KAPITOLY

Home » Kapitola 1 - Co je ocel?

Kapitola 1 - Co je ocel?

Co si máme představit pod slovem ocel? Víte, že ocel má krystalickou strukturu? Jaké fáze se vyskytují v oceli?

Ocel je slitina železa, uhlíku a dalších prvků. Přidávání dalších prvků do oceli se nazývá legování. Jako mezní obsah uhlíku se obvykle uvádí 2,11 %. Pokud má slitina železa více než 2,11 % uhlíku, neoznačujeme ji jako ocel, ale jako litinu. I malé změny koncentrace uhlíku a dalších přidaných prvků mají zásadní dopad na vlastnosti oceli. Ocel se (podobně jako jiné slitiny) vyznačuje krystalickou strukturou. Tím rozumíme, že základní stavební „kameny“ oceli (atomy) jsou konkrétně rozmístěny a jejich rozmístění je jistým způsobem pravidelné. Uspořádáním atomů v krystalu jsou dány specifické fyzikální a chemické vlastnosti jako například vodivost, tvrdost či hustotu. Pokud bychom středy jednotlivých atomů pospojovali imaginárními čarami, zjistíme, že právě např. u oceli se atomy seskupují do základní buňky ve tvaru tzv. kubické mřížky. A nejčastěji v oceli (a také v čistém železe) rozeznáváme dva druhy těchto mřížek. Kubickou prostorově středěnou (v této mřížce jeden atom železa „sedí“ přesně uprostřed krychle) a kubickou plošně středěnou (v této mřížce „sedí“ jeden atom železa navíc ve všech šesti stěnách). Nejlepší bude, když si to ukážeme na 3D snímku na následujících modelech.

Atomy uhlíku jsou v mřížce umístěny tzv. intersticiálně, to znamená, že nesedí v uzlových bodech mřížky, ale jsou umístěny mezi atomy železa. Atom uhlíku tak vlastně vytváří v mřížce poruchu, protože je v ní navíc, je vtěsnán mezi atomy železa. Atom uhlíku je totiž podstatně menší, než atom železa.Typ a velikost obou mřížek má vliv i na rozpustnost uhlíku v jednotlivých modifikacích.

V mřížce alfa může být u oceli maximálně 0,02% uhlíku. Této fázi říkáme ferit. Ale v mřížce gama může být až 2,11% uhlíku a tuto fázi nazýváme austenit. Pokud je v oceli uhlíku více, tj. nad mez rozpustnosti, vyskytuje se uhlík ve formě karbidu železa - samostatné fáze s odlišnou mřížkou.

Dvě zmíněné krystalografické modifikace (alfa a gama) se vyskytují v oceli v závislosti na teplotě a i na chemickém složení. Jak je patrné z takzvaného diagramu železo-uhlík na obrázku dole, při normální teplotě se u nelegované oceli (tedy u oceli, do které nejsou přidány další legující prvky jako chrom, nikl, mangan,  křemík apod.) nachází fáze ferit, perlit a cementit. Diagram železouhlík nám ukazuje, při jaké teplotě a množství uhlíku se v oceli vyskytují konkrétní fáze. Tvar diagramu tj. polohu křivek ale významně ovlivňuje chemické složení oceli. Například legováním oceli niklem, se významně rozšiřuje oblast austenitu až do normálních teplot. Proto je struktura takovéto oceli zcela jiná než u oceli nelegované a její vlastnosti jako pevnost, tvrdost, korozní odolnost, jsou také rozdílné.

Feriticko perlitická struktura v řádkovacím elektronovém mikroskopuFeriticko perlitická struktura v řádkovacím elektronovém mikroskopu

Fáze v oceli

Velice zajímavou fází, nebo lépe řečeno směsí dvou fází, je tzv. perlit. Tato fáze, která se běžně vyskytuje u nezušlechtěných konstrukčních ocelí, je tvořena lamelami feritu a cementitu. Růst krystalů této fáze probíhá následovně: nejprve se z austenitu při poklesu teploty začne vylučovat ferit (u tzv. podeutektoidních ocelí), protože má ale ferit velmi malou rozpustnost uhlíku, austenit, ze kterého uhlík roste, má najednou uhlíku přebytek. Proto, jakmile nově vyrostlý ferit dosáhne kritické velikosti, nahromaděný uhlík se začne vylučovat z austenitu na feritické lamely jako karbid Fe3C. Austenit se pak zase velmi rychle uhlíku zbavuje, až opět nově vyrostlá lamela cementitu doslova „odsaje“ z austenitu dostatečné množství uhlíku, aby se z něj opět mohl vylučovat ferit. A tak se tento difuzní děj velmi rychle střídá, až vznikne lamelární mikrostruktura perlitu. Nejlépe je to patrné na obrázku na následující straně. Protože lamely jsou velmi jemné, často je ani na světelném mikroskopu nevidíme. Proto musíme použít mikroskop s větším dosahovaným zvětšením, tedy mikroskop elektronový.

Další struktury ocelí

Jak je patrné z předchozích snímků, ve struktuře běžné oceli se vyskytuje také ferit (jsou to ty bílé oblasti). Je to fáze, která je přítomná ve formě volných krystalů (tzv. rn) u ocelí s množstvím uhlíku menším než cca 0,8 %. Čím menší je v oceli obsah uhlíku, tím vyšší má ferit podíl ve struktuře. Krystaly feritu jsou světlé, za studena měkké a tvárné a těmito vlastnostmi se vyznačují i oceli s větším podílem feritu (nízkouhlíkové oceli). V následující galerii je na prvním obrázku struktura ocelového plechu s nízkým obsahem uhlíku. Další obrázek nám ukazuje, jak vypadá struktura korozivzdorné oceli legované 18% chromu a 10% niklu. Takové množství niklu rozšiřuje oblast výskytu austenitu do normálních teplot, a tak je struktura této oceli plně austenitická. Z takových ocelí se vyrábějí třeba nerezové příbory, ale i různé části nádoby jaderného reaktoru. Další obrázek ukazuje strukturu tzv. duplexní oceli. To je speciální ocel legovaná cca 22% chromu, 5% niklu, 3% molybdenu a dalšími prvky (mangan, křemík, dusík). Struktura této oceli je duplexní, tj. dvojitá a obsahuje jak ferit, tak i austenit. Ferit se díky leptání ve speciálním leptadle zbarví do modra. Více se o této oceli dozvíte v následující kapitole.

Struktura feritické oceli s obsahem uhlíku 0,048%. Tmavé částice - perlitStruktura feritické oceli s obsahem uhlíku 0,048%. Tmavé částice - perlit