Jak je to s kovy?

Kovy jsou všude kolem nás. Ačkoliv plasty a jiné nekovy jsou čím dál používanější, kovy zůstávají zásadními pro fungování našeho světa. Jejich vlastnosti je předurčují k širokému spektru využití - od mohutných ocelových konstrukcí, přes měděné vodiče, až po hliníkové tepelné výměníky (o wolframových vláknech v žárovkách ani nemluvě). Podívejme se hlouběji do struktury kovů a zjistěme, co tyto jejich vlastnosti dává.

Začněme ab ovo (od začátku) - tedy přesněji řečeno od atomu. Jak nám říká kvantová fyzika, atomy se skládají z jádra, kolem kterého obíhají v různých orbitalech elektrony. Díky nim se atomy mezi sebou vážou, a to buď iontově nebo kovalentně... U kovů si to ale naštěstí můžeme zjednodušit! Kovy mají v nejvzdálenější, valenční vrstvě zpravidla málo elektronů (1, 2 nebo 3), což znamená, že jsou velmi ochotné je sdílet. (Všechny prvky se totiž "snaží" dosáhnout stavu s osmi elektrony ve vnější vrstvě a odevzdat tři elektrony je snazší než jich pět ukrást.) To je mj. i důvod, proč v přírodě nacházíme kovy v minerálech ve formě sloučenin - rud. Navíc díky tomu mají kovy také unikátní atomovou strukturu, která jim dává jejich vlastnosti. Kovy jsou totiž tvořeny atomovými jádry, mezi kterými proplouvají elektrony jakožto tzv. elektronový plyn. To má řadu důsledků, z nichž mezi nejdůležitějšími jsou:

• Atomy můžeme modelovat jako pevné kuličky s určitým poloměrem a strukturu kovů si představovat jako uspořádání takových kuliček
• Volné elektrony znamenají volné nositele elektrického náboje a tepelné energie, díky čemuž kovy dobře vedou elektřinu i teplo.
• Jednotlivé atomy u sebe nedrží směrovými vazbami jako ostatní prvky, nýbrž elektrostatickými silami mezi kladnými jádry a zápornými elektrony. Proto se mohou atomy vůči sobě volně pohybovat více než u ostatních prvků, což umožňuje tvárnost kovů.

Přirozeně se všechny kovy vyskytují v krystalické podobě (včetně rtuti při dostatečně nízké teplotě). Netvoří však velké krystaly jako některé nerosty, ale spoustu malých krystalků nazývaných zrn, ze kterých se skládá celek. Krystalických mřížek (struktur, jakých mohou nabývat krystaly) je více, pro kovy jsou to však jen tři (ostatními se zbývají jiné vědní obory, třeba mineralogie). Jsou to: mřížka krychlová plošně středěná (face-centered cubic - FCC), mřížka krychlová prostorově středěná (body-centered cubic - BCC) a mřížka šesterečná neboli hexagonální (hexagonal close-packed - HCP). Na obrázku vidíte tzv. elementární buňky, jejichž opakováním ve všech směrech vznikne prostorová mřížka.

Mezi kovy, které krystalizují v mřížce FCC patří např. hliník, měď či zlato. U mřížky BCC je to např. chrom či wolfram a u HCP to může být titan, kobalt či zinek.

Jistě jste si všimli, že jeden velmi běžný kov jsem neuvedl jako příklad u žádné z mřížek - železo. Je to tím, že železo (a i jiné kovy, třeba cín) má za různých teplot různé mřížky. Při pokojové teplotě existuje železo ve formě tzv. železa α s mřížkou BCC. Při ohřátí nad 910 °C se struktura změní na krychlovou plošně středěnou mřížku železa γ, která zůstává až do teploty 1394 °C. Nad ní se opět vrací prostorově středěná BCC, tentokrát nazývaná železo δ. Ta vydrží až do teploty 1538 °C, kdy se železo taví.

Samozřejmě, že jediné ideální mřížky jsou ty imaginární. Skutečné mřížky v sobě mají mnoho vad a nedokonalostí, které kazí jejich prostorovou symetrii. Mohou to být poruchy bodové, čárové a plošné.

Čárové poruchy, nazývané též dislokace jsou pro nás zvláště zajímavé, protože způsobují plastické deformace (umožněné, jak už víme, zvláštní vazbou atomů kovů). Existují dva druhy dislokací - hranové (vlevo) a šroubové (vpravo).

Dislokace (stejně jako bodové poruchy) mohou cestovat zrny, dokud nenarazí na jejich hranici. Představme si, že dáme železný prut do ohýbačky a začneme jej ohýbat. V prutu začne působit napětí, které uvede dislokace do pohybu - a je to právě tento mikroskopický přesun množství dislokací, který makroskopicky vnímáme coby plastickou deformaci materiálu. Materiál, který v sobě nemá žádné dislokace, se nedokáže plasticky deformovat. Při průběhu ohýbání prutu však dochází ještě k něčemu - v materiálu vlivem napětí vznikají nové dislokace, které si s těmi starými navzájem překážejí v pohybu a materiál postupně ztrácí schopnost se plasticky deformovat. Často se stává v hutní výrobě, že polotovaru "dojde" plastická deformace dříve, než dostane svůj finální tvar. Potom se mu musí schopnost plastické deformace vrátit žíháním.

Jak vidíte, spousta věcí týkajících se materiálu, i když mohou vypadat záhadně, se dá vysvětlit poměrně jednoduše na dění na úrovni mřížek a zrn. Jsou to nejen věci, o nichž jsem dnes psal, ale třeba i kalení nebo studenty obávaný diagram Fe-Fe₃C, na které se podíváme v budoucnu. Bohužel, ne vždy si studenti z výuky odnesou pořádné pochopení, jak to s těmi kovy vlastně je. Doufám, že i v takových případech tento článek někomu poslouží.

Zdroje:

1. PTÁČEK, Luděk a kol. Nauka o materiálu I. 2., opr. a rozš. vyd. Brno: CERM, ©2003. xii, 516 s. ISBN 80-7204-283-1.
   
2. BAILLIE, Caroline, ed. a VANASUPA, Linda, ed. Navigating the materials world: a guide to understanding materials behaviour. Amsterdam: Academic Press, ©2003. xiii, 242 s. ISBN 0-12-073551-2.