Průvodní list Šablona: III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Vzdělávací materiál Prezentace Určen pro: 1. ročník oboru Strojírenství a 2. ročník oboru Ekonomika a podnikání Vzdělávací oblast: Strojírenská technologie – Nauka o materiálu Název učebního materiálu: Krystalizace čistého kovu a slitin Jméno autora: Ing. Miroslava Jeřichová Datum vytvoření: Reg.č. projektu: CZ.1.07/1.5.00/

Klíčová slova: kov, legura, slitina, krystalizace, tavenina, křivka tání a tuhnutí, prodleva, teplota tání a tuhnutí, polymorfie, krystalizační zárodek. Anotace: Prezentace je určena žákům 1. ročníku oboru Strojírenství pro výuku v předmětu Strojírenská technologie a žákům 2. ročníku oboru Ekonomika a podnikání v předmětu Strojírenská výroba. Inovuje výuku použitím multimediálních pomůcek – prezentace. Metodické pokyny: DUM uplatní učitel při výkladu dané látky, použité obrázky zvýší názornost výkladu. Prezentaci mohou žáci použít i v rámci samostatné domácí přípravy na výuku.

Krystalizace čistého kovu a slitin  Kovy a jejich slitiny  Křivka chladnutí (tuhnutí) čistého kovu  Křivka ohřevu (tání) čistého kovu  Křivka ohřevu a chladnutí čistého polymorfního kovu  Křivka tání a tuhnutí slitiny  Krystalizace čistých kovů

Kovy a jejich slitiny  Přibližně ¾ prvků tvoří kovy, mezi kovy a nekovy není přesná hranice  Některé prvky mají vlastnosti obou skupin (B, Si, Ge)  Kovy rozdělujeme do skupin: 1.Skupina A – alkalické kovy, tvoří hlavní složku zásad, nízká teplota tání, špatné mechanické vlastnosti (Na, K, Ca, Mg…) 2.Skupina T – kovy technicky nejdůležitější, vysoká teplota tání, vynikající mechanické vlastnosti ( Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Mn…..) 3.Skupina B – některé vlastnosti kovů, tvoří přechod k nekovům = polovodiče ( Si, B, Ge, C..)

Kovy a jejich slitiny  Kov je takový prvek, který má většinu z uvedených vlastností: 1.Lesk = vysoká odrazivost pro viditelné světlo 2.Vysoká kujnost a tažnost 3.Vysoká tepelná a elektrická vodivost 4.Zásaditý charakter  Čisté kovy se vyznačují nízkou pevností a značnou tvárností, a proto se snažíme jejich vlastnosti zlepšit legury slitiny  Slitina je tvořena nejméně dvěma prvky, z nichž jeden převládající je kov

Kovy a jejich slitiny  Slitiny mohou vznikat: 1.Slitím dvou nebo více roztavených kovů 2.Rozpouštěním malých kousků legur (kov, nekov) v roztaveném základním kovu 3.Difúzí  Dle počtu složek jsou slitiny: a)Podvojné = binární b)Potrojné = ternární c)Počtverné = kvaternární d)Komplexní – více než 4 složky

Křivka chladnutí čistého kovu  Dokonale čistý kov představuje soustavu o jedné složce a jedné fázi  Složka = chemický prvek nebo sloučenina, která vstupuje do všech dějů uvnitř soustavy, ale nikdy se nemění a nezaniká  Fáze je homogenní část soustavy vždy pevně ohraničená, která má v dané oblasti určité vlastnosti a překročením hranice této oblasti ( změnou tlaku, teploty) se její vlastnosti mění skokem  Fáze může být tuhá, kapalná, plynná, každý krystalický stav, který má určitý druh mřížky = samostatná tuhá fáze fázi nelze ztotožňovat se skupenstvím

Křivka chladnutí čistého kovu  Průběh krystalizace kovu získáme termickou analýzou, která využívá různých metod:  Klasická termická analýza TA - nejstarší a nejjednodušší metoda používaná pro stanovení teploty tání a tuhnutí u čistých látek, je založena na zjišťování uvolňovaného nebo pohlcovaného tepla při fázové přeměně, měří se teplota v závislosti na čase  Termogravimetrická analýza TG – vzorek se zahřívá za současného vážení a zaznamenává se průběh hmotnosti v závislosti na teplotě a čase  Diferenční termická analýza DTA - Vzorek kontrolované látky se zahřívá zvolenou rychlostí současně se vzorkem srovnávacím (etalonem) a zaznamenává se teplotní rozdíl vzniklý mezi těmito vzorky v důsledku dějů probíhajících v kontrolovaném vzorku tepelné zabarvení

Křivka chladnutí čistého kovu  Diferenční skenovací kalorimetrie DSC - pracuje na principu DTA, měřené rozdíly teplot jsou pomocí software převáděny na energetické údaje vyjadřující spotřebu nebo výdej energie během reakcí, které probíhají v kontrolovaném vzorku  Základním úkolem těchto metod je získat informace pro vypracování technologických postupů pro lití, ochlazování, tepelné zpracování, tváření a další výrobní procesy

Křivka chladnutí čistého kovu  Pomocí metody TA sledujeme chladnutí čistého kovu a to tak, že měříme teplotu a čas  Grafické vyjádření křivka chladnutí Nepolymorfní čistý kov T

Křivka chladnutí čistého kovu  Popis křivky chladnutí:  Pokles teploty znázorněný logaritmickou křivkou I je plynulý až do teploty krystalizace ϑ = T T (teplota tuhnutí)  Přeměna taveniny v tuhou fázi je doprovázena uvolňováním skupenského tepla tuhnutí T konst v průběhu celé krystalizace II - prodleva  a = počátek krystalizace  b = konec krystalizace  Teprve až všechen kov ztuhne (od bodu b) začne teplota opět klesat podle logaritmické křivky III  Nepolymorfní čisté kovy tuhnou za stálé teploty tzn. v jednom bodě T T = teplota tuhnutí

Křivka chladnutí čistého kovu  Simultánní přístroj pro TG a DTA do teploty 1600 °C

Křivka ohřevu  Ohříváme-li čistý kov křivka ohřevu

Křivka ohřevu  Popis křivky tání:  Za ideálních podmínek tzn. při velmi pomalém ohřevu se při teplotě tání objeví na křivce prodleva = úsek a-b k roztavení je potřeba tepelná energie, která se ve vznikající tavenině projevuje jako skupenské teplo tání  Teplota začne zase stoupat podle logaritmické křivky až se všechen kov roztaví  Teplota tání leží o něco výš, než je teplota tuhnutí tepelná hystereze - způsobí ji vnitřní odpory v mřížce a snaha tuhé fáze podržet si svůj tvar co nejdéle  Tuhnutí kovu v praxi probíhá při teplotě o něco nižší než je teplota T T podchlazení, jakmile začne krystalizace, uvolněním překrystalizačního tepla se zvýší teplota taveniny na teoretickou T T

Křivka ohřevu  Vliv podchlazení na křivku chladnutí

Křivka tání a tuhnutí polymorfního kovu  Fe, Co, Ti, Sn… mění v tuhém stavu při změně teploty krystalovou mřížku, a tím i vlastnosti polymorfie  Krystalicky odlišné útvary modifikace, značíme řeckými písmeny  Přeměna, při které se jedna modifikace mění v druhou alotropická přeměna = překrystalizace  Polymorfní kovy mohou mít v tuhé fázi několik alotropických přeměn  Tato přeměna je doprovázená pohlcováním nebo uvolňováním tepla (překrystalizační teplo) na křivce tání nebo tuhnutí prodleva

Křivka tání a tuhnutí polymorfního kovu

Křivka tání a tuhnutí slitiny  Krystaly tuhého roztoku nevznikají při jedné konstantní teplotě jako u čistého kovu, ale v rozmezí dvou teplot T l a T s  křivka nemá prodlevu  T l = teplota likvidu = počátku krystalizace, nad T l - tavenina  T s = teplota solidu = konec krystalizace, pod T s - tuhý roztok  Mezi těmito teplotami se ochlazování slitiny zpomalí, protože se uvolňuje krystalizační teplo  Mezi T l a T s - tavenina + krystaly tuhého roztoku homogenní tavenina Tuhý roztok α tavenina + α

Krystalizace  Difúzní fázová přeměna – kov z kapalného skupenství přechází do skupenství tuhého tavenina se mění v krystaly  Přeměna neprobíhá v celém objemu taveniny najednou krystalizační zárodky  Období vzniku zárodků nukleace, v další fázi se přemísťují atomy z taveniny k povrchu zárodků růst zárodků, po určité době se začnou krystaly dotýkat a vzájemně si bránit dalšímu růstu veškerá tavenina se změnila v krystaly – krystalizace je ukončena  Homogenní nukleace – krystalizační zárodky vznikají přímo z taveniny  Heterogenní nukleace – krystaly rostou na cizích zárodcích např. stěna formy, vměstek, přísada

Krystalizace  Schéma postupu krystalizace Červená krevní sůl na strusce

Krystalizace  Schéma průběhu krystalizace

Krystalizace  Ukázky krystalů různých látek Kamenec draselný (barvený) Modrá skalice

Krystalizace  Heterogenní nukleace – vhodné jsou cizí zárodky, které mají krystalickou mřížku podobnou krystalizujícímu kovu očkování taveniny = úmyslné přidání přísady jemnozrnná struktura  Výsledná struktura ztuhlého kovu závisí na rychlosti ochlazování – čím vyšší rychlost, tím jemnější struktura  Charakter struktury ztuhlého kovu určuje i průběh teploty na rozhraní fází: 1.Teplota směrem do taveniny roste = rovnoměrná struktura izotropní vlastnosti tzn. ve všech směrech stejné 2.Teplota směrem do taveniny klesá = dochází k přednostnímu růstu krystalů v určitých směrech stromečkovitý tvar krystalu = dendrit anizotropní vlastnosti tzn. vlastnosti kovu jsou v různých směrech různé

Použité zdroje:  Zdroje obrázků: AUTOR NEUVEDEN. www. seznam.cz [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: DRYÁK, K. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: DRYÁK, K.. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: DRYÁK, K.. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: AUTOR NEUVEDEN. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: Použitá literatura: MACEK, K.; ZUNA, P.; BARTOŠ, J.. Nauka o materiálu II. Praha 1: SNTL, Nakladatelství technické literatury, 1986, ISBN HLUCHÝ, Miroslav a kol. Strojírenská technologie 1Nauka o materiálu. Praha 1: SNTL, Nakladatelství technické literatury, 1978, ISBN