Pořád doba železná?

Ne nadarmo si lidé údobí svého vývoje spojovali s materiálem, který převážně používali. Ve škole jsme se učili o době kamenné, bronzové a železné. V posledních třiceti letech se mění způsob chování lidstva a rozmáhají se mnohé nové materiály. Jmenujme jen některé: moderní hořčíkové slitiny užívané v raketovém a leteckém průmyslu; nejrůznější typy plastických hmot; kompozity, kde je polymer zpevněn kovovými nebo uhlíkovými vlákny; tvárné keramické materiály; nanovlákna a nanotrubičky či křemíkové destičky počítačových čipů. Mnohým se proto možná zdá, že vstupujeme do nové „materiálové epochy“. Zatím tomu tak ale není.

Aniž si to uvědomujeme, bez oceli nemůžeme přežít ani v moderní době. Například současné osobní automobily, které váží víc než tunu, jsou z poloviny tvořeny součástmi z oceli. Tak tomu bylo už před 80 až 100 lety. Jedna válcovna na Moravě vyrábí statisíce tun kolejnic. Při průměrné váze 80 kg na běžný metr by se z nich za jediný rok mohla postavit železniční trať z Ostravy do Lisabonu. U nás za tepla vyráběný válcovaný drát o průměru 8 mm by omotal zeměkouli na rovníku víc než 20krát. Vyrábějí se z něj nejen kordové dráty do pneumatik, ale také hřebíky, šrouby, pletivo a další předměty. Svým výjimečným postavením je ocel doslova královnou mezi materiály. A to jsme ještě nezmínili jednu její zásadní výhodu – recyklovatelnost. Umíme ji sešrotovat a znovu použít. A pokud se to nepodaří a starý plechový hrnec skončí na skládce, postupně zreziví a v podobě oxidu železa (okují, tedy rzi) se vrací do zemské kůry – na rozdíl od umělých hmot, alobalu či jiných moderních materiálů, které přetrvají věky.

Svět dnes ročně vyrábí přes miliardu tun oceli. Abychom ji mohli v podobě různých výrobků používat, musíme ji tvářet. Tváření za tepla je vstupní technologie, kdy ocel zahříváme na teplotu obvykle vyšší než 1000 °C a účinkem vnějších sil, např. kováním nebo válcováním, měníme její tvar. Zpevňování účinkem deformace v průběhu tváření je doprovázeno uzdravováním struktury, což umožňuje velké plastické deformace. Pokud pochopíme děje, které se v materiálu odehrávají, a dokážeme je řídit, uplatňujeme tzv. termomechanické tváření.

Termomechanické tváření

Základními parametry jsou teplota, změna tvaru čili deformace a deformační rychlost, která je dána změnou deformace za časovou jednotku. Protože celé tváření probíhá v čase, je to děj kinetický a čas přistupuje jako další parametr, se kterým musíme při tváření počítat. Ocel je slitina železa s uhlíkem a ostatními příměsovými prvky (manganem, křemíkem, chromem, niklem a dalšími legujícími prvky včetně nečistot, jako jsou síra a fosfor). Atomy vytvářejí v oceli krychlovou mřížku. Při teplotě 1000 °C je ocel ve struktuře ve stavu austenitickém, kdy atomy kromě umístění v rozích krychle jsou také ve středu ploch – krychličku tedy tvoří 14 atomů. Díky hustotě obsazení atomů v plochách a vybraných směrech se může uplatňovat skluzový mechanismus, kterým dosahujeme velké změny tvaru tělesa bez porušení soudržnosti.

Ke skluzu dochází díky existenci pohyblivých dislokací, což jsou čárové poruchy (hranové nebo šroubové), vlastně chybějící řady atomů. Tak, jak postupně materiál zatěžujeme čili deformujeme, vznikají jednak další dislokační čáry, které se ale postupně začínají protínat, zakotvovat a zásoba plasticity se vyčerpává. Materiál se další deformaci brání tím, že zvyšuje svůj deformační odpor. Naštěstí pro nás při překročení jisté kritické deformace se ocel začíná uzdravovat. V deformované buněčné struktuře vznikají zárodky téže austenitické fáze, které jsou měkké, postupně vyplňují deformovaná zrna, ocel rekrystalizuje, uzdravuje se, deformační odpor se snižuje. Tento proces se cyklicky opakuje a umožňuje něco, čemu říkáme ustálený plastický tok materiálu. To je princip tváření materiálu za tepla.

Když do oceli přidáme mikrolegující prvky, jako je niob, vanad nebo titan, a zajistíme zpomalení rekrystalizace vylučováním sloučenin těchto prvků s uhlíkem, struktura tvářená válcováním se dostává do stavu deformované usměrněné textury. Vzniknou plochá palačinková zrna, která se následně změní na velmi jemnou strukturu (feritickou krychličku s atomy v rozích a jedním uprostřed). Tato má vynikající pevnost při dostatečné tažnosti a stejný výrobek lze vyrobit z oceli o menší hmotnosti. Jestliže umíme pochopit a matematicky popsat takový průběh tváření a stanovit výslednou strukturu materiálu, jsme schopni proces kontrolovat. Když navíc uplatníme řízené ochlazování, abychom se dostali do požadované struktury, splnili jsme svůj úkol a můžeme poskytnout vynikající výrobek – ať už drát válcovaný za tepla nebo kolejnici. Podobné sofistikované postupy se používají u karosářských dílů. Lisování kupříkladu blatníku auta probíhá na relativně vysoké tažnosti a po vypálení laku dochází k vytvrzení struktury (Bake-Hardening). Ocel TRIP (transformačně indukovaná plasticita) se používá na bezpečnostní výztuhy do dveří automobilů. Podobných, přísně specifických metod je řada.

Ačkoli si neumíme představit život bez mobilů a počítačů, do práce pořád jezdíme autem či vlakem, což jsou v principu pohyblivé ocelové „bedny“. Jídlo uchováváme v ledničce, a to je jen menší ocelová „bedna“. Ostatně i mobily a počítače jsou často uzavřeny v ocelových „bedýnkách“. Važme si proto ocelových technologií. Budou nás provázet ještě dlouho. Stále žijeme v době železné a ocel zůstává i nadále základním materiálem naší civilizace.