Materiály kolem nás

Od pravěku až po současnost je naše civilizace závislá také na využívání různých materiálů často protichůdných vlastností. Některé z nich daly dokonce jméno prehistorickým epochám (doba kamenná, doba železná). Dnešní dobu bychom mohli označit jako dobu křemíkovou, neboť krystalický křemík je základem většiny elektroniky. Ale vezměme to pěkně popořádku.

Jeden z prvních materiálů, které člověk využil, byl kámen. Proč ho lidé začali používat? Je tvrdý a například pazourek se také snadno štípe a vytváří ostré hrany. Pomocí nich pak dokázali porcovat maso a čistit kůže.

13.20 – Pazourek je druh křemene – chalcedon. Lze ho dobře štípat a byl používán k výrobě pravěkých nástrojů.
Zdroj

Podobně využíváme vlastnosti dřeva při jeho zpracování. Dřevo můžeme poměrně snadno štípat ve směru jeho podlouhlých vláken, zatímco ve směru k nim kolmém je to velmi obtížné. Truhlář, chce-li ze dřeva vyrobit nohu židle, musí dřevo také řezat určitým směrem, aby byla dostatečně pevná a dlouho sloužila.

Materiál, který má v různých směrech různé vlastnosti, nazýváme anizotropní (viz Aktivita 3 a 4 v úvodu této kapitoly). Naopak izotropie materiálu značí stejné vlastnosti ve všech směrech.

13.21 – Struktura celulózového vlákna.
Zdroj

Člověk si také vyráběl nástroje ze zvířecích kostí, které jsou dalším velmi zajímavým materiálem. V tlaku jsou dostatečně pevné, aby unesly celou hmotnost zvířete nebo člověka. Musí však vykazovat i dostatečnou pevnost při ohýbání. Aby dokázaly splnit všechny tyto požadavky, mají velice zajímavou strukturu. Struktura kostí je tvořena krystaly fosfátu vápníku (65 %), které jsou obepnuty kolagenními vlákny. Tím se kost stává pevnější, než kdyby v ní kolagenní vlákna nebyla. Taková struktura je dnes velmi často využívána pro vytvoření materiálu lepších vlastností, než vykazuje každý materiál sám o sobě nazývá se kompozitní materiál.

13.22 – Kost je tvořena dvěma materiály – nanokrystaly hydroxylapatitu, které jsou „omotány" pružnými vlákny kolagenu. Minerální látky tvoří až 65 % objemu kosti.
Zdroj

V průběhu staletí se člověk naučil vyrábět železné nástroje. Železo a další kovy mají na rozdíl od kamene nebo dřeva velmi zajímavou vlastnost – jsou kujné. To znamená, že je můžeme tvarovat kováním, například rozklepat do velmi tenkých plíšků, aniž by se rozpadly. Nejprve byly železné nástroje poměrně jednoduché a nekvalitní. Postupně člověk vyvinul různé zajímavé techniky zpracování železa, kterými železu dodal další vlastnosti. Nejvýznamnější postup zpracování železa je výroba oceli. Ocel je slitina železa a uhlíku a dalších prvků, přitom uhlíku je do 2,14 %. Při obsahu uhlíku vyšším než 2,14 % se hovoří o litinách.

Surové železo obsahuje procento uhlíku poměrně velké (asi 3 %) a je špatně kujné, protože je křehké. Ocel se vyrábí ze surového železa odstraňováním přebytečného uhlíku a dalších prvků. Kvalitu oceli pak ovlivňuje dodání dalších, tzv. legujících prvků (např. mangan, nikl, chrom nebo křemík).

Dnes se prakticky veškeré surové železo zpracovává na ocel různých vlastností a různých užití v průmyslu a stavebnictví. Rozlišujeme více než 2 000 druhů oceli. Železo nebo ocel můžeme poměrně dobře recyklovat.

Železo a ocel

13.23a – Vítkovická železárna v roce 1895. Převzato z http://www.parostroj.net/.
Zdroj

13.23b – Lití roztaveného kovu do formy
Zdroj

13.23c – Tvarování železa pomocí pneumatického kladiva
Zdroj

13.23d – Sklad hotových ocelových výrobků
Zdroj

13.23e – Damascénská ocel má charakteristické zabarvení a kresbu. Tato ocel umožňovala vytvořit zbraně, které byly pružné, ale zároveň také velmi tvrdé. Převzato z https://www.extrastory.cz/tajemstvi-damascenske-oceli-kterou-pouzivali-krizaci-a-dalsi-valecnici-stredoveku
Zdroj

Stejně jako železo nás také provází od úsvitu lidstva keramika. Jestliže dříve jsme ji používali hlavně na výrobu nádob na uchování obilí, vína, oleje (či jiných tekutin), dnes je její použití mnohem širší. Ve své podstatě jde o soudržné, ve vodě prakticky nerozpustné polykrystalické látky získané z anorganických nekovových surovin. Vypálením výrobku v žáru dojde ke zpevnění a vytvoření nové mikrostruktury. Chemickým složením se jedná o různé oxidy, např. Al₂O₃ a SiO₂ v cihlářských výrobcích nebo porcelánu.

Hlavní vlastností keramiky je její tvrdost a odolnost. Vydrží i velké teploty, nepodléhá korozi. Její slabou stránkou však je, že se špatně tvaruje a je křehká. O tom svědčí množství střepů, které se nám z minulých dob dochovaly, zachovalá prehistorická nádoba je velkou vzácností. Dnes se s keramickými materiály můžeme setkat při stolování, nalezneme je však i v jiných oblastech. Například v elektrotechnice (izolátory), při výrobě nástrojů (hroty vrtáků), ve stavebnictví (cihly, sanitární keramika, obklady, střešní krytina, …).

Keramika

13.24a – Terakotová armáda, Xian, Čína (autor fotografie: Jan Klusák)
Zdroj

13.24b – Moderní keramická stínidla. Převzato z https://www.earch.cz/cs/design/keramicka-designova-svitidla-v-modernim-interieru.
Zdroj

13.24c – Keramické izolátory na transformátoru
Zdroj

13.24d – Malovaný hrnec (kultura s moravskou malovanou keramikou, lokalita Těšetice-Kyjovice-„Sutny“. Převzato z https://www.archeologieznojmo.cz/archeologicke-exponaty
Zdroj

13.24e – Náhrada kyčelního kloubu. Keramika v oblasti kloubu zaručuje minimální otěr, stabilitu povrchu a vysokou biokompatibilitu. Převzato z https://www.bbraun.cz/cs/products/b/bicontact-univerzalnisystempronahradykyelnihokloubu.html
Zdroj

13.24f – Hroty vrtáků bývají potaženy např. nitridem titanu, který zajišťuje zlepšení řezných vlastnosti, nižší tření a vyšší životnost vrtáku. Materiál nože je tzv. tvrdokov (zelená barva), wolframkarbid ve směsi s kobaltem. Krycí vrstva je titan nitrid TiN, který má ve viditelné oblasti krásnou zlatou barvu, v elektronovém mikroskopu je této vrstvě přiřazena vínová barva.
Zdroj

Od počátku 20. století došlo díky rozvoji chemie k vytvoření celé skupiny materiálů, které dnes nazýváme plasty. Chemicky jsou základem plastů dlouhé organické molekuly – polymery. Základním strukturním prvkem polymerů je atom uhlíku C, který je díky své atomové struktuře schopen vytvořit čtyři kovalentní vazby. Podle druhu přísad (plniva, změkčovadla, stabilizátory a jiné) získávají velmi rozdílné vlastnosti. Skrývají se pod zkratkami: PET (polyethylentereftalát), PVC (polyvinylchlorid), PE (polyetylen), PP (polypropylen), PS (polystyren) a další.

Plasty dokázaly ve velké míře nahradit tradiční materiály (sklo, látky nebo dřevo), které však byly recyklovatelné nebo byla jednoduchá jejich likvidace. U plastů se celosvětově řeší jejich opětovné zpracování, protože jinak často končí ve volné přírodě.

Zkuste si projít následující galerii a uvědomit si, kde všude se s plasty setkáváme. Další informace naleznete na https://www.samosebou.cz/.

Využití plastů

13.25a – S polyethylentereftalátem (PET) se setkáváme nejčastěji ve formě láhví. Ty jsou vyráběny vstřikovacím vyfukováním a slouží k balení tekutin, především nápojů.
Zdroj

13.25b – Expandovaný polystyren (EPS) je lehký a má výborné izolační vlastnosti, proto je hojně využíván ve stavebnictví – používá se k výrobě speciálních stavebních desek k zateplení fasád (tzv. fasádní polystyren) a desek k tepelné či zvukové izolaci podlah.
Zdroj

13.25c – EPS slouží také k výrobě podnosů, talířů, misek, termoboxů či kelímků na nápoje. Toto použití se dnes snažíme eliminovat a nahradit ho biologicky rozložitelnými materiály.
Zdroj

13.25d – PVC je jeden z nejrozšířenějších plastů na světě. PVC je dobře tvarovatelný materiál – slouží například k výrobě podlahových krytin, instalatérských trubek, gramofonových desek nebo izolací elektrických vodičů.
Zdroj

13.25e – LDPE neboli nízkohustotní polyetylen slouží k výrobě obalových materiálů. Je zdravotně nezávadný a recyklovatelný.
Zdroj

13.25f – Plastové odpady jsou poměrně dobře recyklovatelné, přesto často končí na skládce nebo dokonce v přírodě. V roce 1950 činila celosvětová produkce plastů 1,7 miliónů tun, v roce 2020 již 367 miliónů tun.
Zdroj

13.25g – Produkty s těmito symboly jsou recyklovatelné. Písmena pod symbolem hodně napoví. Pokud je v symbolu jenom číslo, zkuste si jeho význam dohledat třeba na www.samosebou.cz.
Zdroj

13.25h – Použití vyrobených plastů a míra jejich recyklace v EU. Převzato z https://www.europarl.europa.eu/resources/library/images/20210727PHT09201/20210727PHT09201_original.jpg
Zdroj

Deformační křivka

Od počátku se materiály vyvíjely metodou pokus-omyl, získávaly se zkušenosti, vylepšovaly se postupy. Dnes k vývoji materiálů používáme jak zkušební laboratoře, tak například počítačové modelování. Díky tomu můžeme vytvářet nové pokročilé materiály a znát přesně jejich vlastnosti.

A jak dané materiály testujeme? Jedním z testů mechanických vlastností materiálu je deformační zkouška, při které materiál natahujeme nebo stlačujeme, popřípadě jinak deformujeme. Můžete si připomenout úvodní aktivitu č. 2. V tomto experimentu bylo trháno bavlněné vlákno krejčovské nitě. Z jeho výsledků můžeme usoudit, že toto vlákno vydrží poměrně velké namáhání, ale má také svou mez pevnosti. Při působení síly o velikosti kolem 10 N dojde k jeho přetržení (viz obrázek 13.5).

Tahová deformační zkouška je důležitou zkouškou pevnosti nejen bavlněných nití, ale především konstrukčních a stavebních materiálů. Vezmeme vzorek zkoumaného materiálu, upneme ho do trhacího stroje a postupně zvyšujeme sílu, kterou ho napínáme (viz schéma experimentu). Jestliže přitom měříme navíc prodloužení daného vzorku materiálu, můžeme vykreslit graf ukazující, jak deformace závisí na zatížení. Tato závislost se nazývá deformační křivka.

13.26 – Schéma zařízení pro tahovou zkoušku.
Zdroj

Abychom mohli porovnat dva materiály, musíme mít k dispozici buďto stejně dlouhé a stejně silné vzorky, nebo zavést veličiny, které budou charakterizovat daný materiál, a ne použitý zkoumaný vzorek. Takovými veličinami jsou normálové napětí \(\sigma_\mathrm{n}\) a relativní prodloužení \(\varepsilon\).

Normálové napětí \(\displaystyle \sigma_\mathrm{n} = \frac{F}{S} \)

\(F\) – velikost síly působící kolmo k průřezu o obsahu \(S\) daného vzorku

\(S\) – obsah příčného průřezu zkoumaného vzorku

13.27 – Definice normálového napětí.
Zdroj

Normálové napětí \(\sigma_\mathrm{n}=F/S\) je podíl deformační síly \(F\) a plochy \(S\), na kterou síla kolmo (normálově) působí. Vyjadřuje se v Pa, běžné konstrukční materiály mají pevnost ve stovkách MPa.

Relativní prodloužení \(\displaystyle \varepsilon=\frac{\Delta l}{l_0} \)

\(\Delta l=l-l_0\) – prodloužení vzorku

\(l\) – délka vzorku při namáhání

\(l_0\)– délka v nenapjatém stavu

13.28 – Typický zkoumaný vzorek a jeho charakteristiky.
Zdroj

Relativní prodloužení zase ukazuje, o kolik se materiál prodlouží vzhledem ke své původní délce \(\varepsilon=\Delta l/l_0\). Je to veličina bezrozměrná, někdy ji vyjadřujeme v procentech.

Kontrolní otázka

Vzorek oceli je namáhán silou 156 N. Jaké normálové napětí je ve vzorku vytvořeno, jestliže má obsah příčného průřezu 1,56 mm²?

243 MPa
100 MPa
100 Pa
243 Pa

Kontrolní otázka

Spočítejte relativní prodloužení vzorku oceli, jestliže při namáhání silou 5,6 kN se z původní délky 7,25 cm prodloužil na 7,38 cm.

0,13 cm
55,7
1,8 %
1,3 %

13.30 – Deformační křivka a její průběh.
Zdroj

V grafu deformační křivky znázorňujeme normálové napětí \(\sigma_\mathrm{n}\) v závislosti na relativním prodloužení \(\varepsilon\).

Nejprve se vzorek chová pružně. To znamená, že když vzorek materiálu namáháme silou nebo napětím a následně zatěžující sílu odstraníme (materiál odlehčíme), vrátí se vzorek do původní délky \(l_0\). Zkuste trochu natáhnout pružinku z propisovací tužky. Po odlehčení se vrátí na původní délku. Deformace je elastická. Kdybyste ale natáhli pružinku více, už by se po odlehčení do původní délky nevrátila, ale zůstala by zčásti trvale deformovaná. Taková deformace je plastická, trvalá.

V grafu deformační křivky elastické deformaci přibližně odpovídá lineární část grafu, plastické zbylá část až do bodu přetržení.

V oblasti elastické deformace je normálové napětí přímo úměrné relativnímu prodloužení.

V grafu vidíme přímku procházející počátkem. Tato závislost je matematicky popsána Hookovým zákonem \(\sigma_\mathrm{n}=E\varepsilon\). Konstanta úměrnosti \(E\) je Youngův modul pružnosti, který vyjadřuje strmost křivky, a tedy tuhost materiálu, o níž ještě bude řeč později. Jeho hodnota je velká pro materiály s vysokou tuhostí, které se málo deformují i při vysokých zátěžných silách. Youngův modul vyjadřujeme v Pa, ale v praxi se setkáme spíše s jeho násobky: MPa, GPa (např. pro ocel platí \(E=200\ \mathrm{GPa}\)). Hookův zákon je rovnicí přímky, popisuje tedy pouze lineární část deformační křivky.

Poznámka na okraj: Inženýrské napětí

Možná se divíte, že deformační křivka ve svém závěru klesá. Zde je vysvětlení: v typickém kovovém materiálu dochází od určité chvíle k jevu, který nazýváme tečení materiálu. Od tohoto okamžiku se již nezvyšuje působící síla, dokonce dochází k jejímu poklesu, a proto je křivka v této části klesající. Někdy bývá v literatuře uváděno tzv. skutečné napětí. To je definováno jako síla působící na skutečný průřez zkoušeného materiálu. a protože se zkoumaný vzorek při natahování zužuje (vznik krčku), skutečný příčný průřez je menší, a skutečné napětí tak nabývá větších hodnot, deformační křivka roste až do přetržení.

V technické praxi pracujeme s inženýrským napětím a stejně tomu je tak i v této učebnici.

13.32 – Rozdíl mezi inženýrským a skutečným napětím.
Zdroj

Poznámka na okraj: Jednoduchý model elastické deformace

Pevné těleso si můžeme představit jako malé kuličky (atomy) spojené malými pružinkami (znázorňujícími meziatomární síly). Budeme-li takovou pevnou tyč tahat za její konec silou \(F\), každá z pružinek se prodlouží ve směru síly o stejně malý kousek, a celkové prodloužení \(\Delta l\) tak bude přímo úměrné síle \(F\). Píšeme \(\Delta l\propto F\).

Toto prodloužení \(\Delta l\) je také přímo úměrné původní délce tyče l₀. Proč? Jestliže se meziatomární pružinky prodlužují zcela stejně, v delší tyči bude atomů (a také pružinek mezi nimi) větší počet, a celkově se tedy tyč musí více prodloužit. Máme tedy \(\Delta l\propto l_0\).

Nakonec ještě uvažme, že napětí pro danou sílu \(F\) je nepřímo úměrné obsahu příčného průřezu tyče \(S\) (viz definice). Prodloužení \(\varepsilon\) je tedy také nepřímo úměrné obsahu \(S\). Celkově tedy máme

\( \Delta l \propto \frac{Fl_0}{S} \) nebo také \( \Delta l=k\frac{Fl_0}{S}\;. \)

Vydělíme-li rovnici \(l_0\), získáme vztah

\[ \frac{\Delta l}{l_0} = k\frac{F}{S}\;, \]

který můžeme také přepsat do tvaru

\[ \frac{F}{S} = \frac{1}{k} \frac{\Delta l}{l_0} \]

neboli je tu nám již známý Hookův zákon ve tvaru \(\sigma_\mathrm{n}=E\varepsilon\).

Tabulka s hodnotami Youngova modulu pružnosti a mezí pevnosti (zdroj: https://material-properties.org/)
Látka	E (GPa)	Mez pevnosti (MPa)
Al	70,7	45
Cu	123	200
Ag	79	170
Au	78,5	100
Fe α	212	262
diamant	1 050	–
dural	76	450
litina	110	414
mosaz	110	315
běžná ocel (do 0,25 % uhlíku)	200	400–550
nástrojářská ocel (0,5–1,5 % uhlíku)	200	1860
SiO₂	73	48
kaučuk	0,05	5
sklo	80	60
plexisklo	3,3	87
beton	60	2
kevlar	130	3600

Poznámka: Pro některé materiály jsou hodnoty pevnosti v tlaku nebo v tahu přibližně stejné, pro jiné naopak velmi rozdílné.

Porovnejme nyní různé materiály z hlediska jejich pevnosti a pružnosti:

13.33 – Deformační křivka různých materiálů.
Zdroj

Tři různé deformační tahové křivky na obrázku ukazují tři velmi odlišné materiály – keramiku, kovy a nevyztužené polymery (plasty nebo gumy). Všechny křivky ukazují, že v oblasti elastické deformace napětí roste při prodlužování vzorku. Toto napětí ale roste různě strmě, dosáhne různé nejvyšší hodnoty napětí a různého největšího relativního prodloužení. Konec křivky signalizuje okamžik přetržení vzorku materiálu.

Modrá křivka ukazuje keramiku, která má z těchto tří materiálů nejvyšší tuhost (velká síla způsobí pouze malou deformaci, to odpovídá velkému modulu pružnosti). Současně má nejvyšší pevnost (při přetržení vzorku bylo dosaženo největšího napětí) a nakonec vykazuje nejmenší tažnost (nejmenší relativní prodloužení při přetržení). Takové vlastnosti mají všechny křehké materiály.

Druhým extrémem je křivka zelená, která odpovídá chování některých polymerů (PVC, PET a další). Pevnost (největší dosažená síla) i tuhost (strmost nárůstu síly vzhledem k prodloužení) jsou ve srovnání s keramikou a kovy velmi nízké. Naopak polymery vykazují vysokou tažnost. Je vidět, že relativní prodloužení dokonce roste bez výrazného nárůstu zatěžovacího napětí. Tyto materiály nazýváme elastické.

Tahová křivka kovových materiálů (červená) leží mezi těmito dvěma extrémy. Kovy mají relativně vysokou pevnost, tuhost i tažnost.

Kontrolní otázka

Odečtěte z grafu mez pevnosti daného materiálu.

13.34 – Deformační křivka materiálu.
Zdroj

60 MPa
60 GPa
600 MPa
240 MPa

Kontrolní otázka

Který materiál je více elastický?

13.35 – Porovnání dvou deformačních křivek.
Zdroj

materiál (1)
materiál (2)

Při pohledu na deformační křivku můžeme ještě mluvit o houževnatosti. Houževnatost

v sobě zahrnuje jak pevnost, tak tažnost a je vyjádřena plochou pod tahovou křivkou. Tato plocha vyjadřuje deformační energii na jednotku objemu nutnou pro porušení materiálu.

13.36 – Obsah plochy pod deformační křivkou vyjadřuje houževnatost materiálu.
Zdroj

Nejjednodušeji bychom mohli říct, že houževnatost vyjadřuje odolnost materiálu proti vzniku porušení. Je vidět (viz obrázek 13.37), že z hlediska houževnatosti jsou na tom nejlépe kovy. Keramiky mají sice největší pevnost, ale malou tažnost (jsou křehké), mají tedy malou houževnatost. Polymery sice vydrží velké deformace, ale nejsou schopny unést velkou sílu. Jejich houževnatost je opět velmi malá.

Podle hodnot pevnosti, tuhosti, tažnosti a houževnatosti, ale i dalších vlastností, které jsme zatím nezmínili, se různé materiály hodí pro různé účely.

13.37 – Rozdělení materiálů dle jejich vlastností.
Zdroj

Zdroj a podrobnější rozdělení: http://www-materials.eng.cam.ac.uk/mpsite/interactive_charts/strength-toughness/basic.html

Poznámka – Keramika: V grafu je ukázána pevnost v tlaku, tahová pevnost keramiky je obvykle 10 % tlakové. Ostatní materiály: Pevnost v tahu/tlaku

Kontrolní otázka

Srovnejte tři druhy materiálů (keramika, kovy, plasty) z obrázku 13.37 výše a rozhodněte:

Který materiál má největší pevnost?

polymery
kovy
kompozity
keramiky

Kontrolní otázka

Srovnejte tři druhy materiálů (keramika, kovy, plasty) z obrázku 13.37 a rozhodněte:

Který materiál (obrázek 13.49) má největší houževnatost?

dřevo
keramika
polymery
kompozity

Kontrolní otázka

Je guma houževnatá, nebo křehká?

houževnatá
křehká

Kontrolní otázka

Na jakou aplikaci byste použili materiál s velkou houževnatostí?

neprůstřelná vesta
okenní tabulka
vodorovná stropní konstrukce
obal počítače

Kontrolní otázka

Na jaký výrobek potřebujeme materiál s velkou tažností? potravinářská obalová fólie
horolezecká lana
svislé stavební konstrukce
lžička

Fakt, zda je materiál pevný či křehký, jak moc je elastický nebo zda je houževnatý, tedy určuje, v jaké oblasti jej použijeme. Tyto vlastnosti musíme změřit. a pak je také nutno přesně znát napětí, která v mostech, tričkách nebo převodovkách vznikají. Vybraný materiál pak musí zároveň zatížení vydržet, ale celá konstrukce nesmí být příliš masivní. Po mostě budou jezdit jen auta a nikoli vlaky a tanky, převodovka by neměla mít 300 kg, to pak roste spotřeba materiálu nebo spotřeba pohonných hmot.

Vidíme, že výběr materiálu není tak jednoduchý! Někdy je to pěkná materiálová věda.

Struktura materiálu

Pojďme nyní spojit makroskopické vlastnosti materiálu (jeho pevnost a pružnost) s jeho mikroskopickou strukturou. Velmi záleží na uspořádání jednotlivých atomů a na vazbách mezi nimi. Současná technika nám umožňuje podívat se dovnitř různých látek, což nám velmi napomáhá k tomu, abychom porozuměli, jaké jsou jejich vlastnosti.

Materiály pod mikroskopem

13.38a – Mikroskopická struktura ořechového dřeva (optický mikroskop, zvětšeno 40×). Vidíme podlouhlé a rovnoběžné buňky, které mu dávají jeho typickou strukturu.
Zdroj

13.38b – Pohled na průřez ulity ušně mořské ve skenovacím elektronovém mikroskopu
Zdroj

13.38c – Kousek mikročipu zobrazený pomocí AFM mikroskopu. Zdroj: Petr Klapetek, Český metrologický institut.
Zdroj

13.38d – Vícestěnná uhlíková nanotrubka zobrazená v průřezu transmisním elektronovým mikroskopem (hrbolky na povrchu jsou nanočástoce TiO₂). Zdroj: Marel Eliáš, Lenka Zajíčková, Preeti Kaushik a Jan Michalička, Středoevropský technologický institut (CEITEC), Vysoké učení technické v Brně.
Zdroj

13.38e – Obrázek atomů na povrchu křemíku. STM – řádkovací tunelovací mikroskop – mapuje povrch vodivého materiálu pomocí změny proudu při pohybu sondy nad vzorkem (jednotka 1 Å = 10^-10 m). Zdroj: https://www.nrel.gov/materials-science/scanning-tunneling.html
Zdroj

Podívejte se také na nasledující dvě videa:

Buňky můžeme vidět i v optickém mikroskopu. Co když ale struktura materiálu není vidět tak snadno? V tom případě máme k dispozici výkonnější mikroskopy.

Skenovací elektronový mikroskop (SEM) nebo transmisní elektronový mikroskop (TEM)

13.39 – V elektronovém mikroskopu slouží k vytvoření obrazu svazek urychlených elektronů.
Zdroj

Princip transmisního elektronového mikroskopu (TEM z anglického transmission electron microscope) je velmi podobný principu optického mikroskopu. Svazkem urychlených elektronů prosvítíme zkoumaný vzorek a obraz pak soustředíme pomocí elektromagnetických čoček na fluorescenčním stínítku nebo na monitoru počítače.

V případě skenovacího elektronového mikroskopu (SEM z anglického scanning electron microscope) soustředíme svazek elektronů do jednoho bodu vzorku a tímto svazkem skenujeme („prohlížíme“) určitou oblast na jeho povrchu. Přitom detektorem zachycujeme rozptýlené a sekundární elektrony a vytváříme obraz na monitoru počítače.

Mikroskop atomárních sil (AFM)

Princip AFM mikroskopu (AFM z anglického atomic force microscope) je zcela jiný. Velmi ostrý hrot sondy se pohybuje po povrchu vzorku nebo těsně nad ním a detekuje se vzájemná meziatomová přitažlivost. Aby nedošlo k poškození hrotu, používá se i bezkontaktní režim, kdy se nosník sondy rozkmitává a měří se velikost jeho amplitudy, která závisí na vzdálenosti hrotu a vzorku. Takto mapujeme povrch vzorku.

13.40 – Princip AFM mikroskopu (mikroskop atomárních sil). Vytvořeno podle: https://www.wikiskripta.eu/w/Mikroskopie_skenovac%C3%AD_sondou
Zdroj

Tyto přístroje nám ovšem ukazují převážně pouze povrch materiálu. Když se chceme podívat na jeho vnitřní strukturu, musíme použít jinou techniku – rentgenovou strukturní analýzou nebo třeba elektronovou difrakci pomocí TEM. Tyto metody totiž umožňují podívat se, jak jsou uspořádány atomy uvnitř hmoty. A častokrát je to jinak než na jejím povrchu.

Krystalová mřížka

Jak vznikají pevné látky? K vytvoření pevné látky dochází většinou při ochlazování kapaliny (například při tuhnutí vody v mrazáku). Vznikne mnoho zárodků krystalů, které se zvětšují a spojují. Oblast látky, která je tvořena mnoha malými krystaly, se označuje jako polykrystalická.

13.41 – Struktura polykrystalické látky
Zdroj

Za vhodných podmínek (například při desublimaci vodní páry v atmosféře) může vzniknout jen jeden větší krystal. Oblast látky, kterou tvoří jeden velký krystal, se nazývá monokrystalická.

13.42 – Vodní kapky při ochlazování vytvářejí krásné symetrické krystaly – sněhové vločky.
Zdroj

Jestliže pevná látka nemá pravidelnou strukturu (například polyethylen, tvořený velmi dlouhými molekulami), nazýváme ji amorfní.

Krystalické a amorfní látky

13.43c – Tento podivuhodný tvar představuje jediný monokrystal křemíku.
Zdroj

13.43d – Zlato je stejně jako většina kovů polykrystalická látka; krystaly, které tvoří, jsou tak malé, že je ani nevidíme.
Zdroj

13.43e – Jantar je přírodní pryskyřice. Řadíme ho mezi amorfní látky.
Zdroj

13.43f – PVC spolu s dalšími polymery patří také mezi amorfní látky.
Zdroj

Jak vypadají vnitřní struktury těchto látek? Podívejme se například na křemen – SiO₂, který je v zemské kůře hojně zastoupen a tvoří součást různých hornin, třeba žuly nebo pískovce. Na následujícím rovinném modelu vidíme, že atomy křemíku (zelená barva) a kyslíku (červená barva) jsou zcela pravidelně uspořádány. Toto uspořádání se opakuje periodicky v rámci celého krystalu či krystalových zrn v polykrystalické látce. V látkách amorfních toto pravidelné uspořádání nalezneme jen těžko.

13.44 – Rozdíl mezi krystalickou (a) a amorfní (b) strukturou. Zde křemen a křemenné sklo. Povšimněte si, že v amorfním skle sice chybí pravidelné uspořádání, ale blízké okolí každého atomu křemíku nebo kyslíku je hodně podobné okolí těchto atomů v krystalickém křemeni. Je to dáno směrovostí chemických vazeb.
Zdroj

Protože v krystalických látkách najdeme pravidelné uspořádání částic (atomů, molekul, iontů) ve velkých oblastech, hovoříme o tzv. krystalové mřížce, zatímco amorfní látky takové uspořádání nevykazují.

Krystalová mřížka vznikne tak, že prostor rozdělený na jednotlivé buňky (můžeme si je představit jako malé krychličky vymezující část prostoru) osadíme jednotlivými částicemi. „Motiv usazení“ částic v jedné takové krychličce se pravidelně opakuje a vzniká krystalická látka.

13.45 – Ukázky osazení mřížky atomy. Když jsou osazeny pouze v uzlových bodech, mřížku nazýváme simple cubic (SC), kubická jednoduchá buňka. Máme-li navíc atom uprostřed, hovoříme o body centered (BCC), kubická prostorově centrovaná. Jsou-li atomy uprostřed každé stěny, buňka se nazývá – face centered (FCC), kubická plošně centrovaná.
Zdroj

Krystalová mřížka a vlastnosti materiálů

Typ krystalové mřížky a přítomné poruchy mají zásadní vliv na fyzikální vlastnosti materiálů. Známým příkladem je uhlík, který za normálního tlaku a teploty může existovat ve formě velmi tvrdého diamantu (diamantová mřížka = FCC mřížka se 2 atomy v každém uzlovém bodě) a velmi měkkého grafitu (hexagonální mřížka). Kromě toho tvoří atomy C další struktury: nanotrubky, fullereny (molekuly ve tvaru fotbalového míče) a grafen.

13.46 – Různá uspořádání atomů uhlíku dávají materiálu rozdílné vlastnosti.
Zdroj

Mnohem důležitějším příkladem jsou ale různé typy ocelí. Ocel je pravděpodobně materiál s největší škálou dosažitelných mechanických vlastností. Čisté železo tuhne při teplotě 1538 °C a vytváří BCC mřížku (kubická prostorově centrovaná); této fázi se říká ferit. Po ochlazení pod 1394 °C se BCC mřížka mění v FCC (kubická plošně centrovaná) mřížku – austenit.

A při teplotách nižších než 912°C má rovnovážná fáze opět BCC mřížku (ferit). Chemickým legováním (např. přidáním niklu) je možné dosáhnout toho, že mřížka FCC je stabilní i za pokojové teploty. Pokud je v oceli přítomen uhlík, je možné rychlým ochlazením (zakalením) vytvořit martenzitickou fázi (tetragonální mřížka). Taková ocel je velmi pevná, ale také křehká. Tepelným zpracováním (kalením a popouštěním) lze „naladit“ pevnost a houževnatost na požadovanou hodnotu.

Obecně lze říci, že feritické oceli jsou levné, a proto se používají na velké konstrukce (nosníky budov, lodě, atd.). Je možné je zpevnit tepelným zpracováním, jsou magnetické; jedním z nežádoucích důsledků BCC mřížky je tzv. tranzitní chování, kdy s klesající teplotou feritické oceli křehnou a při teplotách cca −80 °C jsou křehké asi jako sklo. Problémem je také snadná koroze těchto ocelí.

13.47 – Běžná ocel je magnetická a používáme ji hlavně ke stavbě lehkých konstrukcí.
Zdroj

Austenitické oceli jsou nemagnetické a při přidání Cr odolávají dobře korozi. Nerezavějící oceli, se kterými se běžně setkáváte (příbory, potravinářské nádoby, …), jsou austenitické. Nevykazují tranzitní chování, a používají se proto mj. i pro aplikace pracující za nízkých (kryogenních) teplot, například při zkapalňování zemního plynu a jeho přepravě.

13.48 – Potrubí spojující terminál zkapalňující zemní plyn a tanker, který ho přepravuje.
Zdroj

Poruchy mříže a mechanické vlastnosti

Mechanické vlastnosti materiálů úzce souvisí s poruchami krystalové mříže. Je známé, že plastická (trvalá, nevratná) deformace krystalických materiálů je za běžných teplot způsobená pohybem čarových poruch – dislokací. Jde o pohyb celé jedné řady atomů, jak je znázorněno na následujícím dvourozměrném obrázku.

13.49 – Čarová dislokace (porucha krystalové mříže) a její pohyb při zatížení materiálu. Výsledkem je trvalá deformace.
Zdroj

Zaznamenejme oblast elastické a plastické deformace do grafu deformační křivky.

13.50 – Deformační křivka, oblast elastické a plastické deformace.
Zdroj

Obě oblasti jsou odděleny tzv. mezí kluzu. Jedná se o napětí, které je nutné k tomu, aby se dislokace v materiálu začaly pohybovat. Pokud je tento pohyb snadný (vyžíhané kovy), je mez kluzu nízká. Pokud je obtížný, jde o vysoce pevné materiály. Pokud je nemožný, materiál není schopen za dané teploty plastické deformace a je křehký. „Snadnost“, s jakou se dislokace pohybují mřížkou, je dána řadou faktorů:

Pevností vazby: zejména kovalentní vazby (polovodiče) a iontové vazby (keramiky) jsou příliš pevné, aby se dislokace mohla za pokojové teploty pohybovat. K pohybu potřebuje pomoc tepelných kmitů mřížky (= tepelné aktivace); keramiky jsou proto tvárné až při teplotách přesahujících 1000 °C.
Přidáním jiných atomů (substituční nebo intersticiální zpevnění) – přítomnost cizích atomů modifikuje chemické vazby a ztěžuje dislokacím pohyb.
Zvýšením dislokační hustoty (deformační zpevnění) – množství dislokací v materiálu se může měnit o mnoho řádů. V materiálech s vysokou dislokační hustotou si dislokace vzájemně překážejí a k jejich pohybu je potřeba vyšší napětí. Zvýšit dislokační hustotu lze zejména tvářením za studena, tj. kováním, válcováním, protahováním apod.
Zjemnění mikrostruktury – hranice zrn (tj. částí krystalů se stejnou orientací) nebo rozhraní mezi různými fázemi jsou pro dislokace překážkou. Zjemněním zrna nebo vytvořením lamelárních struktur lze výrazně zpevnit materiál.
Přítomnost dalších fází (precipitační zpevnění) – malé precipitáty, tj. části materiálu s jiným chemickým složením a mřížkou, než je základní materiál, mohou velmi efektivně zpevnit materiál. Vyvinutí technologie vytvoření husté sítě precipitátů Al₂Cu v hliníkových slitinách podstatně zvýšilo jejich pevnost a umožnilo rozvoj letectví.

Příklad 1

Najděte v tabulkách teplotu tání, velikost Youngova modulu a rychlost šíření zvuku pro Fe, W, Ga, Al, Cu a diamant. Co můžeme usoudit o pevnosti vazeb u těchto prvků?

Řešení:

Materiál	E (GPa)	T_M (°C)	Rychlost zvuku (m/s)
Ga	9,8 (20°C)	30	2740
Al	70	660	5000
Cu	120	1085	3810
Fe	210	1538	5900
W	410	3422	5200
C (diamant)	1050	4027	18000

Je vidět, že \(E\) a \(T_\mathrm{M}\) spolu dobře korelují, obě vlastnosti jsou dány především pevností atomové vazby. U rychlosti zvuku je patrný trend, ale korelace není úplně dobrá, roli hrají další efekty než pouze pevnost vazby, zejména hmotnosti atomů. Lze usoudit, že vazba mezi atomy uhlíku je z daných příkladů nejpevnější.

13.51 – Porovnání vybraných materiálů.
Zdroj

Poznámky

často se nesprávně udává, že nejvyšší teplotu tání má wolfram;
Youngův modul materiálů závisí na pevnosti vazby, a nelze ho tedy měnit; např. všechny typy ocelí mají E blízké 210 GPa;
mez kluzu nemá tak jasnou spojitost s pevností vazby jako Youngův modul; je např. možné připravit ocel v široké škále pevností.

Kompozitní materiály

S rostoucím porozuměním vlastnostem různých materiálů se lidstvu daří využívat jejich vlastností lépe a lépe. Nebojíme se je kombinovat, a tím získat materiály, které jsou zároveň pevné i pružné, a to nám umožňuje jich využít například v lékařství, leteckém průmyslu nebo třeba ve stavebnictví.

Kompozitní materiál je složen ze dvou nebo více různých materiálů (matricová a rozptýlená fáze – výztuže), které pevně spojíme. Tím docílíme lepších vlastností.

13.52 – Struktura kompozitního materiálu.
Zdroj

Hlavním úkolem matricové fáze je držet výztuže na místě, přenášet napětí v materiálu a chránit výztuže od okolí. Účel výztuže je různý: například kovy zvyšují tahové napětí materiálu (materiál je pevnější a odolnější proti namáhání), částice keramiky zase zajistí materiál, který odolává lomům, polymery zase umožní vytvořit pružnější materiál při zachování pevnosti.

Kompozitní materiály jsou zajímavou cestou, jak zlepšit vlastnosti materiálu. Jejich dalšímu rozšíření nyní brání především vyšší cena a zatím ne zcela vyřešená recyklace.