ki jo dosežemo pri nateznem preskusu, deljena z začetnim prečnim prerezom. natezni diagram. Diagram, na katerem je prikazana medsebojna odvisnost med napetostjo in raztezkom. Pri kovinah ločimo diagram z izrazito napetostjo tečenja (pogost pri konstrukcijskih jeklih) ter diagram brez izrazite napetosti tečenja (velja za večino drugih kovin). natezni preskus. Preskus, pri katerem obremenimo material z enoosno natezno napetostjo; navadno do porušitve. natezno preoblikovanje. Pri preoblikovanju prevladujejo natezne napetosti. nedrsljiva ali sesilna dislokacija. Dislokacija, ki ne more drseti. Njen Burgersov vektor ne leži v drsni ravnini. nefasetirana rast. Rast z atomsko hrapavo strjevalno fronto. nekoherentna fazna meja. Kristalne ravnine dveh sosednjih faz se ne ujemajo med seboj. nekoherentni izloček. To je izloček, katerega kristalne ravnine in smeri se ne nadaljujejo iz izločka v osnovo, ker se njuni kristalni zgradbi preveč razlikujeta. nekovinski vključek. Delec nekovinskega materiala v kovini. To so običajno delci žlindre, ognjevzdržne obzidave ipd. Nekovinski vključki neugodno vplivajo na lastnosti kovine: zmanjšajo žilavost in trdnost materiala. nenasičene spojine. Organske spojine z dvojno ali trojno vezjo med atomi. neperiodični kristal. Kristal z urejeno notranjo zgradbo, vendar brez periodičnosti (npr. kvazikristal). nepolarna ali homeopolarna vez. Kovalentna vez med istovrstnimi atomi. Ti atomi imajo enako elektronegativnost. neporušitvene preiskave. Preiskave materiala, pri katerem materiala ne poškodujemo oziroma porušimo in ga uporabimo za namen, za katerega je bil izdelan. Najbolj pogoste metode so ultrazvočne preiskave, rentgenska in gama defektoskopija, preiskave z nevtroni, penetranti, magnetne metode… neravnotežno strjevanje. Strjevanje, ki ne poteka skladno z razmerami v ravnotežnem faznem diagramu. nestacionarna difuzija. Difuzija, pri kateri se koncentracije komponent s časom spreminjajo. nestehiometrična spojina. Razmerje med komponentami ni konstantno. Spojina je obstojna v bolj ali manj širokem koncentracijskem območju. Praviloma se področje obstojnosti spreminja s temperaturo. nevtron. Osnovni delec, ki sestavlja jedra atomov. Njegova masa je 1,6 × 10-27 kg, električno pa je nevtralen. nevtronska defektoskopija. Ugotavljanje napak v gradivih z uporabo nevtronov. ničti termodinamski zakon. Če sta v toplotnem ravnotežju tako telesi A in B kot tudi A in C, sta v toplotnem ravnovesju tudi telesi B in C. Toplotni tok (energija) teče od telesa z višjo k telesu z nižjo energijo. nitridiranje. Površinsko plast (jekla) obogatimo z dušikom v primernem plinastem ali tekočem sredstvu pri temperaturi okoli 600 °C. Nastanejo nitridi, ki utrdijo površinsko plast. Tik ob površini lahko nastane spojinska plast, preostali del je difuzijska plast. Izboljšajo se odpornost proti koroziji, obrabi ter trajna nihajna trdnost. nodularna litina. Železova litina s kroglastim grafitom. normaliziranje. Tudi normalizacijsko žarjenje. Toplotna obdelava jekla, ki sestoji iz avstenitizacije in ohlajanja na zraku. Pri tem dosežemo drobna kristalna zrna ferita in perlita, kakor tudi drobnolamelni perlit. normalna napetost. Napetost, ki deluje pravokotno na ravnino. Lahko je natezna ali tlačna. normalne blokovne izceje. Neenakost v kemični sestavi ulitka. Ob površini je koncentracija topljenca manjša kot v sredini ulitka, če je porazdelitveni koeficient k manjši kot 1 in obratno, če je k > 1. normalni evtektik. Evtektik z urejeno, periodično razporeditvijo sestavin.
- 268 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
notranja energija, U. Toplota, ki jo sistem sprejme ali odda pri konstantni prostornini (volumnu). notranja napetost. Napetost v gradivu brez prisotnosti zunanjih obremenitev. nukleacija. Tvorba kali za nastanek nove faze. Pojem je pomemben pri faznih premenah (transformacijah). Ločimo homogeno in heterogeno nukleacijo. nukleacijska hitrost. Hitrost nastajanja nove faze. Izražena je s številom delcev, ki nastanejo v enoti prostornine in v enoti časa. Ločimo homogeno in heterogeno nukleacijsko hitrost. nukleacijsko delo. Delo, ki je potrebno za nastanek nove faze. Največje nukleacijsko delo je pri homogeni nukleaciji. Pri heterogeni je manjše. nukleoni. Delci, ki sestavljajo jedro. Protoni in nevtroni skupaj. obrabna trdnost. Odpornost materiala pred neželeno obrabo površine. obratne blokovne izceje. Neenakost kemične sestave ulitka. Ob površini je koncentracija topljenca večja kot v sredini ulitka, če je porazdelitveni koeficient k manjši kot 1 in obratno, če je k > 1. Nasprotno kot pri normalnih blokovnih izcejah. odbiti elektroni. Primarni elektroni, ki se odbijejo od vzorca. odprt termodinamski sistem. Sistem, ki z okolico izmenjuje tako toploto kot tudi snov. ogljikov ekvivalent. Iz kemične sestave jekla izračunana vrednost jekla, ki podaja občutljivost jekla na razpokanje. ogljikov kompozit. Osnova in utrjevalna faza sta iz istega materiala: ogljika. ogljikova vlakna. Vlakna za utrjanje kompozitnih gradiv. ogljikovo jeklo. Jeklo, v katerem je ogljik glavni zlitinski element. ogljikovodik. Spojina sestavljena le iz atomov ogljika in vodika. ogrodje polimerne verige. Navadno so to med seboj povezani ogljikovi atomi. ohlajevalna krivulja. Spreminjanje temperature s časom. Pri invariantnih reakcijah se na krivulji pojavi postojišče. Pri univariantnih reakcija pa se le hitrost ohlajanja zmanjša. oksidacija. Povečanje oksidacijskega stanja atoma. Tudi spajanje atomov s kisikom. oksidacijska atmosfera. Atmosfera, ki omogoča oksidacijo. oktaeder. Pravilno geometrijsko telo z osmimi enakimi ploskvami – enakostraničnimi trikotniki. Oktaeder ima šest oglišč. oktaedrska vrzel. Intersticijsko mesto (prazen prostor) med šestimi dotikajočimi se kroglami (atomi). Ko povežemo središča krogel s črtami nastane oktaeder. orbitala. Prostor okoli atoma, v katerem krožijo elektroni. To je prostor, v katerem je 95 % verjetnost, da je v njem elektron – oziroma prostor, v katerem je 95 % mase elektrona. Orowanov mehanizem utrjanja. Utrjanje osnove z nekoherentnimi izločki. Pri drsenju dislokacije izločke obidejo. osnova kompozita. Zvezna faza kompozita. Lahko je kovinska, keramična ali polimerna. osnovna celica. Najmanjši del kristala, ki ima vse njegove značilnosti. Z zlaganjem v vseh treh smereh prostora lahko zgradimo poljubno velik kristal. Ostwaldovo zorenje. Proces ogrobitve izločkov. PACVD (plasma assisted chemical vapour deposition). Hibridni postopke nanašanje tankih prevlek. PAN (poliakrilonitril). Vrsta polimernega materiala. paralelepiped. Geometrijsko telo s šestimi ploskvami. Nasprotne ploskve so med seboj vzporedne. pas prekaljivosti. Področje med spodnjo in zgornjo krivuljo Jominy. pasivacija. Nastanek pasivne plasti na površini kovinskega gradiva v korodirnem mediju, ki ga ščiti pred nadaljnjo korozijo. Paulijevo izključitveno načelo. Isto energijsko stanje lahko zasedata dva elektrona, ki se med seboj razlikujeta vsaj v enem kvantnem številu. Isto orbitalo (trojica število n, l in m) lahko zasedata največ dva elektrona, ki se morata razlikovati v spinu. PCK. Kratica za ploskovno centrirano kubično kristalno zgradbo PE (polietilen). Vrsta polimernega materiala s formulo (-CH2-CH2-)n. Peierls-Nabbarova sila. Glej mrežno trenje. periodični kristal. Kristal, v katerem so gradniki periodično razporejeni v prostoru. periodni sistem elementov. Sistematična razporeditev kemijskih elementov v odvisnosti od njihovih lastnosti (elektronske zgradbe)
26. Slovarček
269
peritektična reakcija. V binarnih sistemih je to reakcija, pri kateri primarno izločena faza reagira s preostalo talino in nastane nova trdna faza. Med reakcijo nova trdna faza obda primarno izločeno. Proces se lahko le nadaljuje ob difuziji zlitinskih komponent skozi novo trdno fazo. Ta je navadno prepočasen, zato reakcija le redko poteče do konca. peritektični fazni diagram. Fazni diagram, v katerem poteka peritektična reakcija. perlit. Mikrostrukturna sestavina v jeklih. Nastane pri evtektoidni reakciji. Navadno je sestavljen iz lamel ferita in cementita – tega imenujemo lamelni perlit. Poznamo tudi kroglasti (zrnati) perlit ali sferoidit, pri katerem so okrogli delci cementita razporejeni v osnovi iz ferita. perlitno jeklo. Jeklo, ki ima mikrostrukturo sestavljeno iz perlita. pH. Merilo za kislost raztopin. piezoefekt. Ob krčenju in raztezanju nekaterih kristalov se na nasprotnih ploskvah pojavi električni naboj. Z izmeničnim krčenjem in raztezanjem lahko proizvajamo izmenično električno napetost. Velja pa tudi nasprotno: če na nasprotni zunanji ploskvi kristala priključimo izmenično električno napetost se bo izmenoma krčil in raztezal. Ob dovolj visoki frekvenci izmenične napetosti proizvajamo ultrazvok. pigment. Barvni dodatek polimernim materialom. Npr. drobno zmleti TiO2, ki se enakomerno dispergira v polimeru. pihanje votlih teles. Postopek oblikovanja polimernih materialov. Preoblikovance v vročem plastičnem stanju stisnemo v forme za pihanje in jih z zrakom napihnemo do sten forme. Pilling-Bedworthovo razmerje. Razmerje med prostornino oksida in kovine. plamensko kaljenje. Površinsko kaljenje jekla s hitrim segrevanjem površine s plamenom in takojšnjim ohlajanjem. plastična deformacija. Trajna deformacija. Sprememba oblike, ki po razbremenitvi ne izgine. Kovinski materiali ter termoplasti (vrsta polimernih gradiv) se dobro plastično preoblikujejo. plastomer. Glej termoplast. plazemsko nabrizgavanje. Nanašanje prevlek s segrevanjem prahu v plazmi in usmeritvijo na površino obdelovanca. plezanje dislokacije. Spuščanje ali dviganje robne dislokacije ob difuziji praznin od dislokacije ali k dislokaciji. plinska poroznost. Poroznost ulitka zaradi izločanja plinov pri strjevanju. ploskev likvidus. Ploskev v ternarnem faznem diagramu, nad katero je zlitina v tekočem agregatnem stanju. ploskovna analiza. Mikrokemijska analiza ploskve na vzorcu. ploskovna napaka. Dvodimenzijska napaka v gradivu; npr. kristalna meja. PMMA (polimetilmetakrilat). Tudi pleksi steklo. Vrsta prozornega polimernega materiala. poboljšanje. Kaljenje in visokotemperaturno popuščanje. Jeklu se močno poveča žilavost, zato se lahko uporabi za izdelavo dinamično obremenjenih elementov; npr. gredi. podevtektoidno jeklo. Jeklo, pri katerem se iz avstenita pri ravnotežnem ohlajanju izloča predevtektoidni ferit. podhladitev. Ohladitev snovi pod temperaturo, do katere je termodinamsko stabilna. Npr. talina je termodinamsko stabilna do tališča. Pod tališčem je stabilna trdna snov. Če talino ohladimo pod tališče, govorimo o podhladitvi. Definiramo jo kot temperaturno razliko med tališčem in temperaturo, do katere smo jo ohladili. podhlajena talina. Talina v temperaturnem področju med tališčem Tt in stekliščem Tg. Pod stekliščem Tg se spremeni v amorfno (steklasto) snov. področje dinamične poprave. Področje plastične deformacije monokristala, kjer vijačne dislokacije prečno drsijo. področje lahkega lezenja. Področje plastične deformacije monokristala, kjer je deformacijsko utrjanje zelo majhno. področje linearnega utrjanja. Področje plastične deformacije monokristala, kjer je deformacijsko utrjanje zelo močno. področje paraboličnega utrjanja. Glej področje dinamične poprave. področje viskoznega tečenja. Temperaturno področje, v katerem polimerni material viskozno teče. podzrno. Del kristalnega zrna, ki je od ostalih podzrn ločen z malokotnimi kristalnimi mejami. Poissonovo število. Razmerje med skrčkom v prečni smeri in raztezkom v vzdolžni smeri v območju elastične deformacije. polarna ali heteropolarna vez. Kovalentna vez med raznovrstnimi atomi, ki se razlikujejo v elektronegativnosti. poliadicija. Polimerizacija iz dveh ali več različnim monomerov, pri kateri se ne odcepi stranski produkt. poliester. Polimerni material, ki nastane pri polimerizaciji tereftalata in etilenglikola. poligonizacija. Proces, pri kateri se dislokacije enakega predznaka razvrstijo druga na drugo, pri čemer nastane malokotna kristalna meja in s tem podzrno. polikondenzacija. Glej stopenjska polimerizacija. polikristal. Gradivo sestavljeno iz več kristalnih zrn. polimer. Makromolekula sestavljena iz manjših ponavljajočih se enot – merov.
- 270 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
polimerizacija. Spajanje enakih monomerov v polimer. polimerna mešanica. Polimerni material nastal z mehanskim mešanjem različnih polimerov. polimerna zlitina. Heterogene zmesi sestavljene iz več homopolimerov ali kopolimerov. polimerno gradivo. Organski materiali zgrajeni iz polimerov, ki so verigam podobne makromolekule. polkovina (metaloid). Kemijski element, ki ima lastnosti delno podobne kovinam in delno nekovinam. polnilo. Aditiv polimernim materialom, ki izboljša njihove mehanske lastnosti ter zmanjša porabo osnovnih polimerov. ponor praznin. Mesto v kristalu, kjer praznine izginjajo. popolna dislokacija. Dislokacije, katere Burgersov vektor je enak translacijskemu vektorju v kristalu. poprava. Proces, ki poteka pri žarjenju hladno deformiranih kovin. To je prva stopnja pri rekristalizacijskem žarjenju. Med popravo se oblika in velikost kristalnih zrn ne spremeni. Izničujejo se točkaste napake in dislokacije v kristalnih zrnih. Dislokacije istega predznaka se razporedijo druga nad drugo – poligonizacija. Nastanejo malokotne kristalne meje, ki razdelijo posamezno kristalno zrno na več podzrn. popuščanje. Segrevanje jekla po kaljenju na temperaturo, ki leži med sobno temperaturo in temperaturo A1. Jeklo izgubi del trdnosti in trdote, poveča pa se mu žilavost. Ločimo nizko-, srednje- in visokotemperaturno popuščanje. popuščna krhkost. Krhkost, ki se pojavi pri popuščanju jekel pri temperaturah okoli 500 °C. popuščni parameter. Parameter, ki povezuje čas t in temperaturo T popuščanja. Če je popuščni parameter pri dveh različnih temperaturah in časih enak, je enak tudi učinek popuščanja (npr. doseže se enaka trdota). popuščno žarjenje stekla. Toplotna obdelava stekla, s katero zmanjšamo velikost preostalih napetosti. porazdelitveni koeficient. Razmerje med koncentracijo topljenca v trdni raztopini in talini med strjevanjem. Če je k < 1, potem je v trdnini manj topljenca kot v talini. V tem primeru vsebuje trdna raztopina na začetku strjevanja manj topljenca kot na koncu. Če se koncentracija topljenca v trdni raztopini ne izenači, nastanejo kristalne izceje. postopek Croning. Izdelava form za litje iz oplaščenih peskov. potencialni lonec. Poglobitev krivulje energija – razdalja med atomi v okolici ravnovesne lege. Pourbaixov diagram. Diagram elektrodni potencial – kislost (E – pH). Pomemben pri koroziji. povečava. Razmerje med velikostjo objekta na sliki in v naravi. površinska energija. Dodatna energija, ki jo ima površina proti notranjosti snovi. površinsko kaljenje. Kaljenje zunanje površine z namenom, da dobimo trdo površino ter mehko in žilavo notranjost. PP (polipropilen). Vrsta polimernega materiala. pravilo mešanic. Nekatere lastnosti so linearno sorazmerne deležu sestavin in se gibljejo med lastnostmi obeh komponent. praznina. Točkasta kristalna napaka. Mrežno mesto, ki ga v idealnem kristalu zaseda atom, je prazno. Koncentracija praznin narašča z večanjem temperature. Omogoča substitucijsko difuzijo v trdnih snoveh. prečno drsenje dislokacije. Drsenje vijačne dislokacije iz enega v drugi drsni sistem. predevtektoidni ferit. Ferit, ki se izloča iz avstenita pred začetkom evtektoidne reakcije. prehod od homogene k nehomogeni deformaciji. Pojav neenakomerne deformacije na določenem delu preskušanca v plastičnem področju; nastanek vratu. prehodna kovina. Kovina, ki ima delno zapolnjene d-orbitale prehodna temperatura žilavosti. Temperatura, pri kateri material prehaja iz krhkega načina loma k žilavemu ali obratno. Ugotavlja se na več načinov, zato so tudi vrednosti teh temperatur za isti material različne. Na primer: NDT (Nill Ductility Temperature) Temperatura ničelne duktilnosti je temperatura, pri kateri pade vrednost udarne žilavosti materiala na nič; FDT (Full ductility temperature) Temperatura popolne duktilnosti je temperatura, od katere ima material največjo udarno žilavost. prekaljivost. Sposobnost jekla, da se prekali po celotnem prečnem prerezu. Navadno je definirana kot pravokotna razdalja od površine, kjer je v mikrostrukturi 50 % martenzita. Trdoto jekla na tej razdalji imenujemo kritična trdota. premenska napetost. Notranja napetost v gradivu, ki je nastala zaradi neenakomernega poteka premene po prerezu. premenski diagram. Diagram, ki prikazuje spreminjanje deleža faz oziroma mikrostrukturnih sestavin s temperaturo in časom. Ločimo izotermne in kontinuirne premenske diagrame. premensko utrjanje. Glej transformacijsko utrjanje. preoblikovalna trdnost. Napetost, ki je potrebna, da gradivo v danih razmerah preide v plastično stanje. preoblikovanje. Izdelovalni postopek, brez odvzemanja materiala. preostala notranja napetost. Notranja napetost v gradivu, ki ima povsod enako temperaturo v odsotnosti zunanjih obremenitev. presevni elektronski mikroskop. glej Transmisijski elektronski mikroskop
26. Slovarček
271
preskus Jominy. Preskus za ugotavljanje prekaljivosti jekel. preskus kaljivosti Jominy. Standardiziran preskus kaljivosti jekla. Jeklen valj hladimo po avstenitizaciji samo s čela z vodnim curkom. Hitrost ohlajanja in s tem tudi trdota pojema z oddaljenostjo od kaljenega čela. Potek trdote v odvisnosti od oddaljenosti od kaljenega čela prikažemo s krivuljami Jominy. preskus s tekočino. Neporušitveni preskus za ugotavljanje napak na površini. prevodni elektron. Elektron, ki se lahko prosto giblje v snovi in prispeva k električni prevodnosti. primarna faza. To je faza, ki se sama izloča neposredno iz taline. primarna rekristalizacija. Proces pri rekristalizacijskem žarjenju, kjer se deformirana kristalna zrna nadomestijo z nedeformiranimi. primarna vez. Močna vez atomi. Atomi pri tem izmenjajo elektrone. Kovinska, ionska in kovalentna vez. primarni cementit. cementit, ki se izloča iz taline. primarno lezenje. Začetno področje lezenja. Hitrost deformacije se s časom zmanjšuje. pristnost (avtentičnost) vzorca. Ohranitev mikrostrukture vzorca pri materialografski pripravi. projekcija ploskve likvidus. Projekcija ploskve likvidus na koncentracijski trikotnik. prosta energija. Del energije sistema, ki ga lahko pretvorimo v delo. Poznamo Gibbsovo prosto energijo G (konstanten tlak) in Helmholtzovo prosto energijo F (konstantna prostornina). Sistem je v termodinamskem ravnotežju, ko je prosta energija minimalna. prosti elektron. Elektron, ki ne sodeluje v kemijski vezi in se lahko prosto giblje po snovi; npr. prosti elektroni v kovinskih materialih. prosti radikal. Molekula, v kateri ima atom ogljika neparni elektron, s pomočjo katerega se lahko veže z drugimi prostimi radikali. prostorska napaka. Tridimenzijska napaka; npr. mikrorazpoka, mikropora ipd. protivžigni dodatek. Aditiv polimernim materialom, ki zmanjšuje vnetljivost. proton. Osnovni delec, ki sestavlja jedra atomov. Število protonov v jedru imenujemo vrstno število. Proton ima maso m = 1,6×10-27 kg ter pozitiven električni naboj +e0 = 1,602×10-19 As. prvi termodinamski zakon. Sprememba notranje energije sistema je enako količini dovedene energije in opravljenega dela. PS (polistiren). Vrsta polimernega materiala. PTFE. Politetrafluoroetilen. Znan kot teflon. Vrsta polimernega materiala z majhnim koeficientom trenja in majhno površinsko energijo. PVC (polivinil klorid). Vrsta polimernega materiala. PVD (physical vapour deposition). Kratica za fizikalno naparjanje. radioaktivnost. Razpad nestabilnih jeder. rast kristalnih zrn. Večanje srednje velikosti kristalnih zrn. Nekatera zrna rastejo, druga izginjajo. ravna strjevalna fronta. Meja med talino in trdnino je ravna. To je možno pri usmerjenem strjevanju čistih kovin. Pri usmerjenem strjevanju zlitin je možna le pri zelo majhni hitrosti strjevalne fronte. ravnotežno strjevanje. Strjevanje poteka skladno z ravnotežnim faznim diagramom. Vse faze so homogene (povsod enaka kemijska sestava), njihovi deleži pa so enaki ravnotežnim. ravnovesna oddaljenost med atomi. Oddaljenost med atomi, ko je sila med njimi enaka nič, ter je dosežen potencialni minimum. razpoka. Tridimenzijska napaka v gradivu. Na njeni konici se pojavi koncentracija napetosti, ki povzroči porušitev gradiva pri mnogo manjši napetosti od teoretične kohezijske trdnosti. razteg. Podaljšanje materiala pri natezni obremenitvi. Običajno je dan v mm. raztezek. Relativno podaljšanje materiala pri natezni obremenitvi. razteznost. Relativna deformacija ob porušitvi natezne epruvete. Običajno je izražena v odstotkih. raztopina. Zmes dveh ali več komponent v tekočem, trdnem ali plinastem stanju. raztopinsko utrjanje. Utrjanje gradiva s povečevanjem deleža topljenca v substitucijski in intersticijski trdni raztopini. reakcije s penjenjem in-situ. Postopek izdelave keramičnih pen. reakcijsko sintranje. Med sintranjem poteka kemična reakcija. realni kristal. Kristal, ki vsebuje različne kristalne napake. recikliranje. Postopek za ponovno uporabo izrabljenih materialov.
- 272 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
red dolgega dosega. Urejena razporeditev gradnika kristala na večjih razdaljah. red kratkega dosega (bližnji red). Urejena razporeditev gradnikov snovi na krajših razdaljah. redkozemeljski element. Element, ki ima delno zasedene f-orbitale. redukcija v trdnem stanju. Nastanek npr. kovine z redukcijo oksida v trdnem stanju. redukcija. Zmanjšanje oksidacijske stopnje. reduktivna atmosfera. Atmosfera, ki omogoča redukcijo oksidov. regularna raztopina. Pri tvorbi regularne raztopine se energija sprosti ali porabi, sprememba entropije je enaka entropiji mešanja. Če se toplota sprosti, je raztopina nagnjena k urejanju – nek atom se želi obdati le z raznovrstnimi atomi. Če se toplota porabi, je raztopina nagnjena k razmešanju – nek atom se želi obdati le z istovrstnimi atomi. rekristalizacijsko žarjenje. Žarjenje deformiranih kovin, pri kateri se deformirana mikrostruktura nadomesti z nedeformirano. S to spremembo postanejo kovine mehke in dobro preoblikovalne. relativna atomska masa. Atomska masa v primerjavi z atomsko enoto mase. relativni raztezek. Podaljšanje merilne dolžine glede na začetno merilno dolžino. rentgenska difrakcija. Metoda za ugotavljanje kristalne zgradbe snovi, ki temelji na uklonu rentgenskih žarkov. rentgenski žarki. Žarki elektromagnetnega valovanja, ki nastanejo v rentgenski napravi in imajo valovno dolžino okoli 10-10 m. reprezentativnost vzorca. Izbira vzorca, ki ima takšne lastnosti, mikrostrukturo, kot ostali deli gradiva, iz katerega ga vzamemo. reverzibilen proces. Obrnljiv proces. Proces, ki lahko poteka v obeh smereh. rezanje dislokacij. Proces, ki poteka pri sekanju dislokacij, ki drsijo po med seboj nevzporednih drsnih sistemih. robna dislokacija. Rob nepopolne ravnine v kristalu. Pri drsenju se atomi premikajo pravokotno na smer dislokacijske črte. Burgersov vektor je pravokoten na dislokacijsko črto. Robna dislokacija tudi pleza. Za to je potrebna difuzija, ki je hitrejša pri povišanih temperaturah. rotacijska simetrija. Simetrija, ki pove, kolikokrat vzorec sovpade sam s seboj pri zasuku za polni kot. Schaefflerjev diagram. Diagram, ki prikazuje mikrostrukturo jekla v odvisnosti od kromovega in nikljevega ekvivalenta. Schmidov faktor. Razmerje med zunanjo napetostjo in strižno napetostjo v drsnem sistemu. sekundarna rekristalizacija. Proces pri rekristalizacijskem žarjenju. Pri sekundarni rekristalizaciji kristalna zrna, ki so nastala pri primarni rekristalizaciji, rastejo. sekundarne ali van der Waalsove vezi. Vezi, pri katerih si atomi ne izmenjajo ali delijo elektronov. Temelji na trajnem ali trenutnem električnem dipolu. sekundarni cementit. Cementit, ki se pri ohlajanju izloča iz avstenita. sekundarni elektroni. Elektroni, ki jih primarni elektroni izbijejo iz vzorca. sekundarno lezenje. Osrednje področje krivulje lezenja. Hitrost deformacije je navidezno konstantna. selektivno raztapljanje. Prednostno raztapljanje komponente ali faze pri koroziji. sferolit. Radialna razporeditev kristalnih lamel, ki rastejo iz skupnega središča v delno kristalnih termoplastih. Shottkyjev par. Napaka sestavljena iz anionske in kationske praznine. silicijev karbid, SiC. Trd in abraziven material, odporen na erozijo ter kemikalije v reduktivni atmosferi. silikonski kavčuk. Kavčuk, ki ima polimerno verigo sestavljeno iz silicijevih in kisikovih atomov. simetrijsko središče (inverzno središče). Točka v osnovni celici preko katere lahko vsak atom preslikamo v diametralno nasprotni položaj. sintetične snovi. Snovi, ki jih ne najdemo v naravi. Mednje uvrščamo tri vrste polimerov: termoplaste, elastomere in duromere. Termoplasti so nezamreženi, elastomeri in duromeri pa zamreženi polimeri. sintranje. Toplotna obdelava, s katero skepljamo drobnozrnate snovi. Pri tem drobnodisperzni material preide pod vplivom toplote v trdno telo. Material se zgosti in utrdi. siva litina. Železova litina, v kateri je ogljik izločen v obliki grafita. Smithov diagram. Diagram, ki prikazuje področje srednjih in amplitudnih napetosti, ki jih lahko material zdrži neskončno dolgo ne da bi se porušil. Glej »Trajni nihajni preskus«. sol-gel. Postopek izdelave keramičnih prahov. soobarjanje. Postopek izdelave keramičnih prahov iz ustreznih raztopin s sočasnim izločanjem več sestavin. specifična toplota. Toplota, ki je potrebna, da snov segrejemo ali ohladimo za 1 K. Ločimo specifično toploto pri konstantnem tlaku cp in specifično toploto pri konstantni prostornini cv. specifična trdnost. To je natezna trdnost Rm deljena z gostoto materiala ρ.
26. Slovarček
273
specifični modul. Modul elastičnosti snovi deljen z gostoto. spinsko kvantno število, s. Določa spin elektrona. Ta je lahko ½ ali –½. Poenostavljeno povedano: spin elektrona določa smer vrtenja elektrona okoli lastne osi. spodnja napetost tečenja. Pomembna je pri nateznem diagramu z izrazito napetostjo tečenja. Najmanjša napetost v področju tečenja. Pri tem zanemarimo padec napetosti, ki sledi zgornji napetosti tečenja. spodnji bainit. Tudi igličasti bainit. Mikrostruktura sestavina, ki je sestavljena iz ferita in ε-karbida. Ferit ima obliko ploščic, εkarbid pa je izločen znotraj njih. spremenljivke stanja. V termodinamiki so to spremenljivke, katerih vrednosti so odvisne samo od začetnega in končnega stanja, ne pa od poti, po kateri poteka prehod od začetnega h končnemu stanju. To so npr. entalpija, notranja energija, entropija, prosta energija… sprostitveni modul. Modul za ovrednotenje viskoelastičnega obnašanja polimernega materiala. stabilizator. Aditiv polimernemu materialu, ki preprečuje razpad zaradi vplivov atmosfere in okolja. stabilno ravnotežje. Stanje sistema z najmanjšo možno prosto energijo. stacionarna difuzija. Pri stacionarni difuziji se koncentracije elementov s časom ne spreminjajo. staranje. Tretja stopnja pri izločevalnem utrjanju. Ločimo naravno (pri temperaturi okolice) in umetno (pri povišanih temperaturah) staranje. statična poprava. Poprava, ki poteka po hladni deformaciji kovin. statična rekristalizacija. Rekristalizacija, ki poteka po hladni deformaciji kovin. stehiometrična spojina. Spojina, pri kateri je razmerje med komponentami konstantno. Npr. Fe3C. Razmerje med atomi Fe in C je 3 proti 1 in se s temperaturo ne spreminja. steklasta snov. Snov, ki nima urejene notranje zgradbe. steklišče. Temperatura steklastega prehoda tudi temperatura vitrifikacije (Tg – najpogostejša oznaka). Temperatura, pod katero je viskoznost amorfnih snovi tako velika, da se obnašajo kot trdna telesa. Nad njo jih imamo za podhlajene taline. steklo. Trdnina brez urejene notranje zgradbe. V steklu je le red kratkega dosega (bližnji red). stiskanje. Postopek preoblikovanja kovinskih materialov ali oblikovanja kovinskih in nekovinskih prahov v določene oblike z velikimi tlaki. stopenjska polimerizacija ali polikondenzacija. Združevanje monomerov z odcepljanjem stranskega produkta. stopnja polimerizacije. Število merov (ponavljajočih se enot) v polimerni verigi. stransko kvantno število, l. Tudi orbitalno kvantno število. Oznaka l. To število določa obliko orbital. Vrednosti tega števila so med 0 in (n – 1). Spektroskopske oznake orbital so s (l = 0), p (l = 1), d (l = 2) in f (l = 4). strižna deformacija. Deformacija, ki jo povzroči strižna napetost. strižna napetost. Napetost, ki deluje v ravnini. Strižna napetost lahko povzroči drsenje ene ravnine glede na drugo – plastično deformacijo. strižni modul. Odpornost materiala proti strižni elastični deformaciji. strjevalna fronta. Površina med talino in trdnino pri strjevanju. strjevalni interval. Temperaturni interval med pričetkom in koncem strjevanja. To je navadno razlika med temperaturo likvidus in solidus neke zlitine. strjevanje. Prehod iz tekočega v trdno agregatno stanje. strukturna materialografija. Materialografija, ki se ukvarja z ugotavljanjem kristalne zgradbe faz. strukturna napetost. Notranja napetost zaradi različnih mikrostrukturnih sestavin v različnih delih obdelovanca. substitucijska difuzija. Substitucijsko raztopljeni atomi preskakujejo na sosednje mrežno mesto, ki je prazno – tam je praznina. Atom lahko preskoči, če je sosednje mesto prazno, in, če ima dovolj energije. substitucijska trdna raztopina. Trdna raztopina, v kateri atomi topljenca zamenjajo atome topila (osnove) na mrežnih mestih. substituent. Atom ali skupina, ki zamenja vodikov atom v polimerni verigi. sučna os. Os okoli katere vrtimo vzorec. 6-števna sučna os: vzorec sovpade sam s seboj šestkrat pri zasuku za 360°. superplastičnost. Lastnost, da se nek material lahko pri natezni obremenitvi deformira za nekaj sto ali celo tisoč odstotkov, ne da bi se porušil. Navadno se pojavi v zelo drobnozrnatih materialih pri povišanih temperaturah. superzlitina. Zlitina na osnovi niklja, kobalta ali železo-niklja, ki ima kombinacijo dobre trdnosti in obstojnosti v ognju pri povišanih temperaturah. surovi stisnjenec (zeleni stisnjenec). Obdelovanec, ki ga dobimo s hladnim stiskanje prahov. suspenzija. Disperzija netopnih delcev v tekočini.
- 274 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
sušenje z razprševanjem. Postopek izdelave keramičnih prahov. Atomizacija raztopine z vročim zrakom. sušenje z zamrzovanjem. Postopek izdelave keramičnih prahov. svetlobni mikroskop. Mikroskop, pri katerem opazujemo vzorce z vidno svetlobo. Tudi optični mikroskop. Največje povečave, ki jih lahko dosežemo, so okoli 2000 krat. Ločljivost je okoli 0,2 μm. Globinska ostrina je majhna, zato morajo biti vzorci zelo ravni in gladki. šibka jedrska sila. Sila, ki je odgovorna za radioaktivni razpad. špranjska korozija. Korozija v tankih špranjah. taktičnost. Prostorska razporeditev substituentov vzdolž polimerne verige. Poznamo ataktično, sindiotaktično in izotaktično konfiguracijo. talilna entalpija. Latentna toplota, ki jo moramo dovesti, da dosežemo prehod iz trdnega v tekoče agregatno stanje. Enaka količina toplotne se sprosti pri strjevanju. talilna entropija. Sprememba entropije pri prehodu iz tekočega v trdno stanje ali obratno. tališče. Temperatura, pri kateri čista snov (kemijski element ali spojina) prehaja iz trdnega v tekoče stanje. Število prostostnih stopenj pri taljenju je enako nič, zato poteka pri konstantni temperaturi. Na segrevalni krivulji se pojavi postojišče. Nasproten pojem je strdišče. TCK. Okrajšava za telesno centrirano kubično kristalno zgradbo. tehnična keramika. Keramika izdelana iz prahov, ki ima bistveno boljše trdnostne in druge lastnosti kot tradicionalna keramika. tehnični polimerni materiali. Polimerni materiali z večjo trdnostjo in odpornostjo pri povišanih temperaturah. tekoča raztopina. Zmes atomov ali molekul v tekočem agregatnem stanju. tekočina. Snov v tekočem agregatnem stanju. tekstura. Prednostna kristalografska usmeritev kristalnih zrn v polikristalnih gradivih. Tekstura nastane pri strjevanju (livna tekstura), preoblikovanju… Posledica teksture so anizotropne lastnosti gradiv. temperatura deformiranja stekla. Temperatura, pod katero se steklo zlomi, še preden se začne plastična deformacija. temperatura likvidus. Temperatura, nad katero je zlitina v tekočem stanju. temperatura popuščanja stekla. Temperatura, nad katero postane difuzija atomov dovolj velika, da preostale napetosti izginejo v tehnološko sprejemljivem času. temperatura razkroja (degradacije, dekompozicije) polimera. Temperatura, pri kateri se vezi med atomi v polimeru prekinejo. Polimer zgori ali zogleni. temperatura sintranja. Temperatura, pri kateri doseže vzorec želeno gostoto (~95 % teoretične gostote) v razumno kratkem času (nekaj ur). temperatura solidus. Temperatura, pod katero je zlitina v trdnem stanju. temperatura solvus. Temperatura, pri kateri se začne iz trdne raztopine pri ohlajanju izločati nova faza. temperatura steklastega prehoda. Glej steklišče. temperatura taljenja. Glej tališče. temperatura ukrivljenja. Temperatura, pri kateri se ukrivi palica iz polimernega materiala pod standardno obremenitvijo. temperatura zmehčanja. Temperatura, do katere lahko segrevamo stekla, da se še ne pojavijo dimenzijske spremembe. temperatura. Osnovna količina za izražanje stopnje toplotnega stanja snovi. Temperatura je odvisna od hitrosti gibanja najmanjših delcev snovi. Če mirujejo, ima telo najmanjšo možno temperaturo 0 K (absolutna ničla). temperaturni gradient. Spreminjanje temperature na določeni razdalji. temperaturni razteznostni koeficient. Koeficient, ki nam pove, kako hitro se material razteza pri višanju temperature. Ločimo linearni ali dolžinski temperaturni razteznostni koeficient α in prostorninski temperaturni razteznostni koeficient β. teoretična gostota snovi. Gostota snovi, ki jo izračunamo iz znane velikosti osnovne celice in razporeditve atomov v njej. teoretična lomna napetost. Lomna napetost gradiva, ki nima napak. teoretična strižna trdnost. Kritična strižna napetost, ki povzroči trajno (plastično) deformacijo idealne kovine. Za kovine s ploskovno centrirano kubično kristalno zgradbo znaša približno petnajstino strižnega modula (G/15). terciarni cementit. Cementit, ki se pri ohlajanju izloča iz ferita. terciarno lezenje. Hitrost deformacije se s časom povečuje. Dejanska napetost v preskušancu narašča zaradi zmanjševanja prečnega prereza, pogosto nastane na epruveti vrat, kjer poteka nadaljnja deformacija vse do porušitve. termična analiza. Metoda za spremljanje procesov pri segrevanju in ohlajanju materialov. termodinamična združljivost. Sposobnost osnove in utrjevalne faze, da sta v termodinamičnem ravnotežju nedoločen čas.
26. Slovarček
275
termodinamska ravnotežna napaka. Napaka, katere koncentracija je odvisna od temperature oziroma tlaka ter ne od načina izdelave ipd. termodinamski sistem. Sistem, ki ga proučujemo. Kar ni v sistemu, imenujemo okolica. termodinamski zakon. Eden od osnovnih termodinamskih zakonov. termokemične obdelave. Površinske obdelave jekel, pri katerih se spremeni kemijska sestava površine. termoplast (plastomer). Vrsta polimernega materiala. Sestavljen je iz makromolekul, ki med seboj niso povezane – nezamreženi polimerni material. V makromolekulah – polimernih verigah – so ogljikovi atomi povezani z močnimi kovalentnimi vezmi, medtem ko so verige med seboj povezane s šibkimi sekundarnimi ali van der Waalsovimi vezmi. Pri nizkih temperaturah (pod stekliščem) so trdni in krhki, pri povišanih temperaturah se dajo plastično preoblikovati. termoplastični elastomeri. Termoplastični polimerni materiali, ki se obnašajo kot elastomeri. ternarni diagram. Fazni diagram za tri komponente. tetraeder. Pravilno geometrijsko telo s štirimi enakimi ploskvami – enakostraničnimi trikotniki. Tetraeder ima štiri oglišča. tetraedrska vrzel. Prazen prostor med štirimi dotikajočimi se kroglami (atomi). Ko povežemo središča krogel s črtami, nastane tetraeder. tlačno litje. Litje v trajne forme pod visokim tlakom. tlačno preoblikovanje. Preoblikovanje, pri katerem prevladujejo tlačne napetosti. točkasta napaka. To je napaka v kristalu, ki ima v vseh smereh dimenzije 1 atoma – točke. Med točkaste napake spadajo: praznine, lastni intersticijski atomi, tuji intersticijski atomi, tuji substitucijski atomi, Frenkelov par (praznina + intersticijski atom), Schottkyjev par … točkovna analiza. Mikrokemijska analiza v točki. topilno žarjenje. Del izločevalnega utrjanja. Zlitino segrejemo med temperaturi solvus in solidus, da se segregati ali izločki raztopijo v osnovni fazi in nastane homogena trdna raztopina. topilo. Snov, ki topi druge snovi. topljenec. Snov, ki je raztopljena v topilu. toplo preoblikovanje. Preoblikovanje pri temperaturi, kjer že potekajo procesi mehčanja, vendar je material po preoblikovanju delno utrjen. toplotna napetost. Notranja napetost, ki jo povzroči neenakomerna porazdelitev temperature med segrevanjem in ohlajanjem toplotna obdelava. Spreminjanje lastnosti materialov z načrtnim segrevanjem, zadrževanjem pri določeni temperaturi in ohlajanjem. Pri tem spremenimo mikrostrukturo materialov in s tem tudi njihove lastnosti. toplotno nabrizgavanje. Nanašanje prevlek s taljenjem žice ali prahov in usmeritvijo curka, ki ima veliko hitrost, na površino, ki jo želimo prekriti. tradicionalna keramika. Keramika izdelana iz gline s tradicionalnimi postopki. trajna nihajna trdnost. Največja amplitudna napetost, ki jo material zdrži pri trajnem nihajnem preskusu, ne da bi se porušil. trajni nihajni preskus. Preskus, s katerim ugotavljamo časovno in trajno dinamično (nihajno) trdnost materialov. Pri preskusu napetost ni konstantna. Niha okoli srednje napetosti, najpogosteje v obliki sinusoide. Največje odstopanje od srednje napetosti je amplitudna napetost. Pri izmenični obremenitvi je srednja napetost enaka nič. Pri utripni obremenitvi pa je nič spodnja ali zgornja napetost. transformacijsko ali premensko utrjanje. Utrjanje materialov s fazno transformacijo ali premeno (npr. zaradi martenzitne premene.) trans-izomer. Stranski skupini sta na nasprotnih straneh dvojne vezi. transkristalni lom. Vrsta krhkega loma, pri katerem razpoka napreduje skozi kristalna zrna, praviloma po razkolnih ali cepilnih ploskvah kristala. Imenujemo ga tudi razkolni ali cepilni lom. translacijska simetrija. Simetrija, ki je značilna za periodične kristale. Vzorec se periodično ponavlja v prostoru. translacijski vektor. Vektor v kristalni mreži, ki ima enako okolico na njegovem začetku in na koncu. transmisijski elektronski mikroskop (TEM). Elektronski mikroskop, pri katerem elektroni presevajo snov. Dobimo lahko mikroskopsko sliko, v kateri lahko razločimo tudi najmanjše delce – v velikosti dela nm. Z visokoločljivostno mikroskopijo lahko razločimo tudi ureditev atomov. Pri delu s TEM lahko dobimo tudi uklonsko sliko – s katero lahko ugotovimo kristalno zgradbo preiskovane snovi, medsebojno orientacijo faz… trdna raztopina. Zmes atomov v trdnem stanju. Tuji atomi lahko zamenjujejo atome osnove na mrežnih mestih: substitucijska trdna raztopina ali pa se vrinejo v vrzeli: intersticijska trdna raztopina. trdnina. Snov v trdnem agregatnem stanju. trdnost. Odpornost proti plastični deformaciji ali lomu.
- 276 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
trdota, Brinell. Merjenje trdote z jekleno kaljeno kroglico ali kroglico iz karbidne trdine. Obremenitve, premeri kroglice so predpisane. Merimo premer vtiska. trdota, definicija. Obstaja več definicij trdote. Trdota je odpornost telesa proti vdiranju tujih teles skozi njegovo površino. Pri kovinah, ki se plastično preoblikujejo, lahko trdoto definiramo kot odpornost proti lokalni plastični deformaciji. trdota, Rockwell. Kot vtiskalno telo se uporabljata jeklena kroglica ali diamantni stožec. Potek preskusa je naslednji: material obremenimo s silo predobremenitve, material obremenimo s polno silo, material razbremenimo do sile predobremenitve in izmerimo globino vtiska. Čim večja je globina vtiska, tem manjša je trdota. trdota, Shore. Postopek merjenja trdote elastomerov. trdota, Vickers. Pri merjenju trdote po Vickersu uporabljamo kot vtiskalno telo pravilno štiristrano piramido z vršnim kotom 136°. Merimo diagonalo vtiska. tretji termodinamski zakon. Entropija urejenih snovi pri 0 K je enaka nič. trojna točka. Točka v diagramu p – T čiste snovi, v kateri so v ravnotežju trdna, tekoča in plinasta faza. tvorbena entalpija praznine. Sprememba entalpije sistema pri nastanku ene praznine. Izražena je v eV ali v J/mol. tvorbena entropija praznine. Sprememba entropije sistema pri nastanku ene praznine. Izražena je v J K-1 ali v J mol-1 K-1. udarni preskus. Preskus, s katerim ugotavljamo udarno delo. Za kovine se predvsem uporablja udarni preskus po Charpyju, za polimere pa tudi po Izodu. Številni materiali, ki se pri počasnem obremenjevanju porušijo žilavo, se pri udarni obremenitvi porušijo krhko. udarno trenje. Trenje med telesoma, ki udarjata drugo ob drugo. udrobnitev. Zmanjšanje velikosti kristalnih zrn. uklonska slika. Slika, ki nastane zaradi uklona elektronov na atomih trdnih snovi. ulivanje. Tehnika oblikovanja keramičnih izdelkov. Suspenzijo ulijemo v model, ki je prepusten za vodo. ultravijolična svetloba. Elektromagnetno valovanje z nekaj krajšo valovno dolžino od valovne dolžine vidne svetlobe. ultrazvočni vibrator. Naprava za proizvajanja in detekcijo ultrazvoka. univariantno ravnotežje. Termodinamsko ravnotežje, ko je število prostostnih stopenj enako ena. usmerjeni dendrit. Dendrit, ki prednostno raste samo v eni smeri. Osi dendritov, ki so usmerjene v smeri rasti, imenujemo dendritna debla ali primarne dendritne veje. Pravokotno na deblo rastejo v kubičnih kristalih v štirih smereh dendritne veje, ki jih imenujemo tudi sekundarne dendritne veje. Razdalja med primarnimi (λ1) in sekundarnimi (λ2) dendritnimi vejami pojema s povečano hitrostjo ohlajanja. Trdnost zlitine je obratno sorazmerna z razdaljo med sekundarnimi dendritnimi vejami. usmerjeno strjevanje. Odvod toplote je enosmeren, kar povzroči tudi strjevanje v eni smeri. Nastane usmerjena kristalna zgradba. Pri enofaznih materialih lahko dosežemo usmerjene kristale, ki imajo celično ali dendritno morfologijo. Pri zelo počasnem strjevanju je možna tudi rast z ravno strjevalno fronto. usmerjeno zrno. Kristalno zrno, ki je različno veliko v različnih smereh. utrjanje s kristalnimi mejami. Utrjanje z zmanjšanjem velikosti kristalnih zrn. utrjanje. Povečanje odpornosti materiala proti plastični deformaciji ali lomu.
utrjevalna faza ali ojačilni element. Nezvezna faza ali element kompozita. utrjevalni koeficient, n. Podaja hitrost utrjevanja materiala v področju plastičnosti. Večji je, večja je hitrost utrjevanja. utrujanje materiala. Obremenitev materiala z izmenično napetostjo. Material, ki je večkrat obremenjen z napetostjo, ki je manjša od njegove trdnosti ali celo napetosti tečenja, se poruši pri manjši napetosti kot material, ki ni bil še niti enkrat obremenjen. utrujenostni lom. Pojavi se pri materialih, ki so obremenjeni z izmenično napetostjo. (Napetost se s časom spreminja.) Lom je sestavljen iz treh stopenj. Prva stopnja je nastanek ali iniciacija razpoke v večini primerov na površini dela. Prednostna mesta so tista, kjer je koncentracija napetosti (sprememba premera pri gredi, zareza zaradi nepravilne mehanske obdelave, prisotnost nekovinskega vključka…). V drugi stopnji razpoka napreduje korakoma. Posamezen korak imenujemo utrujenostna brazda. Dolžina koraka je odvisna od napetosti. Ko napetost v preostalem delu preseže trdnost materiala, se ta nenadoma zlomi. valenčni elektron. Elektron, ki sodeluje v kemijski vezi. valjanje. Postopek plastičnega preoblikovanja med dvema valjema. valovna mehanika. Mehanika, ki upošteva dualnost elektronov. valovnodolžinski spektrometer. Spektrometer, ki razstavi rentgenske žarke glede na njihovo energijo. van der Waalosova vez. Šibka vez med atomi ali molekulami, ki ni povezana s prehajanjem elektronov od enega atoma k drugemu ali s tvorbo skupnih elektronski parov.
26. Slovarček
277
varjenje. Postopek spajanja kovinskih delov. Na stični ploskvi se ustvari talina osnovne kovine. vbrizgovalno oblikovanje prahov (ang. injection moulding). Postopek oblikovanja prahov. velikokotna kristalna meja. Kristalna meja med kristalnima zrnoma, katerih orientaciji se razlikujeta za več kot 15°. Energija kristalnih mej je v tem območju skoraj neodvisna od medsebojne razlike v orientaciji. Kljub temu se pojavlja nekaj minimumov, pri katerih kristalni mreži obeh zrn sovpadata (ang. Coincidence Site Lattice – Mreža sovpadajočih točk). verižna polimerizacija. Nastanek polimerne verige iz samo ene vrste monomera. vezalna energija na nukleon. Energija, ki se sprosti pri nastanku atomskega jedra izračunana na en nukleon. vijačna dislokacija. Črtna napaka v kristalu, ki nastane ob strižnem premiku enega dela kristalu proti drugemu. visker. Zelo tanek monokristal z velikim razmerjem med dolžino in premerom. viskoelastični (univerzalni) model. Zaporedna vezava vzmetnega, batnega in neelastičnega modela. viskoelastičnost. Stanje snovi, pri kateri se pri obremenitvi deformira tako elastično kot plastično. viskozno tečenje. Drsenje polimernih verig druga ob drugi ob delovanju strižnih napetosti. viskoznost. Odpornost proti tečenju. Nasproten pojem je tekočnost ali fluidnost. vizualna materialografija. Ugotavljanje geometrijskih značilnosti mikrostrukturnih sestavin. vlečenje. Postopek plastičnega preoblikovanja žice, ki jo vlečemo skozi rotacijsko simetrično matrico. vodikova elektroda. Sestavljena je iz platinske ploščice, ki jo prepihujemo z vodikom pod tlakom 1 bar. Ploščica je potopljena v vodno raztopino, v kateri je koncentracija vodikovih kationov c (H+) = 1 mol/l. Po dogovoru je potencial vodikove elektrode enak nič. vodikova krhkost. Krhkost, ki jo povzroča prisotnost vodika v kovini. vodikova vez. Vrsta van der Waalsove vezi. vrat. Mesto na epruveti, kjer se pojavi plastična nestabilnost. vroče izostatsko stiskanje. Stiskanje v plinastem mediju pri visokih temperaturah. vroče preoblikovanje. Preoblikovanje nad temperaturo rekristalizacijskega žarjenja. vroče stiskanje. Stiskanje pri višjih temperaturah, ko poteka difuzija, zato se material hkrati sintra. vrstični elektronski mikroskop. Elektronski mikroskop, pri katerem elektronski curek potuje po površini materiala po vrsticah ali rasterju. Dobimo lahko sliko z odbitimi, sekundarnimi ali Augerjevi elektroni. Opremljen je lahko tudi z detektorji za analizo rentgenskih ali ultravijoličnih žarkov, s katerimi lahko ugotovimo kemično sestavo mikrostrukturnih sestavin ter porazdelitev elementov v mikrostrukturi. Ločljivost tega mikroskopa je okoli 2-5 nm. Ima tudi dobro globinsko ostrino, zato je primeren za opazovanje prelomnin in globoko jedkanih vzorcev. vrstno število Z. To je enako številu protonov v jedru atoma. vrzel ali intersticijsko mesto. Prazni prostori med atomi v kristalni mreži, ki so precej manjši od velikosti atomov. Ločimo oktaedrske in tetraedrske vrzeli. vulkanizacija. Zamreženje polimernih materialov z žveplom. vzajemna kristalna orientacija. Točno določena kristalna orientacija med dvema fazama. vzmetni (Hookov) model. Model za ponazoritev idealnega elastičnega obnašanja materialov. vzporedni (Voigtov) model. Vzporedna vezava elastičnega in batnega modela (vzmet in bat, ki prepušča tekočino). vzvodno pravilo. Pravilo, ki ga uporabljamo za izračun deležev faz v ravnotežju. Weibullova porazdelitev. Nesimetrična razporeditev okoli srednje vrednosti. Uporablja se za napovedovanje trdnosti krhkih gradiv. Wöhlerjeva krivulja (diagram, na abscisi je število nihajev do porušitve, na ordinati amplitudna napetost). Dobimo jo pri trajnem nihajnem preskusu. Izdelamo jo tako, da napravimo serijo preskusov pri konstantni srednji napetosti, toda ob spreminjajoči napetostni amplitudi. Če je napetostna amplituda velika, se material poruši po nekem številu nihajev – to imenujemo časovna nihajna trdnost. Če pa je napetost manjša od trajne nihajne trdnosti, se material ne poruši tudi po neskončnem številu nihajev. Pri jeklih je to največja napetost, ki ne povzroči preloma med 106 in 107 nihajev. Pri večini neželeznih kovin tovrstne trajne nihajne trdnosti ni. Če želimo, da material zdrži večje število nihajev, moramo amplitudno napetost temu ustrezno zmanjšati. X-radiografija. Neporušitveno ugotavljanje napak z uporabo rentgenskih žarkov. zadržani avstenit. Avstenit, ki ostane v jeklu po kaljenju, če jekla ne ohladimo pod temperaturo Mf. Tudi zaostali avstenit. zajetje topljenca. Pojav pri hitrem strjevanju. Zaradi velike hitrosti strjevalne fronte se topljenec ne more razporediti med talino in trdno raztopino skladno z ravnotežnimi razmerami, temveč postane v presežni količini prisilno ujet v trdni raztopini.
- 278 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
zakon o konstantnosti prostornine. Pri plastični deformaciji kovin velja, da se med plastično deformacijo prostronina kovine ne spremeni, torej ostane konstantna. zamreženje. Nastanek primarnih kemijskih vezi med makromolekulami. zaporedni (Maxwellov) model. Zaporedna vezava elastičnega in batnega modela (vzmet in bat, ki prepušča tekočino). zaprt termodinamski sistem. Sistem, ki z okolico izmenjuje toploto, ne pa tudi snovi. združevanje dislokacij. Nastanek ene dislokacije iz dveh. zelena gostota. Gostota oblikovanca po stiskanju prahov. zelena trdnost. Trdnost oblikovanca po stiskanju prahov. zeleni oblikovanec. Oblikovanec po stiskanju prahov. zemeljskoalkalijska kovina. Kovina v 2. skupini periodnega sistema. zgornja napetost tečenja. Napetost, pri kateri se pojavi izrazit prehod iz elastične k plastični deformaciji. zgornja napetost tečenja. Pomembna je pri nateznem diagramu z izrazito napetostjo tečenja. Največja napetost pred pričetkom plastične deformacije. zgornji bainit. Tudi peresasti bainit. Mikrostrukturna sestavina iz ferita in cementita. Ferit raste v obliki ploščic, na meji med njimi se izločajo drobne ploščice cementita. značaj vezi. Pokaže dejanske značilnosti vezi med atomi. zrcalna simetrija. Simetrija, ki se pojavi, ko je en del kristala zrcalna slika drugega. Simetrijski element je zrcalna ravnina. zrnavost. Porazdelitev velikosti prahov. žarilni dvojčki. Dvojčki, ki nastanejo pri žarjenju. žarjenje na grobo zrno. Žarjenje jekel, s katerim dosežemo velika kristalna zrna. žarjenje. Zadrževanje materiala pri neki temperaturi, da bi dosegli načrtovano spremembo njegove mikrostrukture in lastnosti. žarki γ. Elektromagnetni žarki, ki nastanejo pri radioaktivnem razpadu γ in imajo valovno dolžino okoli 10-12 m. železo α. Železo, ki ima kristalno zgradbo TCK in je obstojno pri nižjih temperaturah. železo δ. Železo, ki ima kristalno zgradbo TCK in je obstojno pri visokih temperaturah. železo γ. Železo, ki ima kristalno zgradbo PCK. žilavi lom. Za prelom je potrebno veliko energije. V kovinah ločimo idealni strižni lom, idealni žilav lom in jamičast lom. Vsi žilavi lomi so transkristalni. žilavost. Odpornost materiala proti lomu. Za lom krhkega materiala je potrebno malo energije, za lom žilavega pa veliko. žlahtni plin. Plini 8. skupine periodnega sistema elementov. žrtvena elektroda. Elekroda, ki ščiti drug material pred korozijo, vendar se pri tem sama porabi.
γ-radiografija. Neporušitveno ugotavljanje napak z uporabo žarkov γ π-vez (pi-vez). Kovalentna vez, ki nastane pri bočnem prekrivanju orbital. σ-vez (sigma-vez). Kovalentna vez, ki nastane pri čelnem prekrivanju orbital.
27 Stvarno kazalo A1, 184
atomska enota mase, 6
A3, 170
atomsko jedro, 4
absorpcijski koeficient
austempering, 180
Ac3, 170, 178 Acm, 170 agregatno stanje, 66, 69 aktivacijska energija, 67, 89 za difuzijo, 62 za nastanek klasterja, 90 substitucijsko difuzijo, 63
Al2O3, 17 kristalna 220
dislokacija, 36
avstenit, 97, 168
adsorpcija, 208
zgradba,
izotermni 178
diagram,
kontinuirni diagram, 178 bainit, 171 spodnji ali igličast, 174 zgornji ali peresast, 174
Bohrov model, 6
deformacijska, 123
boridiranje, 185
kristalnih izcej, 156
Bravaisove mreže, 23
napetostna, 123
celica
elastičnih 104
lastnosti,
kompozita, 239
korozijska, 214
kroglasti, 183
atom, 4
v perlitu, 173
lupina, 7
utrjanje,
v železovih litinah, 202 cepljenje CsCl zgradba,
meritev,
dislokacija, 36 Burgersov vektor, 36 cepitev, 42 delna, 37, 42
drsljivost, 41 drsni sistem, 38 energija, 38 Frank-Readov vir, 39 gostota, 38, 42, 160 koleno, 43
Pourbaixov, 211 –
prosta energija – temperatura, 70
nedrsljiva ali sesilna, 38 plezanje, 40 popolna, 37, 42 prag, 43 prečno drsenje, 40 robna, 36 plezanje, 39 vijačna, 36, 39
valovni model, 7
- 279 -
obroč,
drsenje, 38
peritektični, 84
staranja, 165
dilatometrska 148
dislokacijski 37
lastnosti, 1
prosta energija delež B, 73
difuzijsko metaliziranje, 185 dilatometrija, 95
s popolno topnostjo v trdnem in tekočem, 76
litega železa, 192
stacionarna, 61
dilatacija, 101
evtektični, 81
razpad, 204
samodifuzija, 64
difuzijski tok, 61
čas-temperaturaavstenizacija, 178
Fe3C, 168
kristalna 219
ravninsko, 126
binarni fazni, 75
cementit, 75, 201
prostorninska, 108
difuzijski koeficient, 61
diagram
globina Eht, 185
praznin, 108
substitucijska, 63
deformacijsko stanje
usmerjen, 79
cementiranje, 184
terciarni, 170, 174
jedro, 4
gradiva,
enakoosni, 80
pri strjevanju, 79
aromatski obroč, 231
elektronska zgradba, 6
polimerna 233
dendritno deblo ali primarna dendritna veja, 79
sekundarni, 170, 174, 184
elektronska ovojnica, 6
hitrost,
dendritna veja ali sekundarna dendritna veja, 79
Ar3, 170
Bohrov model, 6
deformacijska 121
dendrit, 78, 156, 162
osnovna, 23
anizotropija, 20, 77, 210, 225
deformacijska cona, 139
plastomer, 234
deformacijska, 110
frekvenca preskokov, 64 nestacionarna, 62
stopnja, 160
deformacijsko 42, 139
difuzija, 61, 107, 156
intersticijska, 62
plastična, 105
amplituda
anionska podmreža, 219
difraktogram, 59
elastična, 102
nehomogena, 119
avstenitizacija, 177
benzenski obroč, 231
anion, 5, 9, 14, 211, 218
diamant, 31
deformacija
zadržani, 175
alitiranje, 185
mikrokemična, 55
nevtronska, 133
homogen, 178
Bainovo popačenje, 176
analiza
diagram deformacijskih mehanizmov, 108
homogena ali enakomerna, 119
alfageni element, 196, 197, 200
valovitosti strjevalne fronte, 79
tlak – temperatura, 71
defektoskopija
austempering ali bainitno poboljšanje, 176
masni, 132
za
črtna napaka
- 280 prečno 110
GRADIVA – Visokošolski učbenik drsenje,
električna upornost, 160 elektrokemijska korozija
združitev, 41 disperzna mikrostruktura, 51 disperzni delci, 46 distorzija, 101, 103
primarna 209
reakcija,
bakrovih zlitin, 194
sekundarna reakcija, 210 elektron, 4 vezalna energija, 8 elektronegativnost, 75, 207, 218
drsenje dislokacij, 38
elastičnost,
evtektična reakcija Fe-Fe3C, 169
neparni, 229
drobnozrnatost
entropijska 233
14,
evtektik
fraktografija, 123 Frenkelov par, 35 funkcionalna 229
skupina,
fuzija, 5
anomalni, 83
galvanski člen, 208, 210
lamelni, 83
gamageni elementi, 200
medlamelna razdalja, 84
gašenje, 162
normalni, 83 paličast, 84
po kristalnih mejah, 108
elektronska afiniteta, 14
rast, 83
elektronska ovojnica, 4
prečno, 110
elektronski mikroskop
vzajemna kristalna orientacija, 84
Gaussova porazdelitev trdnosti, 221 Gibbsovo fazno pravilo, 75, 81 glinica, 188 globina vtiska, 128
drsenje dislokacij, 176
odbiti elektroni, 54
evtektoid, 169
globoki vlek, 142
drsna črta, 109, 111
presevni, 165
gonilna sila
drsna stopnica, 39 drsni pas, 109, 111
sekundarni elektroni, 54
evtektoidna reakcija, 87, 96
drsni sistem, 38, 109
vrstični, 54
družina ravnin, 24
elektronvolt, 8
duktilnost, 105
element
Fe-Fe3C, 169 faseta, 21 faza, 66 definicija, 49
strjevanje, 89 za fazni prehod, 89 za korozijo, 210 za nastanek ferita, 172
duromer, 228, 229
alfageni, 196, 200
nestehiometrična, 50
dušilnost, 192, 203
betageni, 196
primarna, 77
za rast kristalnih zrn, 178
dvojček
elektronegativni, 14
stehiometrična, 50
za rast zrn, 161
deformacijski, 45
elektropozitivni, 14
fazna meja, 45
žarilni, 45
gamageni, 200
fazni diagram
za razpad avstenita, 174
dvojčenje, 107, 176
halogeni, 12
evtektični, 81
za sintranje, 223
dvojčična meja, 45, 107, 175, 176
kovinski, 188
Fe-C in Fe3C, 168
za
redkozemeljski, 12
peritektični, 84
dvojna vez, 229
zlitinski, 190
popolna topnost v tekočem in trdnem stanju, 75
ekstruzija, 141
eloksiranje, 210
ekvivalent
enačba
kromov, 200
Braggova, 58
nikljev, 200
energijska 233
ogljikov, 177 elastična deformacija, 102, 119 polimerno 233
gradivo,
elastičnost,
enojna vez, 229 entalpija, 68
elastična napetost, 102
aktivacijska za nastanek pranine, 34
elastične lastnosti
mešanja, 72
anizotropne, 104 izotropne, 104
talilna, 68 entropija, 67, 68
fazno pravilo Gibbsovo, 70 fazno ravnotežje dvokomponentni sistem, 72, 74 enokomponentni sistem, 70 ferit, 168 predevtektoidni, 170, 172, 184 v bainitu, 174 v perlitu, 173
elastično-plastični napetostni valovi, 121
idealna ali konfiguracijska, 71
elastomeri, 31, 103, 129, 228
izparilna, 68 mešanja, 71
drugi, 62
električna nevtralnost
reakcijska, 68
prvi, 61
ionski kristal, 219
talilna, 68, 77
widmanstättenski, 173 Fickov zakon
fizija, 5
spremembo oblike, 184
gostota, 21 delcev, 91 dislokacij, 38, 110 v podzrnih, 160 kovin, 188 kristalnih mej, 111 naboja elektrona, 8 snovi teoretična, 25 zasedenosti smeri, 104 GP-cona, 165 gradiva dvofazna, 51 heterogena, 51 keramična, 1 kompozitna, 238 kovinska, 1 polimerna, 1, 228 grafit, 75, 203
27. Stvarno kazalo
281 površinsko, 180
Griffith, 113, 221
koherenten, 161
gumi, 233
nastajanje jamic, 114
gumielastično področje, 103
rezanje, 164 izločevalno utrjanje, 161
gumielastičnost, 233
izotropija, 20, 33, 102
Hall-Heraultov postopek, 188 Hall-Petchova 44
heksagonalna gosto zasedena kristalna zgradba, 28 hibridizacija orbital, 16 sp, 16 sp2, 16
iztiskanje, 141
sp , 31
koordinacijsko število, 26, 27, 28, 29, 31, 218, 231 kopolimerizacija, 229 korozija, 207 anodna reakcija, 208
ε, 174
direktno, 141 indirektno, 141
karbonitridiranje, 185
istosmerno, 141
kation, 5, 211, 218
nasprotnosmerno, 141
kavčuk, 129
jamice, 114, 211
Kellyjev mehanizem, 164, 242
jamičasta korozija, 211
kemijska analiza kvalitativna, 11
močna, 5
sp3, 16
karbid zmesni, 201
jedrska sila
3
pas prekaljivosti, 181 Fe3C, 168
kompozita, 242 enačba,
stopenjsko, 180 kaljivost, 180
kontrakcija ali zoženost, 119, 126
elektrokemijska, 209 erozivna, 213 interkristalna, 212 katodna reakcija, 209 kemična 207 korozijska 215
kvantitativna, 11
homogenizaciaj, 177
šibka, 5
homogenizacija, 156
jeklo, 200, 205
ali
suha, žaščita,
anodna, 215
kemijska vez
katodna, 215
ionska, 15
korozijsko preskušanje, 214
homogenost, 33, 102
avstenitno, 122, 200
homopolimerizacija, 229
evtektoidno, 170
keramična 218
Hookov zakon, 103, 118
feritno, 200
kovalentna, 15
korozijsko utrujanje, 213
konstrukcijsko, 202
vrste, 14
lokalna, 211
legirano, 200, 205
značaj, 218
102,
gradiva,
martenzitno, 200
kemijski potencial, 73
jamičasta ali pitting, 211
keramična gradiva, 217
špranjska, 212
Hundovo pravilo, 9, 12
mikrostrukturne sestavine, 170
inokulacija, 192
nadevtektoidno, 179
intermetalna
nerjavno, 200, 205
ne velja, 104 Hookova premica, 118, 119
faza, 50, 164, 198
ogljikovo, 200
spojina, 50, 194
orodno, 205
zlitina, 86 intersticijska difuzija, 62 trdna raztopina, 35 intersticijski atom, 35 lastni, 35 tuj, 35 intersticijsko mesto, 219 ionizacijska energija, 14 ionska vez, 15, 217 nastanek, 15 izbočevanje, 142 izceje, 212
200,
202,
lastnosti, 221 zgradba, 218 keramično gradivo
napetostno korozijsko pokanje, 214
lastnosti, 218
navadna ali splošna, 211
poroznost, 222
nerjavnih jekel, 212
kinetika izločanja, 165
perlitno, 201
oblike, 211
klaster, 90
poddevtektoidno, 179
klopčič
Pilling-Bedworthovo razmerje, 207
podevtektoidno, 170, 172
kohezijska trdnost, 113
prežagano, 177 Jominy krivulja, 181 pas prekaljivosti, 181 preskus, 180 kaliber, 141 kaljenje, 179 breznapetostno ali stopenjsko, 176
blokovne, 81
indukcijsko, 180
kristalne, 77, 156
izotermno, 176
izloček, 46, 49, 93, 160, 161
normalno, 180 plamensko, 180
elastomeri, 229 komponenta, 69 kompozit, 52, 104 kompozitno 238
gradivo,
koncentracija napetosti, 46, 221 koncentracijski gradient, 61
selektivno raztapljanje, 213 v vodnih raztopinah, 208 vodikova 214
kot omočljivosti, 92 koti med smermi, 24 kovalentna vez, 15, 217
konoda, 75
nepolarna, 15
konstitucijska podhladitev, 79
polarna, 15
konstitucijsko podhlajena cona, 79
krhkost,
kovanje prosto, 141 utopno, 141 kovina, 105
- 282 kovine, 188 alkalijske, 12 prehodne, 12 zemljoalkalijske, 12 kovinska vez, 25, 217 krhki lom, 221 krhkost, 114, 126 keramike, 221
GRADIVA – Visokošolski učbenik področje lahkega drsenja, 109 področje linearnega utrjanja, 109 področje paraboličnega utrjanja ali dinamične poprave, 110
črna, 204 litje, 135 Croning 135
postopek,
modificiranje, 203 makroizcejanje, 79 makromolekula, 228
izparljivi modeli, 136
makroplastičnost, 118
iztaljivi modeli, 136
makrostruktura, 52
kontinuirno, 136
popuščna, 183
tlačno, 136
v modrem, 183
kvantno število
v
vodikova, 214
glavno, 7 magnetno, 8
anoda, 215
centrifugalno, 136
kromanje, 185
kristal
magnezij, 36, 191
ulitkov, 81 malokotna meja, 45
enkratne 135
forme,
v trajne forme, 136
martempering breznapetostno kaljenje, 176
definicija, 21
spinsko, 8
livarski model, 135
ionski, 29, 34
stransko, 8
livarski pesek, 135
kovalentni, 30
kvaziizotropija, 50
livarsko jedro, 135
neperiodični, 19
kvazikristal, 19
livna votlina, 135
masni defekt, 5
periodični, 19
lastnosti
livnost, 135
masno število, 4
lom
materiali
polimerni, 31
anizotropne, 20, 50
ali
martenzit, 97, 158, 171, 175, 179, 180, 195 v titanu, 196
kompoziti, 1
kristalizator, 92
izotropne, 20
interkristalni, 113
kristalna meja, 43
mazalne, 16
krhek, 113
matrica, 141
energija, 44
po litju, 81
krhki, 221
medcelični prostor, 79
malokotna, 40, 44
termodinamske, 70
pri lezenju, 125
meddendritni 80, 156
nagibna, 44
ledeburit, 169
transkristalni, 113
velikokotna, 44
lezenje, 44, 64, 107, 124, 159
utrujenostni, 123
vzvojna, 44 kristalna mreža Bravaisove mreže, 23 kristalna zgradba, 21 Al2O3, 220 CsCl, 219 dvojčka, 107 HGZ, 28 keramike, 218 martenzita, 175
Coblejevo, 108 časovna napetost tečenja, 124 časovna trdnost, 124 difuzijsko, 107 dislokacijsko, 107 Herring-Nabarrovo, 108 hitrost, 108 keramično gradivo
PCK, 26
vpliv velikosti zrn, 222
plastomerov, 228 TCK, 28 ZnS, 220 kristalna zrna enakoosna, 108 kristalni sistem, 22 krivulja likvidus, 82, 84
krivulja, 75 litina jeklena, 200, 205
solvus, 82, 161
nodularna, 203
lezenja, 124 krivulja tečenja, 112
malokotna, 45, 160 nekoherentna, 46 skladna, 45
lomna napetost, 113 lomna trdnost
meja elastičnost tehniška, 118
vpliv poroznosti, 222 lomna žilavost, 126 določitev, 126
mejna površina koherentna, 93 merjenje trdote Brinell, 127
gradivo,
pogojna, 127
pravilnost merjenja, 128 Rockwell, 128
lunker, 133, 135
Shore, 129
lupina, 7
Vickers, 127
magnetna metoda odkrivanje 133
mešana vez, 17, 217 napak,
siva, 203
magnetna permeabilnost, 133
temprana
magnetne silnice, 133
bela, 204
delno skladna, 46
semikoherentna, 46
žilav, 113
primarno, 124
likvidus
meja
trenutni zlom, 123
keramično 221
terciarno, 124
125,
koherentna, 45
faktor, 126
sekundarno, 124
loma,
postopno napredovanje razpoke, 123
lom, 125
solidus, 82, 84 krivulja
iniciacija ali nastanek razpoke, 123
mehanika 131
prostor,
magnetostrikcija, 131
metan CH4, 16 Mf, 171 mikroizcejanje, 79 mikrokemična 56
analiza,
27. Stvarno kazalo
283
EDS, 57
mol, 6
linijska ali črtna, 58
molekula, 15
ploskovna, 58 točkovna, 58 WDS, 57 mikroplastičnost, 118 mikrorazpoka, 113 mikroskop elektronski presevni, 56 vrstični, 54 globinska ostrina, 53, 55 ločljivost, 53, 55, 56 povečava, 53 svetlobni, 52 visokotemperaturni, 148 mikrostruktura, 49 disperzna, 173, 174 dupleksna, 179 dvofazna disperzna, 51 dualna, 51 dupleksna, 51 lamelna, 52 mrežasta, 51 paličasta, 52
nenasičena, 229 molska masa, 6, 25 polimera, 230
primerjalna, 106
neskladje δ, 92
strižna, 99
nevtron, 4, 133
napetost tečenja, 106, 124, 140, 158
dogovorna, 123
dogovorna, 118
trajna, 123
idealni strižni lom, 114
spodnja, 119
nikelj, 62, 122, 198, 201
strižna, 106
krivulje tečenja
nitridiranje, 185
temperaturna odvisnost, 114
staranje, 165 lezenje, 108 plastična deformacija, 109 visker, 241
zgornja, 119 napetostni tenzor, 101 napetostno stanje enakoosno, 99
mrežno invariantna reakcija, 176
triosno, 101
mrežno trenje, 38 Ms, 171 NaCl, 30 najgostejši zlog atomov, 25 nanometer, 4 napaka nastanek, 19 neravnotežna, 38 prostorska, 46
termodinamsko ravnotežna, 33 točkasta, 33
homogena, 90 kritični 90
stabilno, 113, 126 nastanek
v trdnem, 93
natezanje, 142
nukleacijska hitrost
natezna trdnost, 120, 202, 225
119,
homogena, 91 nukleacijsko delo, 90, 93
polimernih 233
nukleon, 4
gradiv,
oblikovni faktor, 92
natezni diagram brez izrazite napetosti tečenja, 118
z izrazito napetostjo tečenja, 119
smeri, 24
enoosna, 117
elastičnosti, 46
koncentracija, 125
vpliv poroznosti, 222
normalizirana, 108
modul elastičnosti, 102, 118
notranja, 157, 177
Mohrov krog, 100 polmer, 100 središče, 100
normalna, 99 premenska, 158
heterogena, 92
kompozitov, 240
dejanska ali porušitvena, 120
koherenčna, 45
polmer,
oksida, 208
praznine, 63
ravnine, 24
modul, 157
polmer,
odpornost proti, 126
dejanska, 105
izmenična, 122
kritični 92
nestabilno, 113, 126
polimernih 234
modificiranje, 192
normaliziranje, 177, 178
napredovanje razpoke
plastomera, 234
glavna, 100, 101
nitrokarburiranje, 185
heterogena, 92
napetost
množina snovi, 6
spojinska plast, 185
nukleacija, 94
napaka zloga, 42
Millerjevi indeksi
difuzijska plast, 185
notranja energija, 66
dvoosno, 99
monomer, 228, 229
widmanstättenska, 173
smeri, 24
nihajna trdnost
časovna, 124
trakasta, 179
ravnine, 24
neželezne kovine, 188
monokristal, 43, 44, 45, 49, 64, 102, 241
termodinamsko neravnotežna, 44
Miller-Bravaisovi indeksi
ultrazvok, 131
toplotna, 158
gradiv,
natezni preskušanec sorazmerni, 117 neporušitvene preiskave, 131 magnetna 133
metoda,
nevtronska defektoskopija, 133
preostala, 157
preiskava s tekočino, 134
strukturna, 158
rentgen in gama, 132
obremenitev udarna, 121 odrezovanje, 1, 139, 193 ogljik diamant, 31 hibridizacija orbital, 16 izotop 12C, 6 prisilno 175
raztopljen,
število, 16 topnost v železu, 168 ogljikov ekvivalent, 177 ohlajevalna krivulja evtektični sistem, 83 peritektični diagram, 85 premenski 171
diagram,
zastojna točka, 76
- 284 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik
oksid nestehiometričen, 208 oksidacija, 208
140,
207,
polietilen, 231
pH, 211
poligonizacija, 160
piezoefekt, 131
polikondenzacija, 229
popuščanje, 182
pikometer, 4
polikristal, 49
popuščni parameter, 183
plastična deformacija
oksidni film
lokalna, 127
oktaeder, 27 oktaedrska vrzel intersticija, 27
ali
orbitala, 6, 7 delno zasedena, 229 Orowanov mehanizem, 164, 242 osnovna celica, 23 cinkova svetlica, 220 HGZ, 28 martenzitna premena, 97 NaCl, 30 najprimernejša, 22 PCK, 26 položaj atomov, 23 primitivna, 23 TCK, 29 zorenje,
paralelepiped, 23 pasivacija, 210
monokristal, 109 neenakomerna, 158 polikristal, 110 polimerna 234
gradiva,
utrjanje, 119 z
drsenjem dislokacij, 109
plastomer, 31, 111, 228 delno kristalen, 228 natezni diagram, 234 plezanje robna dislokacija, 39 plezanje dislokacij pri lezenju, 125 plin žlahtni, 12 plinska konstanta, 62 plinska poroznost, 135 plinsko sredstvo za cementiranje, 185
pasivno področje, 210
ploskovne napake, 43
patentiranje, 179
Ploskovno centrirana kubična kristalna zgradba, 26
patrica ali oblikovalni pestič, 142 ali vlečni pestič, 142 Paulijevo izključitveno načelo, 8, 9
poboljšanje bainitno, 176 podzrno, 45, 160 po
poprava, 40, 159
lezenje, 108 napredovanje razpoke, 113
hladna, 159
rast, 207
Ostwaldovo 163, 190
petrolej, 134
plastični deformaciji, 160
plastična deformacija, 110 polimer
dinamična, 111, 139
porazdelitev temperature, 157 porazdelitveni koeficient, 78 porcelan, 217 poroznost, 149
intermolekulske vezi, 230, 231
odstranitev, 139
intramolekulske vezi, 230
strjevalna, 135
krhek, 233 kristaliničnost, 232 plastičen, 233 visokoelastičen, 233
plinska, 135 potencialni lonec, 13 potenciodinamična metoda, 210 Pourbaixov 211
diagram,
z obroči, 231
imunost, 211
polimerizacija, 229
korozija, 211
stopenjska, 229
pasivnost, 211
stopnja, 230
površinska energija, 90
verižna, 229
površinski pojav ali skin efekt, 180
polimerna gradiva elastična deformacija, 233 mehanske 233
lastnosti,
deformacijska hitrost, 233 temperaturna odvisnost, 233 oblikovanje, 235 plastična deformacija, 234 polimerna veriga, 228 konfiguracija, 232
praznina, 33 anionska, 34 ionski kristal, 34 kationska, 34 številski delež, 34 prečno drsenje, 39, 110 pri lezenju, 125 prehod iz elastičnega v plastično področje, 118 prehod od homogene k nehomogeni deformaciji, 120
po popravi, 160
konstitucija, 232
prehodna temperatura žilavosti, 114
peritektična reakcija
pogoj tečenja, 106
prepletenost, 231
preiskava
Fe-Fe3C, 169
Tresca, 106
periodni sistem elementov, 11
perlit, 158, 173 lamelni, 173, 184 pri
normaliziranju, 178
zrnati, 183 zrnati ali sferoidit, 173
konformacija, 232
rast
Von Mises, 106
ravna, 231
pogoji preskušanja
zavita, 231
adiabatni, 121 izotermni, 121 Poissonovo število, 103, 244 poliadicija, 230
skelet, 231 polimerne mešanice, 229 polimerne verige linearne, 230
perlitizacija, 176
polieder, 43, 113
polimerno gradivo, 129, 228
perlitna kolonija, 173
poliester, 229
ponori praznin, 33
neporušitvena, 131 preiskava 134
s
tekočino,
prelomnina ali prelomna ploskev, 123 premena alotropska, 69 brezdifuzijska, 96 difuzijska, 89 martenzitna, 175
27. Stvarno kazalo
285 radioaktivni razpad, 132
osnove o, 89 premenski diagram, 163
α, 5
peritektična, 84
pod tlakom, 223
spinodalna, 86
popolna krivulja sintranja, 148
izotermni, 170
β, 5
reakcijski produkt, 230
kontinuirni, 171
γ, 5
reaktant, 230
s tekočo fazo, 223
recikliranje
v trdnem, 223
preoblikovalna 106, 112
trdnost,
preoblikovanje, 139 hladno, 140 masivno, 139 mehanske 139
lastnosti,
rast, 94 difuzija dolgega dosega, 95
aluminija, 190
difuzija kratkega dosega, 94
polimernih 228
fasetirana, 77 nefasetirana, 77
natezno, 142
ravnina
sekundarno, 139 toplo, 140
invariantno ali nonvariantno, 70
vroče, 140
metastabilno, 44
preskus kvazistatični, 117
ravnotežna razdalja med atomi, 13
lezenja ali trajni mirujoči, 124
razcinkanje medi, 213
mehanski, 117
razkolna ploskev, 113
natezni, 117
razpoka, 46
kontrakcija ali zoženost, 119 vrat ali zožitev, 119 nihajni, 126 trajni nihajni, 123 udarni, 121
transkristalna 221
rast,
keramičnih gradivih, 221
razširjanje, 142
preskušanec
lom, 124
dejanski, 105
prirobnica, 142 prosta energija, 207
relativni, 103 razteznost, 119, 159, 164 raztopina, 71 neurejena, 72
mešanja, 72
regularna, 72
reakcijska, 69
subregularna, 72
vpliv temperature, 69
tekoča, 75, 81
prosti radikal, 229, 230 prostornina analizna, 50
trdna, 35, 75, 161 razvijalec, 134 reakcija
osnovne celice, 25
eksotermna, 95
por
endotermna, 95
pri sintranju, 224
126,
homogena, 119
Gibbsova, 68
red dolgega dosega, 19, 218
s
kroglastim grafitom, 203
red kratkega dosega, 19
z
lamelastim grafitom, 203
rekalescenca, 80
skin efekt, 180
rekristalizacija, 159
Smithov diagram, 123
dinamična, 111, 139
evtektična, 81
snov
primarna, 159, 160
kristalna, 19
sekundarna ali rast zrn, 159
kvazikristalna, 19
sekundarna ali rast zrn, 161
organska, 228
rekristalizacijski diagram, 161
množina, 6 solidus krivulja, 75, 156
rentgenska difrakcija, 58 rentgenski žarki, 58
temperatura, 156 specifična toplota, 67
Richardsovo pravilo, 68
specifična 242
Schaefflerjev 200
spojina
diagram,
segrevanje neprekinjeno, 176 stopenjsko ali prekinjeno, 176 segrevanje površine
trdnost,
spojine nestehiometrične, 73, 86 stehiometrične, 86 ekstenzivne, 66 intezivne, 66 stabilizacija, 180
vodikova vez, 231 siliciranje, 185
73,
spremenljivke stanja
sekundarna vez, 14 van der Waalsova vez, 231
1,
intermetalna, 86
induktivno, 180
staranje, 163 naravno, 163 umetno, 163 stebrasti kristali, 81
simetrija, 21 simetrija kristala, 104 simetrijsko središče, 21 sintranje, 46, 146 gonilna sila, 148
evtektoidna, 87
proton, 4
keramično 223
invariantna, 81
prožnostni modul, 102
mehanizem, 223
monotektoidna, 86
model, 148
specifična, 95
ne velja, 104 modificirana, 203
Schottkyjev par, 34
logaritemski, 105 preskus,
Hookov zakon
gradiv,
Schmidov faktor, 109
raztezek
upogibni, 222 Charpyjev 121
otopitev, 113
v
magnezija, 192
redukcija, 207, 209
zrcalna, 45 ravnotežje
trenje, 140
siva litina
gradivo,
steklišče, 21, 235 strižna deformacija, 103 strižna napetost, 103 kritična, 109 strižna trdnost teoretična, 36 teoretična, 39 strižni modul, 36, 103
- 286 -
GRADIVA – Visokošolski učbenik rekristalizacijska, 160
toplotna obdelava, 156
dendritna, 79
teoretična gostota, 146
segrevanje, 176
podhladitev, 84
teoretična kohezijska trdnost, 112
termokemična, 184
strjevalna fronta celična, 79
ravna, 78 strjevanje enakoosno, 80 enofazna zlitina, 77 evtektična zlitina, 82, 83 gonilna sila, 89 neravnotežno, 77 peritektični diagram, 85 ravnotežno, 76 usmerjeno, 78 substitucijska difuzija, 62 substitucijski atom, 35 sučna os, 22, 56 superplastičnost, 45, 108 superzlitine, 198 talina podhlajena, 21 tališče, 21 SiO2, 225 tehnična keramika, 217 tekstura, 50, 111 deformacijska, 159 rekristalizacijska, 160 telesno centrirana kubična kristalna zgradba, 28
teoretična trdnost
toplotno aktiviran proces, 61, 124
keramična 221
tradicionalna keramika, 217 metastabilna, 163
izomorfni sistem, 76
neurejena, 35
peritektični 85
razmešana, 35, 72
termodinamski 66
evtektična, 81 evtektoidna, 170 homologna, 108 izotermnega žarjenja, 171
poševno, 140 prečno, 140
trdnost
vzdolžno, 140
keramična gradiva vpliv velikosti zrn, 222
sistem,
kohehijska, 46
odprt, 66
dvojna, 231 enojna, 229, 231 ionska, 217
trojna točka, 70 zakon,
ionsko-kovalentna, 217
Trutonovo pravilo, 68 udarna žilavost, 121
drugi, 67
kovalentna, 217
srednja, 122
ničti, 66
mešana, 217
udarno delo, 121
prvi, 66
sekundarna, 111, 228
uklonska slika, 56
tretji, 67
trojna, 231
uklonski vzorec, 20
termodinamsko ravnotežje, 67
van der Waalsove, 111
ultrazvok, 131 longitudinalni 131
metastabilno, 67 nestabilno, 67
val,
transverzalni val, 131 stanje,
termoplast, 31, 105, 111, 228 amorfni, 111 delno kristalen, 111 tetraeder, 28 tetraedrska konfiguracija, 220
kalilna, 179
tetraedrska vrzel intersticija, 28
Mf, 171
točkaste napake, 33 topljenec, 78
disperzijska, 14
Rockwell, 128
zaprt, 66
rekristalizacije, 140
vez dipolna, 14
trdota, 127
topilo, 78
van der Waalsova vez, 14
specifična, 1, 242
neizoliran, 66
Ms, 171
srednja napetost, 123
valjanje, 140
trdnostni koeficient, 112
termodinamsko 66
napetostna amplituda, 123
valenca, 75
izoliran, 66
termodinamski 66
utrujanje
urejena, 35, 72
termodinamika materialov, 66
219, ali
vodikova, 14 vezalna energija elektrona, 8
upogibni preskus, 222 ustje razpoke, 126
med atomi, 13 vibrator, 131
utop, 141
kotni, 132
utrjanje, 108 deformacijsko, 43
42,
Kellyjev mehanizem, 164, 242 Orowanov mehanizem, 242 raztopinsko, 165 s kristalnimi mejami, 44 z delci, 164 zrnavostno, 114
koeficient,
utrujenostna prelomnina, 124
substitucijska, 75
ugotavljanje kontinuirnega premenskega diagrama, 95
A1, 170, 184
avstenitizacije, 171, 178, 179
sistem,
utrjevalni 112
utrujanje materiala, 123
trdna raztopina, 50
evtektični sistem, 82
stabilno, 67
Acm, 170
gradiva,
termična analiza
temperatura, 66 A3, 170
jekel, 168
utrjanje s kristalnimi mejami, 43
navpični, 132 vir dislokacij, 39, 109 Frank-Readov, 39 praznin, 33 rentgenskih 58
žarkov,
svetlobe, 52 viskoelastičnost, 235 polimerna 233
gradiva,
viskozna talina, 235
27. Stvarno kazalo
287
viskoznost, 20, 21, 225, 235
jeklena kaljena kroglica, 128
vključek, 149
karbidna trdina, 127 vzorec
vlečenje hladno, 141
avtentičnost, 52
vmesna spojina
naparevanje, 54
nestehiometrična, 86
naprševanje, 54
stehiometrična, 86
reprezentativnost, 52 vzvodno pravilo, 73
taljenje inkongruentno, 86 kongruentno, 86
Weibullova porazdelitev trdnosti, 221
magnezijeve, 191
žarki
gnetne, 193
gama, 132
livne, 192
rentenski ali X valovna 132
nikljeve, 198 titanove, 196
rentgenski ali X, 132
značaj vezi, 17
železo
ZnS kristalna 220
zgradba,
zrno enakoosno, 50
α-Fe, 168 δ-Fe, 168 γ-Fe, 168 žilav lom
vodikova elekroda, 209
Wöhlerjeva krivulja, 123
napetost tečenja, 44
idealni, 114
vodikova lestvica standardnih potencialov, 209
Youngov modul, 102, 103
orientacija, 43
jamičast, 114
zakon
usmerjeno, 50
volfram, 17
o
votlica, 141
konstantnosti volumna, 105
vrstno število, 132
zamreženje, 228
vrzel, 35, 62, 219
zlitina
dolžina,
rast, 44 žarjenje
žilavost lomna, 126
difuzijsko, 156
prehodna temperatura, 122
homogenizacijsko, 156
prehodna temperatura, 114 udarna, 121
oktaedrska, 27, 175
intermetalna, 86
izotermno, 179
tetraedrska, 27
plastomerna, 228
mehko, 183
ε-karbid Fe2,4C, 174
na grobo zrno, 178
σ-vez, 221
zlitine
vtiskalno telo diamantna piramida, 127
aluminijeve, 188
napetostno, 157
bakrove, 194
diamantni 128
izločevalnoutrjevalne, 190
rekristalizacijsko, 140, 159, 177
stožec,
topilno, 162
