Hra – určování materiálu
1. Rám jízdního kola – dural
- Rámy jízdních kol se vyrábějí například z hliníkových slitin, ocelí, titanu nebo kompozitních materiálů.
- Dural je skupina hliníkových slitin, ve kterých je hlavním legujícím prvkem měď. Mohou obsahovat také hořčík, mangan a další prvky.
- Hliníkové slitiny se vyznačují nízkou hustotou, dobrou měrnou pevností a dobrou obrobitelností. Jejich mechanické vlastnosti lze u některých slitin výrazně zvýšit tepelným zpracováním – precipitačním vytvrzením.
- Měrná pevnost vyjadřuje poměr pevnosti materiálu k jeho hustotě. Právě nízká hustota hliníkových slitin je výhodná pro konstrukce, u kterých je požadována nízká hmotnost.
- letecký a automobilový průmysl
- rámy jízdních kol a díly motocyklů
- sportovní potřeby
Je tvořena tuhým roztokem na bázi Al a precipitáty bohatými na Cu, které vznikají při tepelném zpracování a přispívají ke zvýšení pevnosti slitiny.
2. Turbínový motor – niklová superslitina
- Rotorové a statorové lopatky a další součásti turbínových leteckých motorů se vyrábějí z vysokoteplotních superslitin, především na bázi niklu.
- Niklové superslitiny jsou vysoce legované slitiny, které si zachovávají vysokou pevnost a odolnost proti tečení i při vysokých teplotách. Vyznačují se také vysokou odolností proti oxidaci a korozi.
- Jejich mechanické vlastnosti lze dále ovlivnit tepelným zpracováním, zejména precipitačním vytvrzením, při kterém vznikají jemné vytvrzující precipitáty. Ty významně zvyšují pevnost a odolnost proti tečení při vysokých teplotách.
- letecký průmysl
- kosmický průmysl
- energetika
- petrochemický průmysl
Je tvořena γ tuhým roztokem na bázi Ni a jemnými precipitáty γ′, přibližně Ni3(Al,Ti). Právě γ′ precipitáty významně přispívají k vysoké pevnosti při zvýšených teplotách.
3. Blok motoru – grafitická litina
- Grafitické litiny jsou slitiny železa s uhlíkem a křemíkem, ve kterých se část uhlíku vylučuje ve formě grafitu. Výsledné vlastnosti závisí především na tvaru a velikosti grafitických částic a na typu kovové matrice.
- Litina s lupínkovým grafitem má dobrou schopnost tlumit vibrace, dobré kluzné vlastnosti a vysokou pevnost v tlaku. Naopak její tažnost je velmi nízká, protože lupínky grafitu působí jako koncentrátory napětí.
- bloky motorů
- hlavy a vložky válců
- rámy a lože obráběcích strojů
- některé části energetických zařízení
Je tvořena perlitickou kovovou matricí a grafitem ve tvaru lupínků. Lupínkový grafit významně ovlivňuje mechanické vlastnosti materiálu, zejména pevnost a schopnost tlumit vibrace.
4. Karoserie automobilu – ocel
- Karoserie automobilů se vyrábějí z různých druhů ocelí, hliníkových slitin a kompozitních materiálů. Volba materiálu závisí na požadované pevnosti, tvárnosti, hmotnosti, bezpečnosti a technologii výroby.
- Hlubokotažné nízkouhlíkové oceli se používají například na kapoty, blatníky, vnější panely dveří a další tvarově složité díly. Musí mít především dobrou tvárnost, aby je bylo možné při lisování výrazně deformovat bez vzniku trhlin.
- Vysokopevnostní oceli se používají například na sloupky, prahy a další bezpečnostní části karoserie. Jejich vysoká pevnost pomáhá omezit deformaci prostoru pro posádku.
- Dvoufázové oceli kombinují měkčí a tvrdší strukturní složky. Díky tomu mohou při nárazu absorbovat značné množství energie.
Je tvořena jemnozrnnou feritickou matricí, která je měkká a dobře tvárná. Nízký obsah uhlíku přispívá k její dobré tvárnosti.
5. Karoserie – koroze oceli
- Ocelové součásti automobilů jsou během provozu vystaveny působení vody, kyslíku, změn teplot a posypových solí. Za těchto podmínek může docházet ke korozi, tedy k postupné degradaci kovu.
- Koroze oceli je elektrochemický proces, při kterém dochází k oxidaci železa v přítomnosti vhodného prostředí.
- Ocelové části karoserie se proto chrání například zinkováním, povrchovými úpravami, základními nátěry a laky. Pokud dojde k poškození ochranné vrstvy například kamínkem nebo škrábancem, může být povrch vystaven koroznímu prostředí.
- Korozi výrazně urychluje především vlhkost, přítomnost solí a střídání teplot.
Na povrchu korodující oceli vznikají především oxidy a hydroxidy železa, často v hydratované podobě. Jejich složení a struktura závisí na podmínkách prostředí a průběhu koroze. Tvoří krásné struktury.
6. Kolejnice – ocel
- Kolejnice se vyrábějí z nelegovaných nebo nízkolegovaných ocelí s vyšším obsahem uhlíku. Typickým příkladem je ocel s obsahem uhlíku přibližně 0,7–0,8 %.
- Ocel je slitina železa s uhlíkem a dalšími prvky. U kolejnic je důležitá především vysoká pevnost, tvrdost a odolnost proti opotřebení, protože jejich povrch je namáhán opakovanými kontakty s koly železničních vozidel.
- Vlastnosti kolejnic lze ovlivnit chemickým složením, tepelným zpracováním a řízeným ochlazováním. Přidáním prvků, jako jsou Cr nebo V, případně tepelným zpracováním hlavy kolejnice, lze zvýšit její pevnost a odolnost proti opotřebení.
- železniční kolejnice
- výhybky
- další železniční infrastruktura
Je tvořena jemným lamelárním perlitem, tedy směsí feritu a cementitu. Jemná perlitická struktura přispívá k vysoké pevnosti a odolnosti proti opotřebení.
7. Hrnec – korozivzdorná ocel
- Korozivzdorné oceli jsou slitiny železa s uhlíkem a dalšími prvky, především chromem. Obsah chromu podporuje vznik ochranné pasivní vrstvy, která výrazně zvyšuje odolnost materiálu proti korozi.
- Austenitické korozivzdorné oceli obsahují zpravidla významné množství Cr a Ni. Vyznačují se velmi dobrou korozní odolností, dobrou tvárností a svařitelností.
- potravinářský a chemický průmysl
- kuchyňské náčiní
- nádoby a zařízení pro zpracování potravin
- některé vysokoteplotní aplikace
Obsahuje přibližně 18 % Cr a 8 % Ni a má velmi nízký obsah uhlíku, maximálně přibližně 0,03 %. Za běžných podmínek je tvořena převážně austenitickou strukturou.
8. Nůž – kalená ocel
- Nože a ruční nástroje se vyrábějí z nástrojových ocelí nebo z korozivzdorných martenzitických ocelí. Požadujeme u nich především vysokou tvrdost, pevnost a odolnost proti opotřebení a u některých aplikací také korozní odolnost.
- Mechanické vlastnosti lze ovlivnit chemickým složením a tepelným zpracováním, zejména kalením a následným popouštěním.
- Při kalení vzniká tvrdý martenzit. Následným popouštěním se snižuje křehkost a upravuje poměr tvrdosti, pevnosti a houževnatosti.
- nože a čepele
- ruční nástroje
- nástroje pro zpracování dřeva
- drobné chirurgické nástroje
- součásti namáhané v korozním prostředí
Je tvořena především popuštěným martenzitem, ve kterém se mohou nacházet karbidické částice a případně také určité množství zbytkového austenitu.
9. Vodovodní baterie – bronz
- Bronzy jsou slitiny mědi s prvky, jako je například Sn, Al nebo Ni. Na rozdíl od mosazí nejsou založeny na soustavě Cu–Zn.
- Cínové bronzy se vyznačují dobrou odolností proti korozi, dobrou pevností a odolností proti opotřebení. Používají se tam, kde je požadována kombinace mechanických vlastností a odolnosti vůči působení prostředí.
- armatury a některé části vodovodních baterií
- kluzná ložiska
- pružiny
- šneková a ozubená kola
- umělecké předměty a mince
Je tvořena tuhým roztokem α na bázi Cu a eutektickou strukturou α + δ. Mikrostruktura a podíl jednotlivých fází závisí především na chemickém složení a podmínkách tuhnutí.
10. Zubní implantát – biokeramika
- Pro některé biomedicínské aplikace se kromě kovových materiálů používá také keramika, která musí vykazovat vhodnou biokompatibilitu a mechanické vlastnosti.
- Bioinertní keramika vykazuje nízkou chemickou a biologickou reaktivitu. Patří sem například keramika na bázi ZrO2 stabilizovaného Y2O3 nebo Al2O3. Zirkoničité keramické materiály se používají například v dentálních aplikacích.
- Vyznačují se vysokou tvrdostí, pevností, odolností proti opotřebení a chemickou stabilitou.
- Bioaktivní keramika je schopna aktivně interagovat s biologickým prostředím. Patří sem například hydroxyapatit, fosforečnany vápenaté a bioaktivní skla. Tyto materiály mohou podporovat vznik vazby mezi materiálem a okolní kostní tkání.
- Vstřebatelná keramika se v těle postupně rozpouští nebo degraduje a může být nahrazována nově vznikající tkání.
Na lomové ploše keramických materiálů lze pozorovat různé mechanismy porušení, například transkrystalický a interkrystalický lom. Charakter lomu souvisí s mikrostrukturou, velikostí zrn a vlastnostmi hranic mezi zrny.
Ústav Materiálových Věd a Inženýrství
Fakulta Strojního inženýrství
Vysoké učení technické v Brně
