11. přednáška

Technické materiály
Technické materiály vždy rozhodujícím způsobem ovlivňovaly lidskou
civilizaci. To je důvodem proč byly historické stupně vývoje společnosti
často charakterizovány podle základních materiálů, které lidé používali –
doba kamenná, bronzová, železná …
Odhaduje se, že dosud bylo vyvinuto více než 25 000 typů kovových slitin a nejméně
15 000 typů plastů. Kvalifikovaný výběr materiálu rozhodujícím způsobem ovlivňuje
výsledné parametry konstrukce a proto se vyvinul zcela nový obor – Materiálové
inženýrství.
Cílem této přednášky je pouze základní přehled nejpoužívanějších materiálů v oblasti
strojního inženýrství, jejich značení a nejčastějšího použití. Hlubší studium problematiky
materiálového inženýrství bude cílem dalších specializovaných přednášek.
Pavel Mazal 2005 1

Základní rozdělení technických materiálů
tech. kovy nekovy kompozitní
železné neželezné anorganické organické
...........................................................................
technické kovy
slitiny železa neželezné kovy
oceli litiny těžké lehké „drahé“
Kovy jsou prvky, které jsou chemicky charakterizovány jako elektropozitivní
(mají snahu předávat valenční elektrony a vytvářet jednoatomové kationty).
Jsou dále charakteristické vysokou elektrickou a tepelnou vodivostí, mají
kovový lest a dobrou tažnost. V přírodě se vyskytují ve sloučeninách
(rudách), případně vryzíformě (např. drahé kovy).
Pavel Mazal 2005 2

Vlastnosti materiálů
Fyzikální – hustota, teplota tání, elektrická a tepelná
vodivost, délková roztažnost …
Mechanické – elasticko-plastické deformační chování,
houževnatost, křehkost, tvrdost, pevnost v tahu, mez
kluzu, tažnost, odolnost opotřebení apod.
Technologické vlastnosti – slévatelnost, obrobitelnost,
svařitelnost, kalitelnost atd.
Chemické vlastnosti – zejména korozní chování …
Zdravotní nezávadnost a vliv na životní prostředí
Pavel Mazal 2005 3

Ž e l e z n é
k o v y
chemicky čisté železo (Fe)
Chemický prvek - měkké, nízká R m
, není vhodné pro praktické
využití (hustota 7850 kg/m 3 , teplota tání 1536°C).
technické železo
Vyrábí se ze železné rudy a vždy obsahuje příměsi a nečistoty
(Si, S, P apod.), které zhoršují výsledné vlastnosti a proto je
snaha jejich obsah snížit.
Při dalším zpracování se naopak dodávají legury - Cr, Mn, Ni,
Cu, W, Mo, Co, V, Ti apod., které výrazně ovlivňují vlastnosti a
jsou do slitiny vnášeny záměrně.
Pavel Mazal 2005 4

OCELI
Slitiny železa s velkou
pevností. Oceli zůstávají
i nadále nejvýznamnějším
konstrukčním materiálem
(uhlík obvykle ve formě
karbidů železa a jeho
obsah je nižší než cca 2%).
Základní rozdělení ocelí
ktváření
na odlitky
- nelegované (uhlíkové) - nelegované (uhlíkové)
- legované - legované
- nástrojové
Pavel Mazal 2005 5

Výroba
oceli
železárny ⇒ surové železo
ocelárny ⇒ ocel
(zkujňování – snížení obsahu doprovodných
prvků – C, Mn, S, P – kyslíkové konvertory,
obloukové pece apod.)
válcovny ⇒ polotovary
XXXX
distribuce polotovarů
XXXX
výrobní podnik
sklad polotovarů ⇒ dělírna materiálu ⇒
⇒ kovárna, svařovna, obrobna apod.
Pavel Mazal 2005 6

Kontinuální lití oceli
Moderní, levný a rychlý způsob
výroby oceli ve tvaru tyčí
kruhového nebo čtyřhranného
průřezu.
A – lití oceli do kokil
B – plynulé odlévání s
přímým chladicím pásmem
C – lití se zakřiveným chladicím
pásmem (novější způsob)
1) kokila
2) zátka
3) chlazení vodní sprchou
4) tavená ocel
Pavel Mazal 2005 7

Rozdělení ocelí
Tvářené
nelegované (uhlíkové) limitní obsahy legur: Mn 1,65% ; Si 0,50% ; Pb 0,40%;
Cu 0,40%; Ni 0,30% ; Cr 0,30% ; W, Co, Mo, V, Ti, Al 0,10 % apod.
Oceli jsou určeny pro běžné aplikace.
legované : nízko ∑ legur do 5 %
středně ∑ legur do 10 %
vysoko ∑ legur nad 10 %
nástrojové - nelegované a legované
Oceli určeny pro speciální aplikace.
Používají se obvykle v tepelně
zpracovaném stavu, který vyvolá jejich
požadované vlastnosti.
Musí splňovat speciální požadavky - tvrdost, řezivost, odolnost proti otěru, žárupevnost,
stálost rozměrů apod.
Tvářené oceli jsou z hutí dodávány ve formě:
a) tvářené hutní polotovary - válcované za tepla nebo za studena - tyče, trubky, profily,
plechy apod. slouží přímo k výrobě součástí
b) ingoty, bloky a bramy určené ke kování v kovárnách
Oceli na odlitky (C < 2,14%) nelegované ( C ) a legované
Špatně zatékají, smršťují se. Využití pro výrobu tlustostěnných odlitků - rotory,
kola, rámy, stojany apod. Ocelové odlitky se obvykle dále tepelně nezpracovávají.
Pavel Mazal 2005 8

LITINY
Litiny jsou dobře odlévatelné materiály, které obsahují ve své struktuře vyšší
obsah uhlíku. Litiny se vyrábí ze surového železa, ocelového a litinového
odpadu, dále se přidávají vhodné legovací prvky. Výroba probíhá v
šachtových pecích (kuplovnách), indukčních kelímkových pecích,
obloukových elektrických pecích apod.
a) Šedá litina (litina s lupínkovým grafitem)
Měkké lupínky grafitu způsobují dobré
kluzné vlastnosti, příznivou obrobitelnost a
schopnost tlumit vibrace. Lupínky C však
způsobují omezenou pevnost a nízkou
houževnatost.
Materiál má velmi dobré slévárenské
vlastnosti. Vzhledem k tomu je
nejpoužívanějším materiálem pro výrobu
odlitků.
Použití např. na výrobu skříní převodovek,
stojanů, těles čerpadel, konzol apod.
Pavel Mazal 2005 9

) Tvárná litina (litina s kuličkovým grafitem)
Grafit je v základní struktuře uložen ve
formě kuliček. Vzhledem k příznivému
tvaru grafitu má poměrně vysokou
pevnost, houževnatost a dobrou tažnost.
Používá se výrobu ozubených kol,
klikových hřídelí, skříní čerpadel apod.
b) Bílá litina - grafit je ve struktuře přítomen
ve formě karbidu železa. Litina vzniká rychlým
ochlazením taveniny. Materiál je tvrdý a obtížně
obrobitelný. Používá se na výrobu mlecích
těles, roštů apod.
d) Temperovaná litina (s bílým nebo černým
lomem, příp. perlitická) vzniká dlouhodobým
tepelným zpracováním (často až několikadenní
žíhání). Používá se zejména v automobilovém
průmyslu – ojnice, sloupky řízení, řadicí vidlice
dále fitinky, tělesa ventilů apod.
Pavel Mazal 2005 10

Normalizace kovových materiálů
V současné době již platí nové označování materiálů podle norem EN a
ISO, v podnikové sféře je však stále užíváno původní značení podle ČSN.
Z tohoto důvodu budou uvedeny principy obou typů značení.
Značen
ení materiálu dle ČSN (číseln(
selný kód)
Všechny normy materiálů jsou v původních ČSN zařazeny do tříd
norem 41 a 42.
• identifikace druhu materiálu (ocel, litina, hliník apod.), obvykle i jakost a
některé vlastnosti - R m
, chemické složení apod.
• doplňkové číslice stanoví stav materiálu např.- tepelné zpracování, stupeň
přetváření apod.
• další údaje Např. 12 010.9, 42 2453
Pavel Mazal 2005 11

OCELI K TVÁŘEN
ENÍ
Kategorizace tvářených ocelí dle ČSN - dělí se do 9 tříd.
nelegované (uhlíkové) tř. 10, 11 a 12 , limitní obsahy legur: Mn 1,65% ; Si 0,50% ;
Pb 0,40%; Cu 0,40%; Ni 0,30% ; Cr 0,30% ; W, Co, Mo, V, Ti, Al 0,10 % apod.
legované tř.13, 14,15 16 a 17: nízko ∑ legur do 5 %
středně ∑ legur do 10 %
vysoko ∑ legur nad 10 %
Systém číselného značení tvářených ocelí
U třídy norem 41 se ve značce oceli vynechává 4 a používá se pět číslic
příklad: ČSN 41 3513 → ocel 13 513
ČSN 41 2061 → ocel 12 061
1 x x x x . x x
1.a 2. - třída ocelí doplňkové číslice
3.a 4. - závisí na třídě oceli 1. stav oceli po tepelném zpracování
5. - specifické vlastnosti 2. stupeň přetváření
Pavel Mazal 2005 12

Značení ocelí tř.10 a 11
11 x x x . x x
1.a 2. číslice - třída ocelí - 10,11 např. 10 420.1
3.a 4. číslice - přibližná R m
(v 10 MPa) Tř.10, mez pevnosti 420 MPa, normalizačně žíháno
5. specifické vlastnosti
11 600.0
tř. 10
Tř.11, mez pevnosti 600 MPa, tep. nezpracováno
Dány pouze omezené informace o chemickém složení, zaručena R m
, tažnost.
Použití: stavebnictví, mosty, jeřáby, kolejnice apod. Příklady: 10 500, 10 523, 10 650
tř. 11
Zaručeno: obsah P a S, základní mech. vlastnosti.
Použití: běžné strojní součásti
zaručeně svařitelné - 11 373, 11 353, 11 523
vyšší pevnosti - 11 500, 11 600, 11 700
automatové - 11 107, 11 110, 11 112
( pozor - výjimka ve značení, 3. číslice je vždy 1,
4. číslice určuje obsah uhlíku v procentech)
Pavel Mazal 2005 13

tř. 12
Ušlechtilá nelegovaná ocel, musí být dodrženo chem. složení, ∑ legujících prvků
menší než 1% (3. číslice 0).
značení 1 2
x x x . x x
3.číslice - ∑obsahu leg. prvků v % oceli cementační 12 010, 12 020
(nízké C!)
4.číslice - střední obsah C v 0,1 % oceli ke kalení 12 050, 12 060
(obsah C 0,5-0,6)
5.číslice - doplňkové číslo (pořadí) oceli pružinové 12 080, 12 090
tř.13-16
Konstrukční oceli legované (slitinové)
systém značení je obdobný jako u tř.12
tř. 13 Mn, Si, Mn-Si, Mn-V, ...
tř. 14 Cr, Cr-Al, Cr-Mn, Cr-Si, Cr-Mn-Si, ...
tř. 15 Mo, Mn-Mo, Cr-Mo, Cr-V, Cr-W, ...
tř. 16 Ni, Cr-Ni, Ni-V, Cr-Ni-Mn, ...
Používají se téměř výhradně v tepelně zpracovaném stavu.
Užití pro namáhané strojní dílce - ojnice, klikové hřídele, ozubená kola, prvky
valivých ložisek, namáhaná ozubená kola apod.
Pavel Mazal 2005 14

tř.17
1 7 x x x . x x
3.číslice - skupina legujících prvků (např. 0 - Cr oceli, 5 - Ni oceli, 6 - Mn oceli
4.číslice - stupeň bohatosti přísad
Speciální vysokolegované oceli - korozivzdorné oceli (potravinářský a chemický
průmysl, lékařské nástroje apod.), žáruvzdorné materiály (energetický průmysl,
zařízení pro tepelné zpracování a výrobu kovů apod.), antimagnetické oceli ...
tř.19 nástrojové oceli
uhlíkové x legované 1 9 x x x . x x
3.číslice - typ legovaní: 0,1,2 nelegované, 3-9 legované
4.číslice
Uhlíkové - spol. s 3.číslicí charakterizuje obsah C
Legované -pořadové číslo kombinace legujících prvků
Nástrojové oceli – obecně mají vysokou R m
, tvrdost,
řezivost, odolnost proti otěru, žárupevnost, stálost
rozměrů apod.
Pavel Mazal 2005 15

Doplňkov
kové číslice
14 140. x x
1. konečný stav oceli po tepelném zpracování - 0 tepelně
nezpracováno, 1 normalizačně žíháno, 2 žíháno (s uvedením způsobu
žíhání), 3 žíháno na měkko, 4 kaleno, 5 normalizačně žíháno a
popuštěno, 6 zušlechtěno na dolní pevnost, 7 zušlechtěno na střední
pevnost, 8 zušlechtěno na horní pevnost , 9 ostatní způsoby tepelného
zpracování – musí být specifikováno v dokumentaci.
2. stupeň přetváření materiálu - při výrobě polotovaru, např. 0 je
nepřeválcováno, 1 lehce převálcováno, 2 - 1/4 tvrdé apod..
Příklady předepisov
edepisování hutních polotovarů (tvářené materiály)
∅50-204 ČSN 42 5551
50-204 ČSN 42 5549
50x20-204 ČSN 42 5548
L20x3-204 ČSN 42 5541
TR∅60x3-204 ČSN 42 5715
P10-200x85 ČSN 42 5310
Pavel Mazal 2005 16

Slitiny Fe na výrobu v
odlitků
4 2 x x x x . x x
3.a 4. číslice - specifikace materiálu
23 - tvárné litiny
24 - šedé litiny
25 - bílé, tvrzené a temperované litiny
26 - nelegované (C) oceli na odlitky
27 - nízko a středně legované oceli (do pískové formy)
28 - dtto (odlévané jinak)
29 - vysokolegované oceli na odlitky
5. a 6.číslice - liší se podle materiálu (většinou R m
v 10 MPa, u 27,28 a 29
skupina přísadových prvků)
1.doplňková číslice – stav tep. zprac.
2.doplňková číslice –způsob odlévání
Zpracovávají se výhradně odléváním do forem. Buď takto získají konečný tvar nebo se po
odlití obrábí funkční plochy.
Pavel Mazal 2005 17

Příklady značení ocelí k tváření dle EN
Systém značení užívá dvě základní schémata:
a) Značení dle použití a mechanických nebo fyzikálních vlastností
Značka obsahuje písmeno charakterizující hlavní oblast využití (pro oceli
na odlitky je před značkou navíc G), číselný údaj vyjadřující mechanické
vlastnosti. Přídavné symboly (dvě skupiny) – písmena a číslice.
S 355 J2G1 W
zápis
S355J2G1W
S – ocel na ocelové konstrukce, 355 – mez kluzu v MPa, J2 nárazová
práce 27 J při teplotě –20°C, G1 neuklidněná ocel, W – odolná proti
atmosferické korozi.
E 360
G C
zápis
E360GC
E – konstrukční ocel, R e = 360 MPa, C vhodná k lesklému tažení
Pavel Mazal 2005 18

) Číselné značení (EN) dle chemického složení
1. XX XX(XX) . XX
a b c d
a) 1 – ocel (2 až 9 další materiály)
b) číslo skupiny ocelí = 00 – obvyklé vlastnosti, 11-konstr.oceli na strojní
součásti s obsahem C nižším než 0,5%, 13 - konstrukční oceli, oceli na
strojní součásti, tlakové nádoby a oceli se zvláštními požadavky,
15,16,17, 18 nástrojové oceli , 20 a více – legované ušlechtilé oceli např.
71 – legované Cr-Si,Cr-Mn apod. na strojní části a tlakové nádoby atd.
c) pořadová čísla
d) přídavné symboly – zvl.požadavky, povlaky, tepelné zpracování a pod.
Příklad porovnání označení ocelí
Podle ČSN
Podle ČSN (EN)
11 373
12 060
značkou
S235JRG1
C55E4
číselně
1.0036
1.1203
Pavel Mazal 2005 19

N e ž e l e z n é
k o v y
Obvykle se dělí podle měrné hmotnosti na lehké a těžké (hranicí je
cca 5 000 kg/m 3 ). Někdy se samostatně uvádí tzv. drahé kovy (Au,
Ag, Pt, Ir, Os, Pd).
Lehké kovy
Hliník - Al (2 700 kg/m 3 ) - vysoká elektrická vodivost, korozivzdorný -
díky oxidické povrchové vrstvě, svařitelný
Slitiny s Cu, Mg, Si, Mn, Zn, Fe …, např. Dural – AlCuMg,
další AlCuNi, AlZnMg, AlMg, AlMgSi
Slitiny: tvářené, slévárenské a pro práškovou metalurgii.
Velmi výrazné rozšiřování ušlechtilých slitin hliníku - použití, zejména
dopravní technika - karoserie, komponenty motoru, převodovky, chladiče
apod. Např. celohliníkový kompaktní motor je cca o 25-30 kg lehčí než
motor běžný. Současný moderní automobil obsahuje cca 5% hmotnosti Al
součástí. Další užití - Alobal, elektrotechnika, stropní panely apod.
Pavel Mazal 2005 20

Příklad značení Al slitin dle EN
Podobně jako oceli jsou i slitiny Al značeny číselně ČSN EN 573-1, příp.
chemickými značkami ČSN EN 573-2 (b).
Číselně EN A x - xxxx např. EN AW-1070 nelegovaný Al (99,7)
a b c
a) písmeno A určuje hliník
EN AW-5052
(AlMg2,5)
b) W–tvářené výrobky, B–ingoty pro přetavení, C-odlitky, M-předslitiny
c) odlišení podle legur např. 1xxx – řada 1000 bez legur, 2xxx – řada Cu,
5xxx – řada 5000 (Mg), 7xxx – řada 7000 atd.
Chemickými značkami
Značka se skládá z chemického označení prvku a jeho středního obsahu v
hmotnostních procentech
Al Mg1SiCu, Al Mn1Mg0,5, Al Cu4SiMg apod.
Pavel Mazal 2005 21

Hořčík - Mg (1 700 kg/m 3 )-světle šedý, velmi nízká hustota, výborná
obrobitelnost, horší tvařitelnost, nízká korozivzdornost, malá vrubová
houževnatost
Slitiny - MgAl19Zn1 (MnSi) - elektron, další slitiny s Al, Zn, Mn apod.
Užití: letecký průmysl, raketová technika, textilní průmysl, části jaderných
reaktorů ...
Titan - Ti
(4 500 kg/m 3 ) - vysoká teplota tání, odolnost proti korozi,
vysoká pevnost R m
∼ 400 MPa, dobrá tvařitelnost a svařitelnost, špatná
obrobitelnost.
Slitiny s Al, Mn, Zn, Sn ...
Využití v dopravní technice, letectví,
mořská plavidla (ponorky, torpéda),
chemický průmysl, biomateriály
(implantáty kostí) apod..
Pavel Mazal 2005 22

Měď -Cu(8 900 kg/m 3 )
Těžké kovy
výroba a) hutnicky (čistota 99,5%) b) elektrolyticky (99,9%)
Ve strojní oblasti využití zejména ve slitinách: mosazi – CuZn,
Bronzy – CuSn (+Al, Pb, ...), pájky - CuZnAg atd.
Zinek - Zn (7 100 kg/m 3 ) - slitiny s Cu, Al
Olovo - Pb (11 300 kg/m 3 ) - teplota tavení 327 ° C. Využití - pájky PbSn,
PbSnSb
Cín - Sn (8 900 kg/m 3 ) - teplota tavení 232° C
Další těžké kovy: chrom, nikl, wolfram, kadmium, molybden -
omezené využití, spíše přísady do legovaných ocelí.
Pavel Mazal 2005 23

Materiály vyráběné práš
áškovou metalurgií
Vyrábí se z prášků a granulí, které se lisují nebo spékají. Materiály na bázi
Cu, Al, Ni, Fe apod.
Možnost výroby metalurgicky nemísitelných materiálů. Malý odpad, nízká
energetická náročnost výroby.
Automobilový průmysl, elektronika, elektrotechnika, aeronautika, jaderná
energetika.
anorganické:
organické:
Nekovov
vové materiály
diamant, korund, azbest, slída, grafit, sklo, kameniny,
porcelány
a) přírodní - dřevo, textilní vlákna, kůže
b) z přírodních mat. vyrobené uměle - papír, pryž atd.
c) vyrobené synteticky z uhlí a ropy (plasty - syntetické
hmoty - plast.hmoty)
Termoplasty - PE, PP, PVC, PS, PA ...
Reaktoplasty (termosety) - FE, UP, EP ...
Pavel Mazal 2005 24

Keramické materiály
Rychle se rozvíjející významná skupina nekovových materiálů.
Klasické materiály přírodního charakteru původně na bázi hlinitokřemičitanů
(cihly, cement, sklo, porcelán).
S rozvojem elektrotechniky nastal další prudký rozvoj. Al 2
O 3
, ZrO 2
,
MgO, CaO, 3Al 2
O 3
.2SiO 2
(mullit), MgAl 2
O 4
(spinel) apod.
Velmi široká skupina na bázi karbidů a nitridů boru, křemíku a hliníku.
Vlastnosti - nízká hustota, vysoký modul pružnosti, vysoká tvrdost, tepelná
a korozní odolnost, odolnost proti opotřebení, vysoká teplota tání, stabilita
mech. vlastností apod.
Křehké, náročné opracování, obtížné spojování s jinými materiály.
Užití: elektrotechnika a elektronika (termistory, topné články, solární
články, optické kabely, fotobuňky), strojírenství a hutnictví (elektrody,
trysky, hořáky, obráběcí nástroje, vložky válců, pístní kroužky), chemický
průmysl (čerpadla - lopatky, nosiče katalyzátorů) apod.
Pavel Mazal 2005 25

Plastické hmoty
Spotřeba výrazně roste. Vyvíjí se nové materiály s vlastnostmi plně
srovnatelnými s kovovými materiály.
Rozdíly ve vlastnostech kovů a plastů:
-kovy mají vysoký modul pružnosti, pevnost, jsou houževnaté, tvařitelné,
dobrá elektrická a tepelná vodivost, špatně odolávají korozi.
- polymerní materiály - nízké hodnoty modulu pružnosti, pevnosti a lomové
houževnatosti, podléhají stárnutí ⇒ časově závislé zhoršení vlastností.
Nízká teplota použití. Elektrické a tepelné izolanty, odolné korozi, barvitelné
ve hmotě, dobré tribologické vlastnosti.
Kompozitní materiály
Materiály složené ze dvou základních fází: spojité fáze (matrice) a
dispergované sekundární fáze. Zvláštním typem jsou tzv.
sendvičové kompozity.
Vlákna skleněná, uhlíková, aramidová (Kevlar) atd.. Matrice
kovové, keramické ...
Pavel Mazal 2005 26

Použitá a doporučená literatura
Svoboda P, Brandejs J., Prokeš F.: Základy konstruování,
Akademické nakladatelství CERM, Brno 2005, ISBN 80-7204-405-2.
Fischer U. a kol.: Základy strojnictví, Europa – Sobotáles cz, Praha
2004, ISBN 80-86706-09-5.
Raab M.: Materiály a člověk, Encyklopedický dům s.r.o., Praha 1999,
ISBN 80-86044-13-0.
Věchet S. a kol.: Únavové vlastnosti tvárné litiny. Žilinská univerzita v
Žilině, Žilina 2001, ISBN 80-7100-910-5.
Metalog Guide, Struers A/S, Dánsko, 1996, české vydání TSI Systém
s.r.o. Brno, 1999, ISBN 80-238-3488-6.
Pavel Mazal 2005 27