1. No category

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