BAKALÁSKÁ PRÁCE

katedra materiál·

BAKALÁSKÁ PRÁCE

Dilata£ní vlastnosti intermetalických slitin na bázi FeAl

Autor: Zden¥k H·la

Vedoucí práce: Ing. Pavel Hanus Ph.D. Liberec, 2013

Katedra materiál·

Studijní program: B2301 Strojní inºenýrství Studijní obor:

Zam¥°ení:

Dilata£ní vlastnosti intermetalických slitin na bázi FeAl

Dilatation properties of intermetallic alloy based on FeAl

KMT-B-204 Zden¥k H·la

Vedoucí práce: Ing. Pavel Hanus Ph.D.

Konzultant: RNDr. V¥ra Vodi£ková Ph.D., Ing. Martin ’vec

Po£et stran: 68 Po£et tabulek 14 Po£et obrázk· 38

V Liberci, 28.6.2013

ANOTACE

Bakalá°ská práce se zabývá zkoumáním dilata£ních vlastností slitin aluminid·

ºeleza F eAl, F e3Al a konven£n¥ vyuºívaných materiál·. Byly provedeny dilata£ní testy pro ur£ení hodnot koecient· tepelných roztaºností na základ¥ vyhodnocování dilata£ních k°ivek jednotlivých zkoumaných materiál·. Dilata£ní závislosti poskytly podklady pro porovnání dilata£ních vlastností zmín¥ných aluminid· s konven£ními (referen£ními) materiály typu ocelí. Byla °e²ena otázka moºné nahraditelnosti kon- ven£ních materiál· v n¥kterých pr·myslových aplikacích zmín¥nými aluminidy ºe- leza. Vposlední °ad¥ do²lo k analýze jednotlivých aluminid· ºeleza z hlediska moº- ných faktor· ovliv¬ující dilata£ní vlastnosti slou£enin F eAl a F e3Al.

KL̓OVÁ SLOVA:

ANNOTATION

This bachelor thesis investigates dilatation properties of compound F eAl, F e3Al and conventional using materials. Dilatation test carried out for nding value of coecient thermal expansion by assessing of dilatation curves speciments. Dilatation curves provided support for comparing properties of intermetallic and conventional (reference) materials, which are steel alloy and kanthal alloy. The question was answered about posibility of replace conventional materials by compound FeAl in some industry's applications. There are analysis ones of speciment of intermetalic according to their factors which inluence dilatation properties of compound FeAl in last part of this bachelor thesis.

KEYWORDS:

Pod¥kování

Úvodem práce bych rád pod¥koval vedoucímu práce Ing. Pavlu Hanusovi Ph.D.

za odborné vedení a odborné rady p°i vypracování. Dále d¥kuji RNDr. V¥°e Vo- di£kové za d·leºité podn¥ty a gramatickou korekci. Za odborné vedení a pomoc p°i experimentech také pat°í pod¥kování Ing. Martinu ’vecovi.

Prohla²ení

Byl jsem seznámen s tím, ºe na mou bakalá°skou práci se pln¥ vztahuje zákon £.

121/2000Sb., o právu autorském, zejména Ÿ60 - ²kolní dílo.

Beru na v¥domí, ºe Technická univerzita v Liberci (dále jen TUL), nezasahuje do mých autorských práv uºitím mé bakalá°ské práce pro vnit°ní ú£ely TUL.

Uºiji-li bakalá°skou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu vyuºití, jsem si v¥dom povinnosti informovat o této skute£nosti TUL; v tomto p°ípad¥ má TUL právo ode mne poºadovat úhradu náklad·, které vynaloºila na vytvo°ení díla, aº do jejich skute£né vý²e.

Bakalá°skou práci jsem vypracoval samostatn¥ s pouºitím referované literatury a na základ¥ konzultací s vedoucím a konzultantem bakalá°ské práce.

Datum:

Podpis:

Obsah

1 Úvod 8

2 Teoterická £ást 10

2.1Intermetalika 10

2.1.1 Slitina F eAl. . . 11

2.1.2 Slitina F e3Al . . . 12

2.2Faktory ovliv¬ující mechanické a fyzikální vlastnosti F eAl a F e3Al 13 2.2.1 Vliv sloºení na mechanické vlastnosti slitin F eAl a F e3Al . . . 13

2.2.2 Vliv okolní atmosféry na vlastnosti F e3Al nebo F eAl. . . 17

2.2.3 Vliv tepelného zpracování na vlastnosti F e3Al nebo F eAl . . . 19

2.2.4 Vliv výrobního postupu na vlastnosti F e3Al nebo F eAl . . . 19

2.2.5 Vliv koncentrací vakancí na mech. vlastnosti F e3Al nebo F eAl . . . 20

2.3Aluminidy v pr·myslové praxi 21 2.3.1 Vyuºití NiAl, F eAl, F e3Al pop°. jejich kombinace . . . 22

2.4Dosavadní poznatky v oblasti dilatometrie slitin Fe-Al, Kanthalu nebo ocelí 24 2.4.1 Intermetalika F eAl a F e3Al . . . 24

2.4.2 Slitiny Fe - C (ocele F e − F e3C) . . . 27

2.5Dilatometrie 28 2.5.1 Matematický aparát pro dilatometrická m¥°ení . . . 28

2.6Vzorky pro dilatometrii 30 2.7Techniky dilatometrického m¥°ení 30 2.7.1 Absolutní m¥°ení dilatace . . . 30

2.7.2 Relativní ur£ování dilatace . . . 32

2.7.3 Zaznamenání dilatometrických zm¥n m¥°ených vzork· . . . 34

2.7.4 Dilatometry . . . 35

3 Experimentální £ást 38

3.1.2 Kalibrace dilatometru . . . 42

3.2Vzorky 45 3.2.1 Referen£ní materiály pro m¥°ení dilatace . . . 46 3.2.2 Charakteristika vzork· . . . 47

3.3Pr·b¥h testování 50

3.4P°esnost m¥°ení 50

3.4.1 Faktory ovliv¬ující p°esnost m¥°ení . . . 50

3.5Nam¥°ené údaje testovaných materiál· 50

4 Diskuze 55

5 Záv¥r 60

Literatura 63

P°ílohy A I

P°ílohy B XII

1. Úvod

Intermetalickými slou£eninami lze nazvat (uspo°ádané slitiny - intermetalika) sli- tiny nejmén¥ dvou do zna£né míry odli²ných kov·. Slitina takto vzniklá vykazuje specické vlastnosti v oblasti chemických, fyzikálních a £asto i metalurgických vlast- ností. A práv¥ zmín¥né specické vlastnosti p°edur£ují obecn¥ intermetalika do pr·- myslových aplikací, ve kterých konven£ní materiály nedosta£ují, bu¤ z hlediska jejich nedostate£ných fyzikálních vlastnostmi atd. nebo z hlediska ekonomické výhodnosti pro dané pouºití.

Intermetalika nejsou výdobytkem posledních desítek let, nýbrº se jimi lidstvo zabývalo jiº v raných dobách a provázely svým p·sobením v²echny význam¥j²í civi- lizace. Lze vybrat nap°íklad slitinu Cu3Asvyuºívanou ve starém Egypt¥ zhruba 2500 let p°ed na²ím letopo£tem pro povlak pro bronzové zbran¥, dále slou£eninu CuZn slouºící jako materiál pro výrobu mincí a ozdobných p°edm¥t· ve starém ím¥ (100 let p°ed n.l.). Ve starobylé ƒín¥ se s velkou oblibou vyuºívalo slou£enin Cu31Sn₈ pro výrobu zrcadel. V sou£asnosti jsou vyuºívány intermetalické slou£eniny typu Cu4Hg3 pro výrobu amalgám· v léka°ství, r·zné konstruk£ní prvky lopatkových turbín atd. Tímto zp·sobem lze pokra£ovat s vý£tem pouºití jednotlivých interme- talik skrze d·leºité historické ov²em i sou£asné etapy a oblasti udávající tehdej²í tep kulturního a politického ºivota.

Za velký rozvoj výzkumu intermetalik je moºno povaºovat za£átek 20. století.

Rozvoj byl podnícen hlavn¥ dostupností výrobních prost°edk· a dosavadním v¥- deckým bádáním (Karsten, Tammann, Kurnakov, . . .). Zvý²ený zájem p°inesl dal²í a dal²í materiály, které taktéº vynikaly svými vlatnostmi a nacházely specické uplatn¥ní. Lze uvést nap°íklad slitiny vykazující vhodné magnetické charakteristiky (Ni3F e), materiály s tvarovou pam¥tí (CuZn − Al, (Cu, Ni)₃Al, N iT i-ortodoncie), materiály na bázi niobu s cínem (Nb3Sn) vynikající svými supravodivostními pa- rametry, r·zná intermatalika pro povrchové struktury atd. Vysoký zájem postupn¥

b¥hem 50. let opadl a byl op¥t nastartován zhruba n¥kdy v 80. letech 20. století, kdy se stávají významnými institucemi ve vývoji intermetalik výzkumné týmy v USA a Japonsku (Baker, George, Stolo, McKamey atd.). V tuzemsku byli nejv¥t²ími pr·kopníky v oblasti intermetalik páni Vyklický, Pluha°, kte°í mají mnoho pod- n¥tných úsp¥ch· v experimentech s intermetaliky a vd¥£íme jim za intermetalickou osv¥tu v ƒeskoslovensku následn¥ v ƒR.

D·sledkem zvý²eného zájmu bylo nalezení nebo vytvo°ení netypických a dopo- sud v¥deckou a hlavn¥ technickou obcí skepticky p°ijímaných slou£in intermetalik,

vykazující op¥t ur£ité specické vlastnosti. Dostává se pozornosti vliv·m legujících prvk· na mechanické, chemické obvzlá²t¥ antikorozní vlastnosti a propracovan¥j²ím metodám tepelného zpracování.

Tato bakalá°ská práce je v¥nována slou£eninám aluminud· ºeleza, konkrétn¥

F eAl a F e3Al, kteréºto se dostaly do pov¥domí okolo roku 1930, práv¥ díky zmí- n¥né korozní odolnosti. Aluminidy ºeleza nabízejí velmi dobrý pom¥r mezi cenou vstupních surovin a uºitnými vlastnostmi navíc podpo°enou podobnou energetickou náro£ností výroby, niº²í hustotou v porovnání s konven£ními materiály. Bohuºel exis- tují nedostatky v podob¥ vysoké k°ehkosti p°i pokojových teplotách s tím spojená hor²í taºnost a ²patná obrobitelnost t°ískovým obráb¥ním, ov²em tyto aspekty jsou postupn¥ odstra¬ovány p°ísadovými prvky, jeº napomáhají zlep²it mechanické vlast- nosti. Vý²e zmín¥ný negativní charakter aluminid· ºeleza podnícený nedokonalou znalostí mechaniky odpevn¥ní vedl k jejich omezenému pouºití v n¥kterých oblastech pr·myslu. Roztaºnost je jedna z klí£ových vlastností intermetalik, jenº p°edur£uje následné pr·myslové vyuºití nap°íklad v konstrukci, obráb¥ní a spojování (sva°o- vání) materiál· na bázi aluminid·. P°esn¥ zmapovaná dilatace (roztaºnost) m·ºe být jedním z hlavních kritérií zám¥ny konven£ních materiál· za intermetalika na bázi aluminidu ºeleza.

Cílem této bakalá°ské práce je m¥°ení a porovnávání intermetalických slitin alu- minid· ºeleza F eAl pop°. F e3Al z pohledu roztaºnosti (dilatace). Konkrétn¥ lze mluvit o dilata£ních vlastnostech t¥chto do jisté míry specických slitin a jejich vztahu ke konven£n¥ pouºívaným ocelím, které tak mohou být nahrazeny v pr·mys- lových oblastech, v nichº prozatím dominovaly. Práv¥ zmín¥ná konfrontace r·zných vlastností materiálu aluminid· ºeleza a ocelí na základ¥ vyhodnocování souboru dila- ta£ních k°ivek je st¥ºejní pro tuto bakalá°skou práci, jenº objas¬uje p°echodové d¥je pop°. p°em¥ny odehrávající se uvnit° intermetalik práv¥ na pozadí vyhodnocování zmín¥ných dilata£ních k°ivek.

2. Teoterická £ást

2.1 Intermetalika

Intermetalika se °adí mezi heterogenní sekundární uspo°ádané tuhé roztoky se substitu£ním nebo intersticiálním charakterem chování p°ím¥sí v·£i základní sloºce slitiny. Uspo°ádání, geometrickou pravidelnost - nadm°íºku je moºno pozorovat pod ur£itou kritickou teplotou na relativn¥ velké vzdálenosti [1]. Ve slitinách, v nichº mohou p°ím¥si vytvá°et intersticiální tuhé roztoky, lze dosáhnout zvý²ením koncen- trace p°ím¥si vzniku nové fáze - intermediální (samostatná) fáze, která se vyskytuje p°i konkrétní koncentraci základních sloºek nebo v ²ir²í koncentra£ní oblasti. Zá- kladními sloºkami v p°ípad¥ intermetalik jsou dva £i více kov· odtud vznikl název intermetalika [2].

Intermetalika se dále d¥lí na [3]:

ˆ Zintlovy fáze (elektrochemické valen£ní slou£eniny)

Slou£eniny kov· z pravé £ásti mend¥lejovy periodické tabulky prvk· (dále MPTP) s kovovými prvky z levé £ásti MPTP tj. prvky, jenº mají velké rozdíly v elektroche- mickém potenciálu. P°íkladem mohou být r·zné druhy solí s krystalovou strukturou totoºnou s chemickými slou£eninami NaCl pop°. CaF2.

ˆ Hume-Rotheryho fáze (elektronové slou£eniny)

Hlavními p°edstaviteli této podskupiny jsou sekundární tuhé roztoky (fázové p°e- m¥ny se ú£astní, alespo¬ jedna jiná tuhá fáze a výsledný sekundární tuhý roztok má krystalovou strukturu odli²nou od základních £istých sloºek [4]), mezi n¥º pat°í mnoho slitin aluminid· nap°. F eAl, NiAl, CoAl (v²e struktura B2) dále slou£eniny Cu₃Ga nebo Ag3Al a mnoho dal²ích [3]. Tvorba sekundárních fází je °ízena pom¥- rem e/a (po£et valen£ních elektron· / po£tu atom·), dle pom¥ru mohou vznikat t°i typy fází (3:2 nap°. FeAl, 21:13 nap°. Cu13Sn8nebo 7:4 nap°. CuZn8) [5]. Ukázka moºné metalogracké struktury slitin Fe-Al je na obr. £. 1.

ˆ Lavesovy fáze (substitu£ní slou£eniny)

Stabilita intermetalik zaloºených na Lavesov¥ fázi vychází z výhodného pom¥ru velikostí atom· v krystalové m°íºce. V¥t²inou jsou zde zástupci t¥sné hexagonální pop°. kubické struktury (MgNi2, M gCu₂)vykazující vysokou symetrii uvnit° krys- talové struktury a vysokou specickou hustotu [3].

ˆ Kur¬akovovy fáze

Tyto fáze vznikají p°em¥nou tuhých roztok· základních prvk·, p°i£emº stabilizu- jícím faktorem transformace je zvý²ení stupn¥ uspo°ádanosti (symetrie) krystalové struktury. K p°eskupení krystalové struktury dochází za teplot pod bodem tání vý- chozího neuspo°ádaného tuhého roztoku nebo p°euspo°ádáním jiº symetrické krys- talové struktury za vzniku tzv. superm°íºek. Hlavními p°edstaviteli jsou slou£eniny F e₃Al, Ni3Al nebo Cu3Au [3].

Obr. £. 1: Hrubozrná struktura binárních slitin F eAl a F e3Al [6]

2.1.1 Slitina F eAl

Intermetalické slitiny F eAl pat°í do skupiny intermediálních fází vznikajících na základ¥ Hume-Rotheryho fáze - elektronové slou£eniny (viz. podkapitola £.2.1), jenº jsou charakteristické vy²²ím stupn¥m uspo°ádání krystalové struktury. Na obr.£. 1 je ukázána struktura typická pro hrubozrné binární slitiny F eAl a F e3Al. Slitina má krystalovou strukturu B2 (L20), struktura B2 je taktéº nazývána BCC - Body Centered Cubic (ve skute£nosti se jedná o prostou krystalovou m°íºku Fe a prostou krystalovou m°íºku Al vzájemn¥ posunuté ve sm¥ru <111>) viz. obr. £. 2, která se utvá°í p°ímo z neuspo°ádaného pevného roztoku α - A2 a je stabilní p°i pokojových teplotách s obsahem hliníku 36 - 50 %. V porovnání s konven£ními ocelemi dosahuje aluminid Fe vysoké oxida£ní a korozní odolnosti ve vodním, H2S a SO2 prost°edí, dále niº²í hustoty (o 30 - 40 %) závisející na obsahu Al ρ = 5760 − 6320 kgm⁻³ [7], niº²í teplotní vodivost v porovnání se slitinami niklu a elektrický odpor vykazující hodnotu 150 µΩ/cm nebo vy²²í. Koecient tepelné roztaºnosti (CTE) je podobný hodnot¥ koecientu tepelné roztaºnosti austenitických nerezových ocelí. Maximální mez korozní ú£innosti se nachází u F eAl okolo 1200 °C a ºárupevnostní mez okolo teplot 800 °C. Formovací entalpie pro F eAl je 4Hf = 25 − 30 kJ/mol, toto rozmezí je rozhodující pro tvorbu poruchových struktur uvnit° krystal· a následné chování - p°esunu dislokací, jenº mají vliv na mechanické vlastnosti [10].

Obr. £. 2: Binární fázový diagram slitiny F eAl [9]

Slitiny typu F eAl trpí nedostatky v podob¥ nízké houºevnatosti p°i pokojových teplotách a citlivosti v·£i zm¥n¥ okolní atmosféry (p°ítomnost vodní páry a s ní spojená difuze vodíku do materiálu - viz. podkapitola vliv atmosféry na mech. vlast- nosti), jenº vede ke sníºení v¥t²iny podstatných mechanických parametr·. Zmín¥né nevýhody lze do jisté míry ovlivnit mnoha metodami, ale prozatím jsou uvedené negativní vlastnosti zásadní a jsou p°í£inou niº²ího pouºití t¥chto materiálu v praxi [11][12].

2.1.2 Slitina F e

Al

Slitina nalezla svoje první uplatn¥ní stejn¥ jako F eAl díky své oxida£ní a korozní odolnosti v 30. letech 20. století. Slitiny F e3Al zaloºena na Kur¬akovových fázích (viz. podkapitola £. 2.1) si zachovává svoje korozní vlastnosti do teploty 1200 °C a teplota, p°i níº je moºno garantovat pevnosti aluminidu se pohybuje okolo 700 °C.

Aluminid ºeleza je tvo°en krystalovou strukturou DO3 (L2₁) , která je stabilní p°i pokojové teplot¥, a mnoºství hliníky 23 - 36 % (viz. obr. £.2). Okolo teploty 550 °C (vlivem legování m·ºe být teplota p°em¥ny posunuta k vy²²ím hodnotám) dochází k transformaci struktury z uspo°ádání DO3 na B2 a posléze v rozmezí teplot 1100 - 1200 °C k transformaci na neuspo°ádaný tuhý roztok α - A2. P°ídavkem t°etího prvku tvo°ícího tuhý roztok nap°. Cr, Mo, Mn, Ti nebo Si dochází ke zvý²ení teploty transformace aº o 250 °C [3,13]. Fyzikální a chemické vlastnosti jsou tém¥° shodné s binární slitinou F eAl tzn. vysoká odolnost proti oxidaci p°i vysokých teplotách a korozní odolnost v·£i prost°edí sulda£ního charakteru [11, 12].

Nevýhodou slitin F e3Al je rovn¥º zm¥na mechanických vlastností (p°edev²ím mech. pevnosti) p°i pokojových teplotách. Velký pokles pevnosti lze pozorovat v okolí teplot transformace struktury B2 → DO3 [1,15].

2.2 Faktory ovliv¬ující mechanické a fyzikální vlast- nosti F eAl a F e

Al

Intermetalika ºeleza jsou st¥ºejním tématem této bakalá°ské práce, tudíº je jim v¥nována valná £ást teoretické £ásti po£ínaje vlivem r·zných legur, výroby apod. aº po dilatometrická m¥°ení.

2.2.1 Vliv sloºení na mechanické vlastnosti slitin F eAl a F e

Al Vliv Al

Výrazný vliv na vlastnosti má obsah hliníku jakoºto jedna ze základních sloºek binární slitiny F eAl pop°. F e3Al. R·zný obsah hliníku nebo téº odklon od stechi- ometrie promlouvá do tvorby intermediálních fází v binární sm¥si Fe-Al, jejichº existenci lze pozorovat v si°²ím rozsahu koncentrací (F eAl, F e3Al) nebo v úzké koncentra£ní ²kále obsahu hliníku - F eAl2, F e2Al₃ a F eAl3 (viz. obr. 2). Intermedi- ální fáze vyskytující se v binární soustav¥ Fe-Al zhruba od 67 do 77 % Al vylu£ující se p°i teplot¥ 400 °C nejsou zám¥rem této práce a nebudou jiº brány v potaz.

První a dosti markantní vliv má Al na hustotu binárních slitiny aluminid· ºeleza, jelikoº hliník se svojí hustotou 2700 kgm⁻³(Fe 7860 kgm⁻³) sniºuje celkovou hustotu slou£enin aluminid· (viz. obr.3apro F e3Al). Dále Al ovliv¬uje taºnost slitin F e3Al (viz. obr. £. 3b).

(a) (b)

Obr. £. 3: Vliv obsahu Al na hustotu (a) a taºnost (b) pro F e3Al [8]

Dal²ími vlastnostmi ovlivn¥né prom¥nným obsahem Al lze povaºovat mez kluzu (viz. obr. £. 4a) a elastický parametr Youngova modulu - viz. obr.£ 4b. Z grafu na obr. 4aje patrný klesající trend závislosti meze kluzu na obsahu Al a teplot¥, který vykazuje anomálii v podob¥ prudkého nár·stu meze kluzu, jenº je ovlivn¥n teplotou

(a) (b)

Obr. £. 4: Vliv obsahu Al na mez kluzu (a)[16] a Young·v modul (b)[7]

a sniºující koncentrací hliníku. Toto chování lze p°isuzovat transformaci skluzových rovin ze systému < 111 > na < 100 > a následné zm¥ny orientace posunu dislo- kací, nebo vakan£nímu zpev¬ování (zabrán¥ní za pomoci imobility vakancí p°esunu dislokací) [7, 16, 14].

Young·v modul E je vyhodnocován na základ¥ Zenerových parametr·, které jsou závislé na elastických konstantách, jeº jsou pro slitinu F eAl mírn¥ anizotropické a prom¥nlivé s obsahem Al. Závislost modulu E na teplot¥ pro polykrystalické slitiny F eAl vykazuje p°ibliºn¥ lineární závislost se zápornou sm¥rnicí (viz. obr. £. 4b).

Prokazatelný vliv obsahu Al se projevuje zm¥nou mikrotvrdosti u binární slitiny F eAl, coº demostruje závislost tvrdosti na obsahu Al v obr. £.5. D·leºitým faktorem pro tvorbu struktur zvy²ujících celkovou tvrdost je proces tepelného zpracování, jehoº vliv je taktéº uveden na obr. £.5. Velký vliv na chování materiálu dle obr. £.5 je moºné p°isuzovat imobilit¥ vysoké koncentrace vakancí zadrºené práv¥ zmín¥ným tepelným zpracováním.

Vzr·stající trend závislosti lze pozorovat rovn¥º ve velikosti m°íºkového parameru základní krystalové m°íºky a obsahu Al, ovlivn¥ný i aspektem tepelného zpracování (viz. obr. £.6). Pokles m°íºkové parametru p°i obsahu Al vy²²ím neº-li 50 % spojený s pat°i£ným tepelným zpracováním (kalením) je vysv¥tlován vy²²í generací termál- ních vakancí (druh vakance sloºené z dvou vakancí a jednoho nahrazení atomu A atomem B v jeho uzlovém bod¥ - vztaºeno ke krystalové m°íºce) uvnit° vzorku.

Významnou roli sehrává v ovliv¬ování mechanických parametr· p°ítomnost roz- dílné koncentrace vakancí v závislosti na mnoºství hliníku a procesu tepelného zpra- cování. Závislost koncentrace vakancí na obsahu Al nebo obsahu Al a provedeného tepelného zpracování je ukázána na obr. £.9. O vlivu vakancí bude pojednáno pozd¥ji v podkapitole £. 2.2.5[17].

(a) (b)

Obr. £. 5: Vliv obsahu Al na mikrotvrdost binární slitiny FeAl (a)[16] (b) [17]

Obr. £. 6: Vliv obsahu Al na velikost m°íºkového parametru [17]

Vliv p°ím¥sí na mech. vlastnosti F eAl a F e

Al

V tab. £. 1jsou uvedeny mikrolegury a jejich p·sobení na mechanické vlastnosti slitiny F e3Al. Lze uvaºovat, ºe podobný vliv lze predikovat i pro slitiny F eAl. P°idá- vané mikrolegury jsou rozd¥leny dle p·sobení uvnit° binární slitiny Fe-Al na prvky (aditiva), jenº podporují vytvá°ejí precipitát· £i tuhých roztok·.

Mikrolegury vytvá°ející precipitáty velmi výrazn¥ ovliv¬ují mechanické vlastnosti aluminid· v pozitivním (zpevn¥ní), ale i negativním sm¥ru (zk°ehnutí, mezikrysta- lová koroze atd.).

Slitiny F eAl legovány borem vykazují díky segregování na hranicích zrn zmen-

²ení velikosti zrn, zvý²ení pevnosti na hranicích zrn, zvý²ení taºnosti (vy²²í hou- ºevnatost), nár·st meze kluzu a pevnosti. Pozitivní nár·st pevnosti p°i pokojových teplotách vlivem p°ídavku B závisí na obsahu Al a ovliv¬uje m°íºkový parametr.

Tab. £. 1: Vliv ternárních aditiv na vlastnosti F e3Al [13]

Legura Tvárnost Taºnost Mez kluzu

Pevnost vysokýchza

teplot

Creepová

odolnost Teplota B2DO3

Oxida£ní odol-

nost prvky tvo°ící precipitáty

Nb __ ^^ ^^ ^^

Cu __ ^^ _

Ta _ _ ^^ ^^ ^

Zr _ __ ^

B ^ ^

C ^ _

Ce ^ ^ ^

T iB₂ ^ ^ ^ ^

prvky tvo°ící tuhé roztoky

Cr _ ^ _ ^ ^

Ti __ ^ ^ ^ ^ _

Mn _ __ ^ ^

Si __ __ ^^ ^^

Mo _ __ _ ^^ ^^ ^

W __

Ni __ _ ^^ ^

+Mo+TZ

Zesilující efekt hranic zrn ovliv¬ují dva faktory, kterými jsou obsah Al a p°ítomnost vakancí. Intersticiální bor napomáhá k tempu odstran¥ní termálních vakancí b¥hem ºíhání p°i nízkých teplotách (zvý²ení houºevnatosti), coº lze povaºovat za rozpor v·£i zpevn¥ní samotným p°ídavkem boru p°i vysokých teplotách. Boridy vzniklé p°ídav- kem B jsou vylou£eny na hranicích zrn p°eváºn¥ v podob¥ sférického, prostorov¥

st°ed¥ného tetragonálního F eB2, jenº m·ºe být p°íleºitostn¥ vylou£en i v jednodu- ché tetragonální soustav¥. Pozorovaný jev byl nalezen u slou£eni Fe-40Al, Fe-43Al a Fe-48Al s obsahem B do 0,12 %. Bor v neposlední °ad¥ ovliv¬uje mód mechaniky lomu z intermetalického na transkrystalický [7].

P°ídavkem uhlíku, zirkonia, hafnia nebo jejich kombinací dochází p°i teplotách do 700 K k nespojitostem ve skluzu a legury Zr a Hf zvy²ují pevnost p°i nízkých (pokojových) teplotách díky zjemn¥ní zrn a vylou£ení precipitátu F e6Al6Zr resp.

F e₆Al₆Hf. Maximálního zesílení je dosaºeno p°i maximálním rozdílu protonových

£ísel mezi Fe a ternární mikrolegurou (p°echodovým prvkem) [7].

P°ídavek chromu (Cr) v mnoºství 5 % pro slou£eniny Fe-40Al výrazn¥ zvy²uje mez pevnosti a lomovou pevnost (vrubovou houºevnatost)[7]. Legováním Cr se u alu- minid· ºeleza zvy²uje odolnost proti vliv·m okolní atmosféry v podob¥ zk°ehnutí (viz. 2.2.2). Vhodnou výrobou, mikrolegováním a oxida£n¥ disperzním zpevn¥ním (ODS) m·ºe být dosaºeno zlep²ení pevnosti na hranicích zrn a redukci velikosti zrna mající pozitivní vliv na houºevnatost p°i nízkých (pokojových) teplotách. Pro- blematice z pohledu výsledných dilata£ních charakteristik slitin F eAl zpevn¥ných oxidickou disperzí je v¥nována £ást podkapitoly £. 2.4.1.

2.2.2 Vliv okolní atmosféry na vlastnosti F e

Al nebo F eAl

Vlastnosti aluminid· jsou výraznou m¥rou ovlivn¥ny sloºením okolní atmosféry.

Dochází ke zm¥n¥ meze pevnosti a kluzu, deformace do lomu nebo zm¥ny charakteru lomu z transgranulárního na intergranulární atd. Bylo dokázáno ovlivn¥ní houºevna- tosti a lomového charakteru r·znými mikrostrukturními prom¥nnými mezi n¥º pat°í velikost zrna, sloºení, rozsah uspo°ádanosti slou£eniny, dal²í vylou£ené fáze a vliv vn¥j²ích prom¥nných (teplota, rychlost namáhání a v neposlední °ad¥ i konstruk£ní

°e²ení - nap°. typ uloºení).

F e

Al slitiny

Obecn¥ lze k°ehkost slou£eniny vysv¥tlit p·sobením dvou faktor·: prvním je p°í- tomnost rozptýlené vodní páry, druhým vodík uvol¬ující se z r·zných prost°edí (voda, vlhkost, kyseliny, plynný vodík atd.). Problém nastává p°i uvoln¥ní vodíku z prost°edí a navázání se na hliníkem obohacený povrch aluminidu. Výrazné zm¥ny vlivem rozdílných prost°edí vykazuje taºnost (4,1 % - vzduch, 12,8 % pro kyslík),

k°ehkost je moºno ovlivnit elektrickým potenciálem prost°edí - roztoku (nap°. ky- selé roztoky) obklopujícího materiál. Na sniºení houºevnatosti má vliv dokonce i tlak okolní atmosféry [18].

Negativní vlivy prost°edí bývají £asto kompenzovány legováním Cr, B, C a Zr (do 0,5 at. %). Slitiny F e3Al s r·znými obsahy hliníku se jevily jako nezávislé v·£i vliv·m plynného vodíku a vlkosti atmosféry. P°ídavky Cr aº zdvojnásobují taºnost za p°edpokladu vytvo°ení oxidického povrchového lmu, který v p°ípad¥ odstran¥ní nap°. elektrole²t¥ním eliminuje vliv Cr na taºnost [18]. P°ídavkem uhlíku do sli- tiny Fe-28Al-5Cr do²lo ke zvý²ení kritické nap¥´ové intenzity s malým ovlivn¥ním tempa r·stu trhlin [20]. Rozdílný vliv prost°edí a následné ovlivn¥ní houºevnatosti lze pozorovat u materiál· £ást¥£n¥ nebo úpln¥ nerekrystalizovaných [18].

F eAl slitiny

Výzkum vlivu okolní atmosféry na slitiny FeAl není tak intenzivní jako v p°ípad¥

slitiny F e3Al. Nicmén¥ lze nalézt podobnost slitiny F eAl s vý²e uvád¥nou F e3Al. Difuzi vodíku z prost°edí do povrchu materiálu velkou m¥rou ovliv¬uje okolní tep- lota. P°i nízkých teplotách H2 nedifunduje do povrchu a naopak p°i vysokých teplo- tách difuzní pochody vykazují p°íli² vysokou rychlost, neº aby mohl H2 proniknout do nitra materiálu. U F eAl byl zaznamenán v¥t²í vlivu obsahu Al na zk°ehnutí vlivem prost°edí, hranicí pro výrazn¥j²í zvý²ení houºevnatosti bývá hodnota 38

% Al. Dochází zde taktéº k zm¥n¥ charakteru lomu ze smí²eného transgranulár- ního/intergranulárního na £ist¥ intergranulární lom. Slou£eniny s obsahem 34 - 36,5

% Al vykazovaly v¥t²í náchylnost ke zk°ehnutí neº-li slitiny s obsahem Al 40 nebo 43 %. Výrazn¥j²ího efektu zvý²ení houºevnatosti bylo dosaºeno p°ídavkem B, jehoº pozitivní vliv musel být podpo°en vhodným obsahem Al (B zesiloval hranice zrn p°i obsahu Al niº²ím n¥º 46 %) [18].

Zk°ehnutí ovliv¬ují shodní £initelé jako pro slitiny F e3Al, kterými jsou p°ítom- nost atmosferické vlkosti a plynného H2. Zvý²ení houºevnatosti lze pozorovat zhruba okolo 200 °C, coº je d·sledek formování ochranného oxidického povrchového lmu Al₂O₃. Tab. £. 2 ukazuje souhrn¥ vliv prost°edí na základní mechanické vlastností intermetalika FeAl [18].

Tab. £. 2: Vliv prost°edí na základní mech. vlastnosti FeAl [18]

Prost°edí Taºnost [%] Mez kluzu [MPa] Mez pevnosti [MPa]

Vzduch 2,2 360 412

Vakuum (< 1 ∗ 10⁴P a) 5,4 352 501

Argon + 4%H2 5,5 375 533

Kyslík 11,34 373 677

2.2.3 Vliv tepelného zpracování na vlastnosti F e

Al nebo F eAl

Výrazný vliv tepelného zpracování je dokonale prozkoumán v p°ípad¥ konven£ních materiál· - ocelí, ov²em aluminidy ºeleza nez·stávají nikterak stranou zám¥rného ovlivn¥ní struktury tepelným zpracováním. P°eváºn¥ se vyuºívá tepelného zpraco- vání p°iná²ejícího rovnováºn¥j²í struktury v porovnání s výchozím stavem (ºíhání) nebo sm¥°ujícího k ur£itým strukturám s konkrétní mírou nerovnováºnosti (kalení).

Vlivy tepelného zpracování na n¥které mechanické vlastnosti byly jiº ukázány na obr. £.5a obr. £. 6. šíhání a kalení u intermetalik F eAl poskytují p°i r·zných rych- lostech ochlazování odli²né strukturální £i mechanické vlastnosti. Tepelné zpracování ºíháním vede u F eAl ke zvý²ení houºevnatosti a niº²ímu vrubovému koecientu.

Výrazn¥ vlivu tepelného zpracování podléhají vakance (zadrºené uvnit° krysta- lové m°íºky) a s nimi spojené efekty termálních vakancí [7].

2.2.4 Vliv výrobního postupu na vlastnosti F e

Al nebo F eAl

Aluminidy ºeleza lze vyráb¥t r·znými výrobními postupy. Prvním krokem je ta- vení s následným odléváním do pískových forem, plynulé lití, rozt°ikování nebo lití do ingot·. Metodou lití do forem vznikají tém¥° jiº nální výrobky, nebereme-li v potaz kone£né obráb¥ní atd. Ingoty se stávají polotovary pro protla£ování, kování

£i válcování (obecn¥ procesy tvá°ení za studena nebo tepla). Na obr. £. 7. je zná- zorn¥na závislost taºnosti na teplot¥ pro aluminidy vyrobené odli²nými metodami - odléváním a kováním.

Obr. £. 7: Závislost taºnosti na teplot¥ pro F e3Al vyráb¥né odléváním nebo kováním [18]

Rozst°ikování jakoºto výrobní postup výroby intermetalik ºeleza resp. prá²k· jed- notlivých sloºek nabývá stále v¥t²ího objemu (nahrazení mechanického mletí a che- mické syntézy). Rozst°ikovat je moºno proudem plynu, vody nebo plazmatu a vý- sledný produkt ve form¥ prá²ku následn¥ zpracovávat protla£ováním za horka nebo

studena, lisování, kováním, slinováním - SHS (vysokoteplotní sintrování), CIP (Cold Isostatic Pressing), HIP metodami (Hot Isostatic Pressing) nebo metoda ExoMelt [21, 22,19].

Prá²ková metalurgie je alternativní volbou pro konven£ní odlévací procesy, která nabízí jemnozrn¥j²í strukturu výrobk·. P°íprava prá²ku je moºná jiº zmín¥ným rozst°ikem (inertním plynem, vodou, plazmou nebo ost°ediv¥), mechanickým mle- tím a v posledním p°ípad¥ chemickou systézou [22]. Hodnoty pom¥rných prodlou- ºení, koecientu tepelné roztaºnosti nebo charakteristiky závislosti ∆l/l = f (T ), CT E = f (T ) pro r·zn¥ vyráb¥né aluminidy ºeleza jsou nazna£eny v podkapitole

£.2.4.1.

2.2.5 Vliv koncentrací vakancí na mech. vlastnosti F e

Al nebo F eAl

Mechanické vlastnoti jsou siln¥ ovliv¬ovány p°itomností vy²²í koncentrace vakancí nebo termálních vakancí zadrºovaných vlivem tepelného zpracování. Jejich efekt za- visí nejenom na vý²i teploty p°i tepelném zpracování, nýbrº i na ochlazovací rychlosti po ºíhání. Zvý²ené koncentrace termálních vakancí lze odstranit dlouhým tepelným zpracováním p°i nízkých teplotách. Vliv vakancí byl prokázán tvrdostí aluminid·

ºeleza pro obsahy Al 34 - 51 % p°i kalení z teplot 1000 K. Naopak zm¥k£ení bylo zaznamenáno p°i dlouhodobém ºíhání p°i teplotách 670 K, které se zdá být nezá- vislé p°i obsahu Al 34 - 45 % [7]. Na obr. £.9je patrná tendence vývoje koncentrace vakancí v závisloti na obsahu Al p°i daném tepelném zpracování.

Zatímco tvrdost a pevnost u aluminid· ºeleza m·ºe být zvy²ována p°ítomností vakancí, vakan£ní zpevn¥ní ²kodí houºevnatosti p°i nízkých teplotách. Zadrºování vakancí mívá projevy v podob¥ zm¥ny charakteru lomu z intergranulárního na transgranulární a vy²²í náchylnosti na praskání p°i nízkých teplotách, coº vede k jiº zmín¥ným problém·m s pr·myslovým pouºitím. P°ídavky mikrolegur Cu, Ni, Mn, Cr, V a Ti sice zvy²ují rovnováhu tvrdosti, ov²em nijak neovliv¬ují koncentraci ter- málních vakancí. Naopak legování B zvy²uje tempo eliminace vakancí a tím pozitivn¥

ovliv¬uje mechanické vlastnosti. Pro B2 (b.c.c.) strukturní materiály existují dv¥ va- rianty ur£ující následné chování vakancí. Limitujícím faktorem je velikost formovací entalpie ∆Hf, která je pro F eAl 32, 4 ± 2, 0 kJ/g − atom, coº ukazuje na chování vakancí dle trojnásobného (triple) defektu. V podkapitole týkající se vlivu Al na me- chanické vlastnosti byl uveden obr. £. 6 týkající se vlivu Al na m°íºkový parametr.

Je patrná vzr·stající závislost zhruba do hodnoty 50 % Al, kdy dochází ke zlomu a sniºování hodnoty m°íºkového parametru. Na obrázku jsou uvedeny hodnoty p°i r·zných tepelných zpracováních, které v p°ípad¥ kalení sniºují m°íºkový parametr, coº lze povaºovat za d·sledek vy²²ího mnoºství termálních poruch. P°i dilatome-

trických m¥°eních porovnávající pro r·zné obsahy Al v F eAl hodnoty roztaºnosti

∆l/la zm¥ny m°íºkového parametru ∆a/a viz. obr.8je moºné pozorovat divergenci

Obr. £. 8: Vliv teploty na roztaºnost a zm¥nu m°íºkového parametru [10]

k°ivek p°i teplotách vy²²ích neº 700 °C, která indikuje formování termálních vakancí [10].

(a) (b)

Obr. £. 9: Vliv obsahu Al na koncentraci vakancí (a) [7], (b) [10].

2.3 Aluminidy v pr·myslové praxi

Pr·myslové uplatn¥ní aluminid· v sou£asti podléhá vysoce cen¥nému know-how jednotlivých výrobc· a nalézt konkrétní aplikace je obtíºné. V 50 letech resp. za dob komunistické éry byla lozoe smý²lení nad propagací nových materiál· nebo výzkumu a následného nasazení nových materiál· pod vlivem propagandy naopak

²iroce vyzdvihována a obecn¥ hlásaná, aby tímto do²lo k utvrzení technické vysp¥- losti tuzemského výzkumu nad výzkumem v kapitalistických zemích. Ov²em pod- klady z t¥chto dob jsou jiº p°ekonány nap°. slitinami s vhodn¥j²ími vlastnostmi nebo zm¥nou výrobních postup·.

Vysoká pevnost kombinovaná s vynikající oxida£ní a korozní odolností a v n¥- kterých p°ípadech niº²í hustota p°edur£uje slitiny aluminid· pro vyuºití v °ad¥ spe- cických pr·myslových aplikací, kde konkurují nebo jiº vytla£ují b¥ºné konven£ní materiály jakoºto speciální druhy ocelí nebo superslitin.

2.3.1 Vyuºití NiAl, F eAl, F e

Al pop°. jejich kombinace

Aluminidy niklu a ºeleza jsou díky svým vlastnostem pr·myslov¥ vyuºívány i v dal²ích odv¥tvích. Ve spole£nosti Alloy Engineering & Casting company (http:

//www.wirco.com/index.php) jsou aluminidy niklu vyuºívány pro podstavce v ce- menta£ních pecích a kombinace F eAl a Ni3Al nachází svoje uplatn¥ní rovn¥º v ce- menta£ních pecích v podob¥ podp¥rných stojek. Ve zmín¥ných aplikacích alumindy op¥t vytla£ují doposud vyuºívané ocelové materiály typu HU [23]. Alumidy posky- tují vy²²í odolnost v·£i difuzi uhlíku z atmosféry uvnit° pece a s ní spojené zk°ehnutí.

Dále vynikají díky vy²²í taºnosti, creepové pevnosti a v neposlední °ad¥ termální odolnosti proti únav¥ zp·sobené cyklickým olejových zchlazováním v procesu výroby.

Výhod kombinace F eAl a Ni3Al aluminid· se vyuºívá ve válcovnách pro výrobu tratí podpírajících procházející a do pot°ebného tvaru formovaný válcovaný poloto- var (ty£e apod.). Pro tato pr·myslová vyuºití byla zkou²ena sm¥s Ni3Al a F e3Al, p°ídavek aluminidu ºeleza vede k zabrán¥ní po£áte£ního roztavení aluminidu niklu v místech nejblíºe ho°ák·m uvnit° tavící pece p°i výrob¥ sm¥si aluminid·. Odt°ediv¥

odlévané trubky a odlitky vyráb¥né gravita£ním litím do pískových forem z materiálu N i₃Al a F eAl jsou rovn¥º vyuºívány v p°ípad¥ niklových aluminid· ve vysoce oxi- da£ním prost°edí, kde je nutná velká odolnost proti creepu resp. pro F eAl prost°edí vyzna£ující se vysokým výskytem suld· a roztavených solí. Ventily spalovacích mo- tor·, jeº jsou vystavené vysokým tlak·m p°i sou£asném p·sobení vysoké teploty, jsou vyráb¥ny z intermetalika F eAl. Intermetalika ºeleza výborn¥ díky své jiº mnoho- krát zmín¥né odolnosti proti oxidaci a níº²í hustot¥ vyhovují více v danému nasazení neº-li konven£n¥ vyuºívané materiály. V neposlední °ad¥ je vyuºíváno intermetalik na bázi F e3Al pro výrobu ltr· zachytávajících popel p°i procesu spalování uhlí v r·zných uhelných pecích nebo ltra£ních válc· z porézního aluminidu ºeleza pro bezpe£nou ltraci p°i urychlované ranaci petroleje (viz. obr. £.10), coº vedlo k ud¥- lení ceny EMAA 2011 spole£nosti PALL (http://www.pall.com/main/home.page) [11,12,24]. V¥t²ina doposud zmín¥ných sm¥sí byla p°ipravena pomocí metody odlé- vací technikou známou pod obchodním názvem EXO-MELT. Metoda spo£ívá v efek- tivním vyuºití tepla p°i formování prá²kových aluminid· z jejich základních sloºek.

Sloºky (jednotlivé p°á²kové materiály) jsou p°ipraveny pomocí rozst°ikování prou- dem vody £i plynu. P°i metod¥ je kladen velký d·raz na umíst¥ní jednotlivých sloºek uvnit° tavící nádoby, které hodn¥ napomáhá dosaºení ºádoucí struktury [22].

Obr. £. 10: ltr F e3Al PALL[24]

Aluminidy niklu a ºeleza jsou potenciáln¥ vyuºitelné pro petrochemický a che- mický pr·mysl (odolnosti proti kyselinám a roztaveným solím). V n¥kterých p°í- padech byl v technické praxi vyuºíván ocelový materiál s nanesenou tenkou vrst- vou (v °ádech stovek µm) aluminidu ºeleza F eAl, aby se zvý²ila ot¥ruvzdornost ocelového materiálu. Naná²ení prá²kového F eAl probíhalo za pomoci výkonného laseru a vysokohustotní infra-plasmatické obloukové lampy. Stále £ast¥ji je moºno se v pr·myslových aplikacích setkávat s heterogenními strukturami materiál· (po- vlaky apod.), jeº byly p°ipraveny na základ¥ prá²kových technologií p°esouvajících se postupn¥ z laboratorních prost°edí do výrobní praxe. Nap°íklad metodou Spark Plasma Sintering (SPS) lze zmín¥né heterogenní struktury p°ipravit a vyuºít b¥º- ného konven£ního materiálu s nanesenými povlaky pro aplikace vyºadující vysoké oxida£ní a chemické odolnosti. Do oblasti °ezných materiál· taktéº nemalou m¥rou promlouvají intermetalika, kdy lze druhotn¥ vyuºít aluminidy ºeleza F e3Al vystu- ºené F e3AlC_0.5 s následným p°idáním karbidu titanu T iC, p°edp°ipravenou vyso- ceuhlíkatou ocel a hliník v podob¥ odpadového ²rotu a získat tak °ezný materiál, jenº ve v¥t²in¥ parametr· p°ekonává vysoce rychlostní °ezné ocelové materiály (HSS) [3].

Pr·myslové vyuºití intermetalika F e − Al − C známý pod obchodním názvem pyroferal (Fe30%Al1%C) bylo pro výrobu lopatek pro kyzové praºící pece. Mezi dal²í moºnosti pr·myslových aplikací pyroferalu pat°í výroba cementa£ních nádob, ro²tnic a sou£ástí uidních kotl· dále sou£ástí vystavených kombinovanému mechanickému a tepelnému namáhání p°i výrob¥ ocelí a sou£ástí sklá°ských pecí a automat· (lepící kotou£e - p°i teplot¥ cca 500 °C se na tyto kotou£e p°ilepí sklovina p°icházející do automatu) [25].

Slitina F e − Ni − Al − Si je pouºitelná nejen pro náro£né vysokoteplotní apli- kace, ale rovn¥º nap°. na nástroje pro vysokorychlostní obráb¥ní, kde je poºadována výborná ot¥ruvzdornost, trvanlivost b°itu spolu s tepelnou stabilitou [26].

Vhodnou skladbou jednotlivých sloºek v p°edfázi výroby budoucího interme- talika, lze ovlivnit mnoho vlastností budoucí slitiny. P°íkladem m·ºe být slitina F e3(Al, Si), jenº vyniká výbornými magnetickými vlastnostmi (vysoká permeabi- lita) a je vyuºívána pro výrobu jader v induk£ních prvcích, kterými mohou být toroidní jádra transformátor· atd. [3].

2.4 Dosavadní poznatky v oblasti dilatometrie slitin Fe-Al, Kanthalu nebo ocelí

2.4.1 Intermetalika F eAl a F e

Al

Dilata£ními vlastnostmi slitin na bázi aluminid· ºeleza se zabývá [19, 27, 28].

Na obr. £. 11 jsou uvedeny výsledky dilatometrického testu p¥ti vzork· alumi-

Obr. £. 11: CTE oxida£n¥ disperzn¥ zpevn¥ných aluminid· ºeleza v závislosti na teplot¥ [27]

nid· ºeleza (sloºení vzork· v wt. %) Alusi1 - F e20Al12Cr1Y2O₃0, 014C, Alusi2 - F e25Al12Cr1Y2O₃0, 01C, Alusi3 - F e20Al8Cr1Y2O₃0, 017C, Alusi4 - F e20Al8Cr 0, 3Y₂O₃0, 012C, Fe40Al - Grade3 (24Al1Y2O₃0, 01C). Pr·m¥rná velikost zrn u slou-

£enin Alusi byla 2 µm a 1 µm pro Fe40Al. Slitiny Alusi obsahovaly krom¥ cílen¥

p°idávané mikrolegury oxidu ytria taktéº nepatrn¥ dispergovaný Al2O₃, jenº vznikl navázáním volného kyslíku na hliník p°i procesu mletí v argonové atmosfé°e. Vy²²í mnoºství Cr vytvá°í jemné disperzní precipitáty bohaté na zmín¥ný chróm.

M¥°ení probíhalo v He atmosfé°e na válcových vzorcích (pr·m¥ru 2 mm a délky 12 mm) p°i oh°ívací resp. chladící rychlosti 0, 3 °Cs⁻¹. Koecient teplotní (délkové) roztaºnosti (CTE-Coecient thermal expansion) jak ukazuje obr. £. 11 je vlivem p°ídavku Cr zvý²en aº o 50 % (Fe40Al v·£i Alusi2), výrazné zvý²ení CTE se objevuje

Obr. £. 12: CTE pro F e3Al (a) a F eAl (b) [28]

p°i teplot¥ 400 °C hlavn¥ u Alusi1-4, jenº jsou legovány zmín¥ným Cr. Vliv oxidu ytria se zdá být bez ú£inku na koecient teplotní roztaºnosti. Zajímavostí m·ºe být i vliv Al vzhledem k porovnání CTE pro slitiny Alusi2 (25 wt. % Al) a Alusi1 (20 wt. % Al). Slitiny pouºité v dilatometrických m¥°eních (viz. vý²e) Alusi 1-4 nebo Fe40Al-Grade3 byly vyráb¥ny prá²kovou metodou HIP do podoby ty£í pr·m¥ru 35mm resp. protla£ování za tepla na pr·m¥r 15 mm [27].

V [28] jsou porovnávány koecienty teplotní roztaºnosti konven£ního materi- álu - ocele 316 dle AISI (1,4401 DIN; 17346 ƒSN) chemického sloºení CrNiMo 17/12/2 s aluminidy ºeleza F eAl (F e38, 5Al0, 2Mo0, 05Zr0, 13C) ozna£ený jako FA- 385 a F e3Al(F e28Al5Cr0, 5Nb0, 2C) ozna£ený jako FA-129. M¥°ení probíhalo na horizontálním diferenciálním dilatometru kalibrovaného safírovou ty£inkou o délce 25 mm do teplot 1300 °C s tempem oh°evu resp. chlazení 3 °C/min a setrváním na max. teplot¥ po dobu 20 min. Zm¥ny délky byly snímány induk£ním sníma£em LVDT a p°esnou informaci o teplot¥ podával termo£lánek typu S (Pt/PR-10 % Rh), p°esnost m¥°ení ±2 % v m¥°ícím intervalu 30 s.

Na obr. £. 12je uvedena závislost CTE na teplot¥ pro slitin F eAl a F e3Al. Lze pozorovat shodné chování v podob¥ strmého nár·stu koecientu roztaºnosti p°i blí- ºící se transforma£ní zm¥n¥ (DO3 ⇒ B2 ⇒ αF e resp. B2 ⇒ αF e) a následného prudkého poklesu CTE. Porovnání roztaºnosti ∆l/l0 uvádí obr. £.13. z n¥hoº je pa- trná shodnost tepelné roztaºnosti ocele s aluminidy do teploty cca. 800 °C nad touto hranicí lze pozorovat nepatrné zvý²ení roztaºnosti aluminid·. Nad teplotou 1100 °C dochází k odli²ným hodnotám roztaºnosti aluminid·, FeAl vykazuje o zhrubou 8%

vy²²í roztaºnost.

P°i dilatometrickém testu slitin F eAl, F e3Al a SS316 (viz. vý²e) byl test prová- d¥n na vzorcích válcového tvaru (pr·m¥ru 4 mm) a délky 25 mm. Kone£nou podobu vzorky získaly elektrojiskrovým obráb¥ním, jemuº p°edcházelo v p°ípad¥ F eAl gra- vita£ní lití slou£eniny do vodou chlazené m¥d¥né formy resp. pro F e3Alprotla£ování

Obr. £. 13: Roztaºnost F eAl, F e3Al a SS 304 [28]

(a) (b)

Obr. £. 14: Termální roztaºnost Fe-40Al p°i výrob¥ sintrováním [19]

s reduk£ním pom¥rem 8:1. P°íprava taveniny probíhala v obloukové peci (F eAl) nebo v elektrojiskové p°etavovací peci pod struskou (F e3Al) [28].

Beztlaké sintrování sm¥si ºeleze (£istota 99,8 %) a hliníku (£istota 99,5 %) od- povídající slitin¥ Fe-40Al vykazuje zajímavé vlastnosti z pohledu dilatometrie. Na obr. £. 14a lze pozorovat prudké zvý²ení roztaºnosti, jenº je závislé na tvorb¥ fáze F e₂Al₅. Roztaºnost ov²em nabývá vlivem r·zné rychlosti oh°evu p°i sintrovacím procesu odli²ných hodnot. Pro rychlost oh°evu ≤ 0, 5 °Cmin⁻¹ dosahuje roztaºnost hodnot 8,5 % naproti p°i rychlosti oh°evu ≥ 1 °Cmin⁻¹ m·ºe roztaºnost dosáhnout hodnot 18 % navíc sintrované vzorky vykazují odli²né hodnoty hustoty. Na obr.

£. 14b bylo pro porovnání nazna£ena charakteristika závislosti termální roztaºnosti odlévané slou£eniny FeAl [19].

2.4.2 Slitiny Fe - C (ocele F e − F e

C )

V [29] byly testovány dva druhy ocelí z pohledu roztaºnosti v horizontální kongu- raci dilatometru a vertikálním dilatometru (viz. podkapitola £. 2.7.4). V tab. £. 3 jsou uvedena chemická sloºení testovaných ocelí. V prvním p°ípad¥ se jednalo o nízko legovanou uhlíkovou ocel s obchodním ozna£ením SA533B1, jejíº roztaºnost p°i vy- sokých teplotách m¥la být jedním z hlavních kritérií, jeº by nasv¥d£ovala k nasazení oceli v aplikacích v lehkých vodních reaktorech. Druhou testovanou ocelí byla koro- zivzdorná austenitická ocel ozna£ena dle AISI normy 304 (ƒSN17249, DIN1,4306), která m¥la dle výsledk· m¥°ení roztaºností p°i vysokých teplotách taktéº slouºit jako výrobní materiál - pro nádrºe v lehkých vodních reaktorech. Materiály m¥ly být schopny odolat havarijním událostem a z nich vyplývající prudký nár·st teploty.

Tab. £. 3: Sloºení ocelí [29]

ocel C Si Mn P S Ni Mo Cr Cu

SA533B1 (wt.%) 0,207 0,22 1,28 <0,02 0,006 0,61 0,52 - 0,03 AISI304 (at.%) 0,08 0,75 2 0,045 0,03 8-10,5 - 18-20 -

Testy probíhaly nejprve v horizontálních a posléze ve vertikálních dilatometrech ve t°ech po sob¥ jdoucích m¥°eních pro teploty do 700 °C a 1200 °C pro moºnost porovnání získaných dat a vyhodnocení vlivu kongurace dilatometru. Samotným test·m ocelí p°edcházela kalibrace pomocí safírových válcových vzork· pr·m¥ru 7 mm délky 20 mm. Kalibra£ní k°ivky roztaºnosti safírových vzork· jsou uvedeny v experimentální £ásti práce v podkapitole £.3.1.2. Pro porovnání byly navíc testo- vány i jiné kalibra£ní materiály jako nap°. k°emen (pr. 7 mm, délka 25 mm) nebo polykrystalický Al2O₃.

K°ivky závislosti pom¥rného prodlouºení a teploty jsou uvedeny na obr. £. 15, na obr. a) uvedeno pom¥rné prodlouºení ocele SA533B1 s výrazným sníºením roz- taºnosti (hrbem) vlivem p°echodu Feα v Feγ resp. opa£n¥ pro chlazení. Na obr.

£. 15 b) je uvedena k°ivka prodlouºení ocele 304, ze které lze vy£íst tém¥° nezna- telnou zm¥nu v dilata£ním chování ocele vlivem rekrystalizace Feα na Feγ. Ov²em vý²e zmín¥ná absence anomálie roztaºnosti u 304 ocele není jediná odli²nost, nedo²lo taktéº k oxidaci povrchu ocele jako v p°ípad¥ SA533B1. Mírné odchylka mezi jednot- livými m¥°eními výrazn¥ji patrné u ocele SA jsou p°isuzovány mírné úrovni oxidace a oduhli£ení povrchové vrstvy. Oxidace mohla být zap°í£in¥na ne£istotami v argo- nové atmosfé°e (pr·tok cca. 190 ml/hod), nerovnom¥rným rozloºením koncentrace Ar uvnit° testovací komory nebo vniknutím venkovní atmosféry do prostoru komory vyvolané nízkým tlakem Ar. Výsledky m¥°ení a následné porovnání s dosavadními

Obr. £. 15: Pom¥rné prodlouºení ocelí SA533B1 a SS304 v závislosti na teplot¥ [29]

daty dochází k odchylce v rozsahu 6 - 21 %.

P°i testech ve vertikálním dilatometru byly pouºívány vzorky délky 20 mm s to- toºným pr·m¥rem jako p°i testech na horizontální konguraci dilatometru (7 mm).

Získaná data potaºmo dilata£ní k°ivky úzce kopírují k°ivky získané v horizontální konguraci dilatometru s nejv¥t²í odchylkou 6,2 % a lze pozorovat shodnou míru oxidace mezi variantami dilatometr·.

2.5 Dilatometrie

Dilatometrie je zaloºena na sledování rozm¥rových zm¥n p°eváºn¥ délky násled- kem p°eskupení atom· v krystalové m°íºce zkoumaného vzorku p°i zm¥n¥ teploty.

Dilatometrickým m¥°ením lze ur£ovat pr·b¥hy fázových p°em¥n v tuhém stavu p°i oh°evu p°ípadn¥ ochlazování, dále se dilatometrie vyuºívá k stanovení koecientu délkové teplotní roztaºnosti (CTE - Coecient Thermal Expansion) a v neposlední

°ad¥ ke snadn¥j²í identikaci kritických p°echodových teplot, jenº jsou více patrné v dilata£ních k°ivkách.

2.5.1 Matematický aparát pro dilatometrická m¥°ení

Oh°evem vzorku dochází ke zm¥n¥ jeho objemu podle vztahu

V_T = V₀^1 + βT + β₁T²+ β₂T^3, (1) ve vztahu VT je objem za teploty T, V0 objem p°i teplot¥ 0 °C a konstanty β, β1a β₂ jsou konstanty zkou²eného kovu. P°i men²ích rozdílech teplot lze konstanty β1a β₂

zanedbat a vý²e uvedený vztah lze p°epsat do tvaru

V_T = V₀(1 + βT ) (2)

koecient β je objemový sou£initel teplotní roztaºnosti, který udává p°ír·stek zm¥ny objemu p°i zah°átí o 1 °C. P°i dilatometrii se zji²´uje zm¥na délky vzorku vycházející ze vztahu

l_T = l₀(1 + αT ) (3)

kde α sou£initel délkové teplotní roztaºnosti udávající prodlouºení jednotky délky p°i zah°átí ty£e o 1 °C, l0−p·vodní délka vzorku. V p°ípad¥ shodnosti roztaºnosti ve v²ech kolmých sm¥rech lze koecient β poloºit rovný β = 3α, v opa£ném p°í- pad¥ koef. β = α1 + α₂ + α₃ (jednotlivé koef. α jsou koecienty délkové teplotní roztaºnosti ve t°ech vzájemn¥ kolmých sm¥rech). V¥t²ina materiál· vykazuje ani- zotropické vlastnosti z pohledu teplotní roztaºnosti v navzájem kolmých rovinách (sm¥rech) [30].

Délková roztaºnost je veli£ina závislá na teplot¥. Rozli²uje se teplotní roztaºnost pravá (skute£ná) a st°ední. Pravý sou£initel platí pro konkrétní hodnotu teploty vzorku a je dána vztahem:

α_pr = dl dT

l l0

, (4)

st°ední sou£initel teplotní roztaºnosti platí pro ur£ité teplotní rozmezí vycházející ze vztahu:

α_stˇr= l_T − l₀ T − T₀

1

l₀ (5)

Hodnoty st°edních teplotních délkových roztaºností pro n¥které prvky jsou uvedeny v tab. £. 4.

Tab. £. 4: St°ední hodnoty sou£initele teplotní délkové roztaºnosti n¥kterých kov·

[32]

Kov Sou£. tepelné délkové roztaºnosti mezi 0-100°C[10⁻⁶/°C, ppm/°C]

Antimon 10,8

Cín 23

Chrom 8,5

Wolfram 4,5

M¥¤ 16,5

Olovo 28

Hodnoty st°edního sou£initele teplotní roztaºnosti, jak ukazuje vzorec5, jsou zá- vislé na referen£ní délce, referen£ní teplot¥ a okamºité délce a teplot¥ vzorku v pr·- b¥hu m¥°ení. Zmín¥né hodnoty ^l_{T −T}^T−l0₀ nebo téº _4T^4l lze získat z grafu závislosti, jenº je generován dilatometrem v ur£itých obm¥nách (dilatometr vyuºívaný pro dilato-

metrická m¥°ení na kated°e materiál· TUL umoº¬uje aº dvanáct p°eddenovaných typ· graf·-závislostí). Závislost ∆l/l0a T lze pro dal²í operace matematicky vyjád°it aproximací polynomální funkce n-tého °ádu ve tvaru:

∆l

l₀ = a + bT + cT²+ dT³+ ... + nTⁿ (6) Uvedený vzorec resp. funkce aproximuje skute£ný pr·b¥h prodlouºení v·£i teplot¥

s ur£itou p°esnosti v daném teplotním rozsahu nap°. pro £isté Fe matematické vy- jád°ení fce. prodlouºení ∆l/l0 = −2, 89 ∗ 10⁻³ + 7, 35 ∗ 10⁻⁶T + 9, 33 ∗ 10⁻⁹T² − 3, 14 ∗ 10⁻¹²T³ pro teplotní rozsah 27 < T < 909 °C s p°esností ± 3 % [31], nebo pro slou£eninu F e3Al (FA-129) 4l/l0 = −0, 02653 + 0, 001436T + 4, 403 ∗ 10⁻⁷T²+ 9, 596 ∗ 10⁻¹⁰T³(20 < T < 543°C), £i pro intermetalikum F eAl (FA-385) nabý- vala funkce popisující chování roztaºnosti v rozmezí teplot 20 < T < 1190 °C tvaru

−0, 061450 + 0, 002119T − 3, 721 ∗ 10⁻⁷T² + 6, 542 ∗ 10⁻¹⁰T³ [28]. Koecienty a - n jsou získávány metodou nejmen²ích £tverc·, °ád nebo stupe¬ polynomu je volen s p°ihlédnutím k ºádoucí p°esnosti tj. odchylce skute£ných dat od aproximovaných.

2.6 Vzorky pro dilatometrii

Pro dilatometrická m¥°ení lze pouºít r·zných tvar· vzork·, ve kterých je pot°eba spojit funk£nost, snadnou a opakovatelnou výrobu. Nej£ast¥ji se vyuºívají pro snad- n¥ji obrobitelné materiály vzorky ve tvaru vále£ku pr·m¥ru nap°. do 5 mm (ov²em ani men²í pr·m¥ry nejsou vyjímkou) a délky do 50 mm, nebo válcové vzorky ma- jící jednu stranu opat°enou zaoblením a druhou stranu pro kontakt s m¥°ící £ástí dilatometru opat°enou kolmou plochou. Pokud je nutno m¥°it dilatometrické cha- rakteristiky sloºit¥ obrobitelných materiál· lze uloºit do dilatometru kousky zkou- maného materiálu obecného tvaru o celkové délce do 50 mm. Tvary n¥kterých dal²ích moºných vzork· jsou na obr. £. 16 [32].

2.7 Techniky dilatometrického m¥°ení

Podle zp·sobu m¥°ení dilatace se rozeznávají dv¥ metody získávání dilatometric- kých dat.

2.7.1 Absolutní m¥°ení dilatace

M¥°ení spo£ívá v bezprost°edním m¥°ení délkových zm¥n v závisloti na teplot¥

m¥°eného vzorku. Metodou se dosahuje velké p°esnosti na úkor £asové náro£nosti

Obr. £. 16: Vzorky pro dilatometry [32]

celého m¥°ení, z tohoto d·vodu se vyuºívá absolutního m¥°ení pouze p°i cejcho- vání dilata£ních m¥°idel.

ˆ p°ímá optická m¥°ení

P°i této metod¥ je zku²ební vzorek umíst¥n v peci s elektrickým vytáp¥ním nebo v lázni. Prodlouºení vzorku, jak ukazuje obr. 17, je snímáno skrze otvory v peci dv¥ma mikroskopy opat°enými okulárovými mikrometry. Dvojice mikroskop· je - xována v ur£ité vzdálenosti na podp¥rách. P°i samotném m¥°ení dilatace pozoru- jeme okraj m¥°ené ty£ky nebo lze pozorovat dv¥ rýhy vytvo°ené na m¥°eném vzorku v p°esn¥ daných vzájemných vzdálenostech. M¥°ení teploty uvnit° pece a na m¥°e- ném vzorku probíhá za pomoci termo£lánk·. V p°ípad¥ pot°eby m¥°ení dilatací za nízkých teplot lze pec vym¥nit za chladící láze¬.

Metoda pat°í k absolutním metodám m¥°ení dilatace a tudíº se s její pomocí dosahuje velkých p°esnotí. Výhoda metody spo£ívá v nulovém mechanickém namá- hání (tlak, tah apod.) zkou²eného vzorku. Za jednu z nevýhod zmín¥né metody lze pokládat subjektivní ode£ítání prodlouºení m¥°eného vzorku.

Obr. £. 17: P°ímá optická metoda m¥°ení prodlouºení vzorku [32]

ˆ rentgenogracká metoda

U krystalických látek lze zm¥nu délky vzorku registrovat i pomocí zm¥ny m°íºkové konstanty a to díky rentgenovým paprsk·m. Na lmu dojde k zachycení zm¥ny

interferen£ních £ar vlivem oh°átí vzorku. Pokud je známa rovina m°íºky, na kterou dopadají rentgenové paprsky, lze stanovit koecient délkové teplotní roztaºnosti.

ˆ interferen£ní metoda

Princip m¥°ící metody je ukázán na obr. 18, kde vzorek ve tvaru krouºku je postaven na zrcadlov¥ lesklou rovnou podloºku a p°ikryje se planparalelní desti£kou ze skla nebo k°emene. P°i následném oh°evu dochází vlivem délkových zm¥n vzorku ke zm¥n¥ tlou²tky vzduchové mezery mezi zrdcadlovou plochou a spodní stranou planparalelní desti£ky. Posunem interfere£ních £ar lze nep°ímo díky zm¥n¥ tlou²tky vzduchové mezery vypo£ítat délkovou zm¥nu m¥°eného vzorku. Interferen£ní £áry jsou snímány nap°. univerzálním interferometrem.

Obr. £. 18: Interferen£ní m¥°ící metoda [32]

Popsané za°ízení je dosti náchylné na ot°esy a nevhodné pro zji²´ování délkové roztaºnosti za vysokých teplot [32].

2.7.2 Relativní ur£ování dilatace

P°i této metod¥ nedochází k m¥°ení proudlouºení zku²ebního vzorku p°ímo nýbrº se srovnává s prodlouºením jiného materiálu (etalonu - k°emen, safír, slitina pyros - slitina 82 % Ni, 8 % Cr, 4 % W, 3 % Mn, and 3 % Fe [33], grat atd.), jehoº závislost délkové roztaºnosti na základ¥ zm¥ny teploty je jiº známá. Zmín¥ná závislost u eta- lonu je získávána n¥kterou z absolutních metod m¥°ení dilatace (viz. podkapitola 2.7.1). Relativní ur£ování dilatace má oproti absolutnímu m¥°ení výhody v podob¥

odstran¥ní potíºí nap°. v subjektivním ode£ítáním atd. a m¥°ící za°ízení jsou kon- struk£n¥ jednodu²²í s uspokojivou p°esností.

ˆ trubková metoda

Vzorek s kruhovým pr·°ezem se vloºí do k°emené trubky (etalonu), spodní okraj m¥°ené ty£e se dotýká zataveného hrotu k°emenné ty£inky (viz. obr. 19). O horní okraj m¥°ené ty£e se opírá k°emenná snímací ty£ka. K°emená ty£inky a trubka

jsou z d·vodu ode£itatelnosti a moºnosti umíst¥ní ode£ítací stupnice zbrou²eny do hloubky poloviny svého obvodu (obr. £. 19). Vzájemným posuvem k°emenné ty£ky v·£i trubce lze indikovat délkovou dilataci, jenº lze snímat nap°. mikroskopem. Pro p°esnot m¥°ení je d·leºité, aby materiál p°ená²ecí ty£ky a pouzdra (trubky) byl shodný a následn¥ p°i m¥°ení panovala shoda mezi teplotami vn¥ a uvnit° trubky.

Výhodu zmín¥né metody je moºno spat°ovat v m¥°ení za nízkých i vysokých teplot a v konstruk£ní jednoduchosti za°ízení. I díky t¥mto zmín¥ným výhodám se lze setkat s touto metodou v mnoha za°ízeních a v mnoha obm¥nách.

Obr. £. 19: Trubková a interferen£ní relativní metoda m¥°ení [32]

ˆ interferen£ní metoda

Interference sv¥telných paprk· se vyuºívá p°i absolutním zji²´ování délkové roz- taºnosti i p°i ur£ování délkové roztaºnosti relativn¥. Roztaºnost je m¥°ena z rozdílu dilatace vzorku a etalonu - k°emenné desti£ky. Schéma za°ízení ukazuje obr. £. 19.

Krycí planparalelní desti£ka je na jedné stran¥ podpírána ost°ím (S) základní desky, jenº je z materiálu se známou délkovou roztaºností (obvykle k°emen). Na druhé stran¥ je krycí deska podpírána zkoumaným vzorkem. P°i osv¥tlení desti£ky mo- nochromatickým sv¥tlem dochází k vytvo°ení ur£itého po£tu interferen£ních £ar, jejichº po£et je závislý na vychýlení horní krycí desti£ky a základní desky. P°i m¥-

°ení se zji²´uje po£et interferen£ních £ar mezi dv¥ma ryskami vzdálenými od sebe o délku d. Rysky jsou vyryty na horní stran¥ krycí desky.

Danou metodou se dosahuje dosti vysokých p°esnotí s rozli²ením v tisícinách µm, bohuºel pro metalogracké u£ely není p°íli² vhodná.

ˆ tenzometrická metoda

Pro m¥°ení pomocí tenzometrické metody je vyuºíváno snímání silových ú£ink·

na m¥°enou zku²ební ty£ tenzometry. Na zku²ební ty£ je p·sobeno danou silou, která je snímána odporovými tenzometry a informace za sníma£· tak nep°ímo slouºí

k vyhodnocení délkové roztaºnosti. Závislost elektrického odporu na zm¥n¥ rozm¥ru lze exaktn¥ vyjád°it vztahem:

∆R

R = k∆l

l (7)

kde ∆R - zm¥na el. odpor, R - el. odpor, k - konstanta tenzometru, ∆l - zm¥na délky m¥°eného t¥lesa, l - p·vodní délka t¥lesa. Pro kompenzaci r·zných tepelných ú£ink· se pouºívají tenzometrické m·stky nap°. Wheatston·v m·stek.

Metodou lze m¥°it protaºení s velkou p°esností a díky konverzi protaºení (dila- taci) na elektrický signál, lze danou informaci resp. údaj velmi dob°e zpracovávat v elektronických systémech [32].

2.7.3 Zaznamenání dilatometrických zm¥n m¥°ených vzork·

Výsledkem dilatometrické analýzy mohou být dva druhy záznamu. Jednou ana- lýzou je skute£ná dilata£ní k°ivka coº je závislost dilatace vzorku (∆LV − T) na teplot¥ a druhým výsledkem je diferen£ní dilata£ní k°ivka. V druhém p°ípad¥ je zobrazován rozdíl dilatace vzorku a etalonu tj. (∆LV − ∆L_e) − T na teplot¥ vzorku.

P°i obou zp·sobech je vyuºito relativního zp·sobu m¥°ení dilatace s etalonem, jenº nemá v m¥°eném rozsahu teplot ºádnou fázovou p°em¥nu (k°emen, safír, korund, wolfram, platina, grat atd.).

Metoda zaznamenání skute£né dilata£ní k°ivky je také známa jako metoda Bolle- nrathova, metoda záznamu diferen£ní dilata£ní k°ivky byla taktéº nazvána podle jejího objevitele jejímº byl Pierre Chevenard. Výhodou Chevenardova záznamu a uspo°ádání dilatometru je zaznamenání i pom¥rn¥ malých dilata£ních zm¥n. Mo- derní dilatometry disponují ob¥ma moºnostmi zaznamenávání dilata£ních pr·b¥h·

tj. metodou Chevenarda nebo Bollenratha a navíc lze pr·b¥h dilatace vzork· zazna- menat v závislosti na £ase (∆LV − τ ).

Registrace délkových zm¥n do²la v pr·b¥hu let díky rozvoji m¥°ící techniky tak- téº velkých zm¥n. P·vodn¥ mechanické zp·soby zaznamenání dilata£ních pr·b¥h·

pomocí pisátka pop°. pomocí sv¥telného paprsku na fotocitlivý papír jsou jiº spí²e ar- chaickými p°ístroji. V sou£asných dilatometrech je registrace délkových zm¥n vzork·

nep°ímo m¥°ena zm¥nou elektrických veli£in typu elektrický odpor, kapacita a in- duk£nost. Délkové zm¥ny vzork· jsou p°evád¥ny pomocí pákového mechanismu na zm¥nu elektrického odporu (wheaston·v m·stek) nebo v p°ípad¥ zm¥ny kapacity dilatující vzorek p°ímo ovládá vzdálenost mezi dv¥mi elektrodami tvo°ící kondenzá- tor resp. pono°ení feromagnetického jádra uvnit° cívky pro induk£ní snímání zm¥n rozm¥r· vzork· [32]. Zmín¥nými principy lze m¥°it dilata£ní vlastnosti dokonce i polymerních materiál· [34].

2.7.4 Dilatometry

Dilatometry jsou za°ízení, pomocí nichº lze m¥°it dilataci jednotlivých m¥°ených vzork·. Obecn¥ je moºno dilatometry rozd¥lit podle jiº známého kritéria na ab- solutní a relativní. Absolutní dilatometry nejsou v technické praxi p°íli² vyuºívány p°es svoje nedostatky vyplývající z podkapitoly £.2.7.1, a tudíº v této práci nebudou jiº zmi¬ovány, ov²em s pohledu konstruk£ního uspo°ádání absolutních a relativních dilatometr· je moºno vnímat velké odli²nosti. P°esnost dilatometr· m¥°ících zm¥nu délky na základ¥ absolutního m¥°ení - laserové interferometry [35] bývá okolo hod- noty 5 nm, coº v porovnání s relativními dilatometry (10 - 2000 nm) poukazuje na specické a velmi p°esné m¥°ení [31]. Na obr. £. 20 jsou uvedeny základní £ásti horizontální kongurace dilatometru.

Obr. £. 21 ukazuje moºné konstruk£ní varianty relativních dilatometr·. Základ- ním prvkem dilatometru je oh°ívací pec do níº je vloºen zkoumaný vzorek a následn¥

díky vyza°ování tepla z okolních elektrických topných t¥les oh°íván dle poºadavk·

m¥°ení. Maximální teplota uvnit° pece se samoz°ejm¥ odvíjí od typu dilatometru, ov²em lze dosáhnout teploty aº 2800 °C [36]. N¥které dilatometry jsou vybaveny i kryo systémém pro zkoumání dilatace vzork· p°i nízkých teplotách nap°íklad p°i pouºití tekutého dusíku jako chladiva je moºno dosáhnout teplot okolo -196 °C.

Teplota uvnit° pece je snímána pomocí jednoho nebo dokonce i dvou termo£lánk·

odpovídajícího typu dle maximálního resp. minimálního teplotního rozsahu (typy S, B atd.) a posléze posílána do °ídícího systému, jenº data konvertuje a p°eposílá p°es komunika£ní rozhraní (RS232, USB) do PC k dal²ímu zpracovaní (archivace dat, zobrazování dilata£ních k°ivek apod.).

Oh°ev nebo ochlazování vzork· uvnit° pece je moºno p°esn¥ °ídit pomocí zm¥ny náb¥hových nebo chladících teplotních k°ivek regulátoru a tím p°esn¥ °ídit rychlost oh°ev resp. ochlazování p°ípadn¥ setrvání na konkrétní teplot¥.

M¥°ený vzorek je umíst¥n uvnit° pece na xa£ním (podp¥rném) drºáku v¥t²inou z materiálu, jenº se shoduje s materiálem pouºitým na p°ená²ecí ty£inku (pushrod) - k°emen, Al2O₃, safír apod. Zm¥na rozm¥ru vzorku se p°ená²í na ty£inku (pushrod - viz. obr. £. 20), jenº zp·sobuje následnou výchylkou na sníma£i délkové zm¥ny (LVDT - induk£ní sníma£ s p°esností desetin µm). Hodnota zm¥ny délky se konver- tuje za pomoci LVDT sníma£e na el. nap¥tí a p°ená²í se do S a posléze vyhodnocuje v p°ipojeném PC. Dal²ím moºným uspo°ádáním dilatometru je varianta spo£ívající ve dvou paralélních p°ená²ecích ty£inkách shodné délky. Jedna p°ená²ecí ty£inka se dotýká etalonu, který má shodnou délku jako vkládaný vzorek, jenº se naopak do- týká druhé p°ená²ecí ty£inky. Následná dilatace (roztaºnost) je m¥°ena jako rozdíl mezi paralelními ty£inkami roztahujícího se etalonu resp. vzorku, jedná se o tzv. di- feren£ní metodu (viz. obr. £.21b). A poslední moºnou kongurací dilatometru m·ºe

Obr. £. 20: Základní £ásti horizontálního dilatometru [36]

Obr. £. 21: Konstruk£ní uspo°ádání relativních dilatometr· [37]

být schéma, jenº je nazna£eno na obr. £. 21c), spo£ívající v moºnosti sou£asného m¥°ení dilatometrických vlastností dvou vzork·. Výchylka identikující roztahující se materiály je op¥t snímána LVDT sníma£em a následn¥ zpracována [37].

Na materiály tvo°ící p°ená²ecí ty£inky a podp¥ry pop°. dal²í vnit°ní £ásti dila- tometru p°ímo vystavené vysokým teplotám jsou kladeny vysoké nároky z pohledu denované roztaºnosti, oxida£ní odolnosti. Zmín¥né vlastnosti jsou samoz°ejmé pro materiály vyuºívané jako etalony, které navíc musí spl¬ovat dal²í kritéria jako nap°.

nízká roztaºnost, reprodukovatelnost parametr· nebo koecient délkové roztaºnosti dosahující maximáln¥ hodnoty 2 % p°i ∆T = 950 °C. T¥mto kritériím vyhovují nejvíce jiº £áste£n¥ zmín¥né materiály jako k°emen, wolfram, platina, m¥¤, pokrys- talický Al2O₃ - korund, monokrystalický Al2O₃ - safír (více v kap.3.1.2) a grat.

Aby do²lo k zamezení ²kodlivých vliv· (oxidace apod.) okolní atmosféry na m¥°e- ném vzorku lze dilata£ní testy provád¥t v r·zných ochranných atmosférách inertních plyn· jako helium, argon atd. Vliv okolní atmosféry na mechanické vlastnosti byl

£áste£n¥ jiº uveden vý²e v podkapitole 2.2 a lze nahlíºet na problematiku vlivu

testovací atmosféry b¥hem dilatometrického m¥°ení podobn¥ jako na jiné okolní at- mosférou ovlivn¥né mechanické parametry. Ochraná atmosféra m·ºe také slouºit pro

°ízené chlazení uvnit° pece.

Dal²ím kritériem rozd¥lení dilatometr· m·ºe být orientace vzorku uvnit° pece, coº vede k d¥lení na horizontální a vertikální dilatometry. Na obr. £. 22je ukázáno schéma vertikálního dilatometru, který se principiáln¥ neodli²uje od horizontální varianty. Výhody a nevýhody jednotlivých kongurací jsou shrnuty níºe.

Výhody a nevýhody horizontálních dilatometr· [29]:

ˆ redukují termální ovlivn¥ní vzorku sebou samým

ˆ nevýhodou horizontálních dilatometr· je t°ení vznikající mezi vzorekem a jeho podp¥rami

Výhody a nevýhody vertikálního dilatometru:

ˆ odstran¥ní t°ení mezi vzorkem a podp¥rami

ˆ tepelné ovlivn¥ní vzorku sebou samým tj. proud¥ní tepla okolo vzorku sm¥rem vzh·ru a p°eh°ívání vzorku

Konstruk£ní uspo°ádání dilatometr· se projevuje i v odli²ných výsledcích dilato- metrických dat (sou£initel délkové roztaºnosti), nap°. v [29] lze nalézt odchylku prodlouºení p°i kalibrování pomocí safírového vzorku o celá dv¥ procenta.

Obr. £. 22: Základní funk£ní schéma vertikálního dilatometru [38]