vnitřní struktura kovů

1
VNITŘNÍ STRUKTURA KOVŮ
• Při pozorování vyleptaného povrchu kovu při velkém zvětšení (např. elektronovým mikroskopem) lze pozorovat velmi komplikovanou mikrostrukturu => složena z velkého množství menších, pravidelně tvarovaných těles.
Mikrostruktura kovů je tvořena krystalickou strukturou.
PRI-ST-PO1-04.00F Vnitřní struktura kovů
1 / 11
1.1
VNITŘNÍ STRUKTURA, VLASTNOSTI
• Kovy v pevném skupenství drží pevně pohromadě vlivem kovové vazby
=> drží jednotlivé částice kovu.
Poznámka :
Kovová vazba vzniká při výrobě kovu po redukci rudy shlukováním
vznikajících atomů. Volné elektrony jsou odevzdány atomům kovu.
Z atomů kovu se stávají kladně nabité ionty kovu. Uvolněné, záporně
nabité elektrony obklopují shluky vzniklých kovových iontů jako elektronový mrak. Elektrony se mohou v elektronovém mraku volně pohybovat, nemohou jej ale opustit. Protože se přitahují různě elektrické náboje => elektronový mrak se shlukem kovových iontů je držen pohromadě
Kovová vazba vytváří velmi pevnou soudržnost kovových
iontů a tím PEVNOST KOVU.
Vznik kovové vazby (např. železo)
PRI-ST-PO1-04.00F Vnitřní struktura kovů
2 / 11
1.2
KRYSTALOVÁ MŘÍŽKA
• Soudržné síly elektronového mraku tlačí kovové ionty do co nejmenšího
prostoru => vzniká pravidelné uspořádání kovových iontů.
• Spojením středů kovových iontů vytvoří spojovací čáry prostorovou mřížku
=> krystalová (prostorová) mřížka.
• Nejmenší typická jednotka krystalové mřížky se nazývá základní buňka.
1.3
TYPY KRYSTALOVÝCH MŘÍŽEK KOVŮ
• Ionty kovů se spojují do různých geometrických uspořádání => závisí na
druhu kovů a částečně na teplotě.
Kovy mají krystalovou mřížku :
• krychlovou prostorově středěnou
• krychlovou plošně středěnou
• šesterečnou
PRI-ST-PO1-04.00F Vnitřní struktura kovů
3 / 11
1.3.1
KRYCHLOVÁ PROSTOROVĚ STŘEDĚNÁ KRYSTALOVÁ MŘÍŽKA
• Ionty kovu uspořádány tak, že spojnice středů iontů tvoří krychli.
• Jeden iont se navíc nachází uprostřed krychle.
• Příklady kovů : chrom, wolfram, vanad, železo (při teplotě pod 911°C).
1.3.2
KRYCHLOVÁ PLOŠNĚ STŘEDĚNA KRYSTALOVÁ MŘÍŽKA
• Základní těleso tvořeno krychlí + jeden iont ve středu bočních ploch.
• Příklady kovů : hliník, měď, nikl a železo (při teplotách nad 911°C).
1.3.3
ŠESTEREČNÁ (HEXAGONÁLNÍ) KRYSTALOVÁ MŘÍŽKA
• Ionty tvoří šestiboký hranol s vždy jedním iontem ve středu horní a dolní
podstavy + třemi ionty uvnitř hranolu.
• Příklady kovů : hořčík, zinek a titan.
PRI-ST-PO1-04.00F Vnitřní struktura kovů
4 / 11
1.4
VADY VE STRUKTUŘE KRYSTALU
• Vady ve struktuře krystalu představují :
• prázdné uzlové body (vakance)
• posunutí (dislokace)
• atomy v mezimřížkových polohách (interstice)
Poznámka : Vakance je neobsazené místo v krystalové mřížce. Při dislokaci je celá
vrstva iontů kovu posunuta nebo zcela chybí. Interstice jsou atomy jiného prvku, které jsou umístněny v krystalové mřížce základní látky.
Vady ve struktuře kovů způsobují deformace
v krystalové mřížce.
PRI-ST-PO1-04.00F Vnitřní struktura kovů
5 / 11
1.5
VZNIK STRUKTURY KOVU
• Struktura kovového materiálu vzniká po odlití při tuhnutí kovové lázně na
pevné kovové těleso.
• Tuhnutí kovové lázně probíhá v postupných fázích.
• Příkladem vzniku struktury kovu je ochlazování čistého železa s procesy
probíhajícími v kovové lázni.
1. TAVENINA
• V kapalné fázi (u železa nad 1536°C) se kovové ion ty pohybují volně a neuspořádaně.
• Při ochlazování taveniny klesá teplota => pohyb kovových iontů se postupně zpomaluje.
2. ZAČÁTEK TVORBY KRYSTALŮ
• Po dosažení teploty tuhnutí (u železa 1536°C) za číná v tavenině shlukování
kovových iontů podle typu krystalové mřížky.
• Místa tvorby krystalů se nazývají krystalizační zárodky.
3. POKRAČOVÁNÍ TVORBY KRYSTALŮ
• Ke krystalům se ze zbytkové taveniny (krystalizačních zárodků) přidává stále více kovových iontů.
• Teplota tuhnutí během celé rekrystalizace zůstává u čistých kovů neměnná
=> odebrané teplo je spotřebováno na tvorbu krystalů – vodorovný průběh
křivky chladnutí.
Poznámka : V okamžiku téměř celého spotřebování taveniny dochází
k vzájemným nárazům rostoucích krystalů na svých hranicích do
sebe. Nepravidelně ohraničené krystaly se nazývají krystality nebo
zrna. Ionty kovu v mezní oblasti mezi zrny se nemohou uspořádat
do krystalové mřížky => tvoří mezi jednotlivými zrny neuspořádanou
mezní vrstvu – hranice zrn.
4. ÚPLNÉ ZTUHNUTÍ
• Tavenina zcela ztuhla v okamžiku, kdy všechny ionty kovu mají své pevné
místo => vytvoření struktury materiálu.
• Teplota vzniklého tuhého kovového tělesa opět klesá (příčinou je odvádění
tepla) => klesá křivka chladnutí.
PRI-ST-PO1-04.00F Vnitřní struktura kovů
6 / 11
PRI-ST-PO1-04.00F Vnitřní struktura kovů
7 / 11
1.6
DRUHY STRUKTUR A VLASTNOSTI MATERIÁLU
• Struktura materiálu není pouhým okem viditelná => jednotlivá zrna struktury jsou příliš malá (1 až 100 µm), hranice zrn nelze rozpoznat.
• Pro zviditelnění struktury materiálu je nutná speciální technika – METALOGRAFIE
• Ze zkoumaného materiálu oddělen vzorek (velikost vlašského ořechu).
• Na jedné straně vybroušena
plocha a následně vyleštěna.
• Vyleštěná plocha naleptána
vhodným přípravkem => získaný výbrus posuzován metalografickým mikroskopem.
• Obraz v mikroskopu zobrazuje zrna
a hranice zrn jako tenké čáry probíhající mezi zrny.
Struktura kovu na výbrusu
1.6.1
TVARY ZRN
• Různé kovy a různé typy krystalové mřížky kovu tvoří typický tvar zrn :
• čisté železo – zaoblená zrna (globulární zrna),
• železo s austenitickou strukturou – mnohoúhelníková zrna (polyedrická),
• kalená ocel – jehličkovitá struktura (dendritická),
• páskový cementit, lamelární grafit šedé litiny – lamelová struktura.
PRI-ST-PO1-04.00F Vnitřní struktura kovů
8 / 11
1.6.2
VELIKOST ZRN
• Kovy mají zrna o velikosti od 1 µm až do 100 µm.
• Materiál s jemnozrnnou strukturou má vyšší pevnost a lepší tažnost
oproti materiálu s hrubozrnnou strukturou.
Struktury s rozdílnou velikostí zrn
Požadované velikosti zrn lze dosáhnout :
• tepelným zpracováním (např. normalizačním žíháním)
• tvářením zatepla (např. válcováním zatepla)
• přidáním legovacích prvků (např. manganu – jemnozrnné
konstrukční oceli)
PRI-ST-PO1-04.00F Vnitřní struktura kovů
9 / 11
1.7
STRUKTURA ČISTÝCH KOVŮ A SLITIN
1.7.1
ČISTÉ KOVY
• mají jednolitou (homogenní) strukturu
o všechna zrna se skládají ze stejného druhu kovových atomů
o mají stejné rozložení podle typu krystalové mřížky
o liší se orientace krystalové mřížky
• mají relativně nízkou pevnost => v technické praxi se nepoužívají
v čistém stavu (v technické praxi), ale jako slitiny.
Vnitřní struktura čistého kovu
1.7.2
SLITINY
• Jedná se o směsi více kovů nebo kovů a nekovů.
• V kapalném stavu (tavenina) jsou legovací prvky rozloženy ve slitině rovnoměrně.
• V okamžiku tuhnutí taveniny se vytvářejí různé druhy struktury v závislosti na
základním materiálu a legovacích prvcích.
Vnitřní struktura slitiny se směsí krystalů
PRI-ST-PO1-04.00F Vnitřní struktura kovů
10 / 11
• U slitin se směsí krystalů se různé ionty kovu při tuhnutí taveniny shlukují odděleně do různých zrn struktury.
• U slitin se směsnými krystaly zůstávají atomy legujících prvků při tuhnutí taveniny rovnoměrně rozděleny v krystalové mřížce.
Vnitřní struktura slitiny se směsnými krystaly
Slitiny mají oproti svému čistému základnímu kovu
lepší vlastnosti :
• vyšší pevnost,
• lepší odolnost proti korozi,
• větší tvrdost …..
KONTROLNÍ OTÁZKY
1. Čím je tvořena mikrostruktura kovů ?
2. Co drží v pevném skupenství kovy pevně dohromady ?
3. Jaké tři typy krystalových mřížek mají kovy ?
4. Co způsobuje deformace v krystalové mřížce kovu ?
5. Popište vznik struktury kovů.
6. Jak se od sebe liší čisté kovy a slitiny z hlediska struktury a vlastností
?
PRI-ST-PO1-04.00F Vnitřní struktura kovů
11 / 11