Vliv uhlíku na strukturu a vlastnosti ocelí

Uhlík
Uhlík a jeho alotropy
V přírodě se uhlík nachází zejména v karbonátových usazeninách, naftě,
uhlí, a to jako směs grafitu a amorfní formy C.
Rozeznáváme dvě základní krystalické formy uhlíku:
a)
Diamant
b)
Grafit - tuha
Diamant
Ve struktuře jsou atomy vázány pevnými kovalentními vazbami do plošně
centrované kubické mřížky ⇒ diamant je nejtvrdší přírodní látkou.
Je průzračný, lesklý, někdy zabarvený příměsemi.
Je nevodivý a do teploty 800°C stálý, poté začíná oxidovat na CO2.
Při zahřátí (bez přístupu vzduchu) na 1500°C se mění na grafit.
Diamant lze (obtížně) vyrobit z grafitu působením vysokých tlaků a teploty.
Grafit (tuha)
Struktura grafitu je tvořena vrstvami uhlíkových atomů. Každý uhlíkový atom
je spojen s dalšími třemi atomy uhlíku kovalentními vazbami a vytváří tak síť
šestiúhelníků. Roviny jsou mezi sebou poutány slabými van der Waalsovými
silami, což má za následek výbornou štěpnost a kluznost grafitu ve směru
podél rovin. Čtvrtý, „nadbytečný“ elektron má schopnost pohybovat se po
uhlíkových vrstvách, takže se vytváří obdoba elektronového plynu u vodičů.
Jednotlivé vrstvy jsou vzájemně posunuty o polovinu šestičlenného kruhu.
Grafit krystalizuje v hexagonální struktuře.
Dobře vede elektrický proud.
Lze s ním psát, neboť při psaní se stírají vrstvy atomů uhlíku.
Grafit je málo odolný chemicky i mechanicky.
Krystal grafitu
Amorfní uhlík
Amorfní uhlík = saze
Významná surovina pro řadu průmyslových odvětví, především pro výrobu
technické pryže.
Primární částice saze je tvořena jednou částicí saze, na jejíž povrchu jsou paralelně
uspořádány C do amorfních šestičlenných cyklů, které jsou promíchány s
krystalickými grafitickými strukturami.
Průměr primární částice saze bývá zhruba mezi 10 až 100 nm.
Částice saze
Schématicky znázorněná
struktura sazí
Fullereny a uhlíkové nanotrubičky
Fullereny jsou látky složené ze sférických molekul uhlíku tvořených jakousi
dutou klecí z mnoha atomů C.
Shluky molekul C50 i další (C70, C80) vytvářejí krystaly, tzv. fullerity, které
mají krychlovou symetrii.
Různé typy stabilních fullerenů:a) C28, b)C32, c)C50, d)C60, e)C70
Fulleren C60
Nanotrubice jsou vlastně podobné struktury jako fullereny, s tím rozdílem, že
tvar molekuly místo koule připomíná válec, který může být libovolně dlouhý a
vnitřní objem nemusí být uzavřený, popř.může být mnohovrstvený.
Pro nanotechnologii jsou fullereny a nanotrubice velmi zajímavé, neboť lze tyto
látky připravit v různých modifikacích s odlišnými vlastnostmi. U sférických
fullerenových molekul lze například ovlivňovat vlastnosti tím, že je uvnitř
uvězněn jiný atom. Tak lze změnit třeba hustotu, tepelnou kapacitu, teplotu tání a
varu a přitom je látka co do chemických vlastností.
Uhlíková nanopěna
Mikrostruktura připomíná vzájemně pospojované sítě uhlíkových trubiček 5 nm
dlouhých. Lze považovat za pátou formu uhlíku.
Vznik: Uhlíkový terčík vystavený v argonové atmosféře působení pulzního
laseru.
Uhlíková pěna vykazuje za normálních teplot časově omezené feromagnetické
vlastnosti (což je u látky z čistého uhlíku velmi překvapivé!!!).
Kontrastní látka pro zviditelnění průtoku krve tkáněmi metodou jaderné
magnetické rezonance.
Pro léčbu rakoviny: po vstříknutí látky do nádoru je možné jej zničit lokálním
zvýšením teploty po pohlcení infračerveného záření nanopěnou, zatímco okolní
zdravá tkáň zůstává nepoškozena.
Uhlíková nanopěna
Uhlíková nanopěna
Uhlík v železe
Na vlastnosti technických slitin má nejvýznamnější vliv právě uhlík, neboť uhlík
nejvýznamnějším způsobem ovlivňuje důležité vlastnosti slitin železa.
Uhlík se železem tvoří intersticiální tuhé roztoky s omezenou rozpustností uhlíku.
Po překročení rozpustnosti uhlíku v tuhém roztoku se uhlík vylučuje jako
samostatná fáze.
Při nízkých obsazích tvoří uhlík intersticiální sloučeninu Fe3C. Tato sloučenina
není stabilní a může se rozkládat na grafit a železo.
Soustava Fe-Fe3C se označuje jako soustava metastabilní a podle této soustavy
tuhnou především oceli.
Jestliže je uhlík vyloučen jako grafit, jedná se o soustavu stabilní, která má svůj
význam zejména pro posuzování změn při tuhnutí litin a surových želez.
cementit Fe3C
• mřížka ortorombická
• obsah uhlíku: 6,68%
Uhlík v železe
grafit
• intermediální fáze
Rozpustnost uhlíku v železe při pokojové teplotě je prakticky nulová. Fázové
složení slitin železa s uhlíkem je proto tvořeno feritem a cementitem v případě
metastabilní soustavy, případně feritem a grafitem v případě soustavy stabilní.
CEMENTIT
Cementit je křehká fáze s tvrdostí 700 až 800 HV. S přibývajícím obsahem
uhlíku v soustavě přibývá také obsah cementitu ⇒ ↑ tvrdosti a pevnosti,
zároveň ale ↓ houževnatost a plastické vlastnosti.
Houževnatost a plastické vlastnosti ale také kromě obsahu cementitu závisí na
způsobu jeho vyloučení:
• cementit vyloučený po hranicích zrn (tj.sekundární a terciální) – je pokles
houževnatosti výrazný i při nižších obsazích uhlíku
• u perlitické struktury se dosahuje vyšší houževnatosti při malé mezilamelární
vzdálenosti cementitu. Sferoidizace (sbalení) lamel cementitu v perlitické
struktuře vede ke snížení pevnosti a tvrdosti a ke zvýšení houževnatosti.
GRAFIT (V ŽELEZE)
Grafit je měkká a křehká fáze. U slitin zchladlých dle stabilní soustavy má při
feriticko-grafitické struktuře obsah uhlíku malý vliv na tvrdost. Pevnost,
houževnatost a plastické vlastnosti závisí více na způsobu vyloučení grafitu než
na jeho množství:
• slitiny s grafitem vyloučeným ve formě lupínků jsou křehké – k porušení
dochází obvykle křehkým předčasným lomem
• grafit vyloučený ve formě kuliček – pevnostní vlastnosti těchto slitin jsou
úměrné pevnostním vlastnostem feritu; plastické vlastnosti a houževnatost jsou
ale nižší než srovnatelné vlastnosti feritu
Změna struktury způsobená
ohřevem
Ocel 1.0301 – C10
• 90% feritu, 10% perlitu
• 0,10% C
Ocel 1.0032
• 85% feritu, 15% perlitu
• 0,15% C
Ocel 1.0401 - C15
• 80% feritu, 20% perlitu
• 0,12 – 0,18% C
Ocel 1.1191 – C45E
• 40% feritu, 30% perlitu, 30% sorbitu
• 0,42 – 0,5% C
Ocel 1.1563
• Cementitické síťoví
• 1,2 – 1,35% C
Ocel 19830
• primární karbidy, ferit, globulární perlit
• 0,9% C
• žíhání na měkko, nekaleno
Prášková ocel Vanadis30
• Drobné sekundární karbidy, sorbitická struktura
• 1,28% C
• Zakaleno, popuštěno
Vysokolegovaná ocel 19436
• popuštěný martenzit, primární a sekundární karbidy chromu
• 1,5% C, 12,5% Cr
• kaleno, popuštěno
LITINY
Šedá litina 0,6515
• Lupínkový grafit
• 3,4 – 3,7% C
Tvárná litina 0,7040
• Zrnitý grafit
• 3,5 – 3,8% C
Litina GJV-SiMo
• 30% kuličkový grafit, 70% vermikulární (červíkovitý) grafit
• 3,0 – 3,5% C
Litina GJS-SiMo5-1
• 80-85% feritu, 15-20% perlitu/sorbitu, kuličkový grafit
• 3,2-3,6% C
OCEL ČSN 11 523
TZ:
Ohřev: 1200°C
Chlazeno: voda
TZ:
Ohřev: 1000°C
Chlazeno: voda
TZ:
Ohřev: 800°C
Chlazeno: voda
TZ:
Ohřev: 900°C
Chlazeno: voda
TZ:
Ohřev: 1200°C
Chlazeno: olej
TZ: ohřev:1000°C, chlazeno:olej
TZ: ohřev:900°C, chlazeno:olej
TZ:ohřev:800°C, chlazeno:olej
TZ:
Ohřev: 1200°C
Chlazeno: vzduch
TZ:
Ohřev: 1200°C
Chlazeno: pec
TZ:ohřev:1000°C, chlazeno:pec
TZ:ohřev:900°C, chlazeno:pec
TZ:
Ohřev: 800°C
Chlazeno: pec
TZ:
Ohřev: 750°C
Chlazeno: pec
TZ:ohřev:800°C, chlazeno:vzduch
TZ:ohřev:900°C, chlazeno:vzduch
TZ:ohřev:750°C, chlazeno:vzduch