Materiály a technologie pro udržitelný rozvoj

S rostoucí světovou populací se zvyšují požadavky na udržení globální rovnováhy mezi prosperující ekonomikou, kvalitním životním prostředím a cenově přístupnými materiály, technologiemi a produkcí tak, aby byl zajištěn udržitelný rozvoj společnosti. Pokročilé materiály umožňují nové technické aplikace. Zcela mění původní funkcionalitu a hrají rozhodující úlohu ve snižování spotřeby energetických a surovinových zdrojů. Zefektivnění výrobních technologií, ale i hledání nových možností konstrukčního řešení a technických aplikací materiálů v konečném důsledku redukují emisi oxidu uhličitého, zlepšují životní prostředí a mají pozitivní dopady na ekonomiku.

Neméně významným přínosem pro redukci environmentální stopy jsou i účinné technologie recyklace a vývoj konstrukčních materiálů pro přesně stanovený účel použití. Uplatnění zásad navrhování lehkých konstrukcí s vyšší spolehlivostí a delší životností snižuje jejich energetickou náročnost a prodlužuje jejich životnost. Velká míra opětovného využití materiálů po vyčerpání životnosti konstrukce se stává stále významnější podmínkou provozu a tvoří základ přechodu na cirkulární ekonomiku, která je neoddělitelnou součástí koncepce udržitelného rozvoje.

MECHANICKÝ MONITORING KONSTRUKCÍ

Stárnutí technologických infrastruktur energetiky, chemického průmyslu, strojírenství, ale i konstrukcí ve stavebnictví a postupné narůstání rizika vzniku mezních stavů spojených s pravděpodobným následkem omezení provozu, anebo se vznikem havárie, je přirozeným procesem, jehož negativní důsledky mohou být zmírněny vhodnou volbou konstrukčních materiálů a technologií. Degradační procesy stárnutí materiálů mechanismy únavy, creepu anebo poškození křehkým lomem a korozí znehodnocují mechanické vlastnosti a v důsledku toho, v závislosti na zatížení a prostředí, zkracují životnost konstrukčních částí. Predikce okamžiku selhání konstrukce je velmi obtížná a je zatížena vysokou nepřesností, neznáme detailně účinek všech faktorů, které mezní stav determinují.

Kromě standardního testování materiálů v průběhu výroby je proto nutné konstrukci i v provozu monitorovat. Velmi perspektivním směrem mechanického monitoringu je indentační testování materiálu přímo na provozované konstrukci, kdy není potřebná odstávka a konstrukce se testováním nijak nenaruší. Monitoring tak přináší značnou úsporu provozních nákladů průmyslových infrastruktur a samozřejmě i přesnou informaci o jejich technickém stavu v jakémkoli okamžiku provozu za skutečných provozních podmínek.

Tento způsob přesného hodnocení zbytkové životnosti napomáhá spolu se znalostí převládajícího degradačního procesu formulovat mikrostrukturní podmínky materiálu s vysokou rezistencí proti lomovému poškození. Kromě toho umožňuje uplatnění tohoto lokálního přístupu (local approach) poměrně přesně naplánovat opravy a jejich rozsah a formulovat podmínky inovativního technologického řešení konstrukce další generace včetně mezních podmínek jejího provozu. Vývoj technické a funkční specifikace senzorického osazení infrastruktury, například tlakových systémů nebo uskladňovacích nádrží, ale i energetických zařízení a staveb, specifikace kritických stavů mikrostruktury konstrukčních materiálů a jejich evaluace v závislosti na provozních podmínkách je jedním z velmi důležitých úkolů péče o jejich technický stav s pozitivními ekonomickými dopady. Požadavky na tyto způsoby prodlužování životnosti konstrukcí bez újmy na provozní spolehlivosti zaznívají nejen od provozovatelů, ale obecně mají i racionální zdůvodnění z pohledu udržitelného rozvoje společnosti, šetří materiálové a energetické zdroje.

KONSTRUKČNÍ MATERIÁLY A TECHNOLOGIE

Konstrukční materiály hrají v rozvoji civilizace dominantní úlohu a jejich vývoj je velmi těsně spjat s významnými mezníky technického rozvoje. Zprvu kámen byl nahrazován a doplňován porézní keramikou a kameninou a při stále větším využívání bronzu a později i železa a dalších kovů se až do šedesátých let minulého století jejich podíl na celkové produkci konstrukčních a kovových materiálů zpomalil. V objemu nově vyvíjených materiálů dnes podíl polymerů, kompozitů, technické keramiky a skel narůstá. Zásadním způsobem se ve vývoji také mění vztah mezi technologií výroby zpracováním konstrukčních materiálů a jejich technickými aplikacemi. V posledních několika desetiletích se ve vývoji kompozitních materiálů podařilo dokonce přerozdělit úlohy základních funkcí pevnosti a houževnatosti mezi strukturní složku kompozitu a mnohem více než kdy předtím se výzkum soustředil především na dopady kombinačních účinků ve změnách vlastností kompozitního materiálu a na studium charakteristik rozhraní jeho složek.

Druhým významným momentem ve vývoji technologií výroby a používání materiálů je skutečnost, že se postupně podařilo přejít na koncepci, kdy je materiál připravován přímo pro daný způsob namáhání, tvar a podmínky zatěžování konstrukční části. Jinými slovy, pro vybrané technické aplikace se vyvíjí materiál s danými mechanickými vlastnostmi, především s požadovanou kombinací pevnosti a houževnatosti, která musí být zachována po celou dobu technického života výrobku.

Jedním z velmi důležitých cílů systematického vývoje konstrukčních materiálů s požadovaným vztahem pevnostních charakteristik a houževnatosti je proto nejen hledání závislosti mechanických charakteristik na chemickém složení, ale také na mikrostrukturních parametrech, které mechanické vlastnosti nejvíce ovlivňují. Dobrým příkladem je vývoj konstrukčních materiálů určených pro výrobu lopatek energetických turbín. Tyto materiály musí silovému namáhání odolávat při vysokých teplotách vstupní páry tak, aby bylo dosaženo maximální účinnosti zařízení. Od padesátých let minulého století až do dnešní doby bylo možné, díky cílevědomému výzkumu mikromechanismů poškození materiálu při vysokých teplotách, posunout hranici maximální teploty energetické páry o více než 200 °C. Zprvu tvářené Ni superslitiny byly vystřídány slitinami vyráběnými usměrněnou krystalizací a později i slitinami připravovanými technologií mechanického legování s využitím metod práškové metalurgie. Použití intermetalických sloučenin je jiným vyšším stadiem vývoje návrhu materiálu pro výrobu lopatek energetických turbín. Dalším výhledovým záměrem je využití technické keramiky. Každá změna konstrukčního materiálu je v tomto procesu podmíněna technickým výzkumem, na který navazují zkoušky mechanických vlastností ve vztahu k tvaru a podmínkám zatěžování za vysokých teplot.

Snad k největším změnám v technologii výroby a zpracování konstrukčních materiálů došlo ve druhé polovině minulého století u kovů, zejména u ocelí, a z neželezných kovů u Al slitin. Bylo tomu tak proto, že kovy stále představují materiály s nejvýhodnější kombinací pevnostních charakteristik a houževnatosti, a z tohoto důvodu jsou to také materiály vhodné k produkci vysoce namáhaných konstrukčních částí. Zdokonalené technologie výroby těchto materiálů zaručují vyšší užitné vlastnosti a téměř vždy tomu je za nižších nákladů produkce.

Zatímco na začátku 20. století se výroba polotovarů z kovových materiálů opírala především o zkušenosti, měla jen kusový charakter a hmotnost odlévaných a jinak zpracovávaných taveb byla omezena velikostí výrobních zařízení, s rozvojem techniky i poznáváním technologických zákonitostí ve vztahu k vlastnostem materiálu se situace velmi rychle měnila.

Výrazně vzrostly kapacity a zaváděla se přesná technologická pravidla v organizačním zajišťování výroby. Nové metody kontroly technologie měřením a registrací, později i automatizací procesů, které nahrazovaly lidské rozhodování o technologických parametrech, zlepšovaly kvalitu produkce a zvyšovala se i produktivita práce. Výstavba velkých závodů na výrobu tvářených polotovarů si vyžádala moderní tavicí zařízení, převážně indukční a vakuové pece o velké kapacitě a výkonu, a se zaváděním mechanizace byly aplikovány i nové metody tavení v elektrických obloukových a plazmových pecích, vzrostly tak i možnosti účinné rafinace kovů. Velkým pokrokem bylo zavedení plynulého lití namísto odlévání kovu do kokil. Plynulé lití zajistilo kontrolované podmínky tuhnutí a odstranilo často fyzicky namáhavou práci s kusovými odlitky. Kontinuální lití pásů nejprve ze slitin hliníku jako výchozího materiálu pro další válcování namísto za tepla válcovaných pásů přineslo řadu technických předností při výrobě plechů. Podobně byla zaváděna výroba pásů z oceli anebo Cu slitin. Velmi se rozšířilo i plynulé lití tyčí, trubek a profilů z neželezných kovů a jejich slitin.

Předností výtlačného lisování je výroba i velmi tvarově složitých profilů z Al slitin. Pro válcování i obtížně tvařitelných materiálů se dnes používají víceválcové stolice, které umožňují válcování folií i v tloušťkách několik setin mm. Významně se změnila i technologie kování. Moderní automatická kovací zařízení navazují na průběžné ohřívací pece s automatickým podáváním ohřátého materiálu do kovací zápustky, vyzvednutím hotového výkovku z kovací zápustky a jeho přenesením do transportního kontejneru.

Zejména v posledních letech prodělal velký pokrok systém kontroly technologických parametrů, který napomohl k hlubšímu poznávání všech technologických procesů, jejich modelování a simulace s cílem řízení konečných vlastností polotovarů a výrobků podle požadavků odběratele. Za příklad lze uvést zařízení pro kontrolu válcování bezdotykovým měřením tloušťky válcovaných pásů a řízením rovnoměrnosti napětí v šířce pásu, které pracuje s rychlostí až 2 000 m/min. do finální váhy svitků několika tun. Nově navržené plazmové a laserové technologie nanášení povlaků, výroba nových progresivních typů materiálů, jakými jsou intermetalika, kovokeramické materiály pro brzdné systémy nebo nanostrukturní materiály, jsou stále v popředí zájmu rozvoje technologií. Velmi progresivní vývoj zaznamenaly také klasické technologie výroby a zpracování oceli. Automatizovaná výroba válcovaného materiálu, tlakové lití či technologie práškové metalurgie zásadně zvýšily jakost hutní produkce.

V souvislosti s rozvojem nových technologií se také výrazně zvyšují nároky na dodržování hygienických předpisů při výrobě a zpracování kovů a likvidaci odpadů, které tyto výroby přinášejí. Řada předpisů stupňuje nároky na provozní podmínky a omezuje výrobu a použití těch kovů, jež mohou být i v malých množstvích nebezpečné pro zdraví lidí.

DEGRADAČNÍ PROCESY

Užitné vlastnosti konstrukčních materiálů nezůstávají během provozu strojů a zařízení neměnné. V důsledku dlouhodobého působení napěťově-deformačního pole, teploty, silového působení funkčních povrchů nebo chemických vlivů okolního prostředí dochází k iniciaci degradačních procesů, při kterých se v závislosti na změnách struktury vlastnosti materiálů znehodnocují. Protože působení degradačních procesů závisí většinou na čase, s rostoucí dobou exploatace konstrukčních částí roste i riziko jejich selhání, přestože podmínky provozu zůstávají stejné.

Hodnocení odolnosti konstrukčních materiálů proti působení degradačních procesů se odvíjí od závislosti mechanických vlastností materiálu na čase stanovených za různých podmínek zatěžování. Tyto výsledky lze použít pro konkrétní technické aplikace materiálu, při působení dalších faktorů ke stanovení okamžiku vzniku mezního stavu konstrukčních částí či k odhadu zbytkové životnosti strojů a zařízení.

Většina degradačních procesů je završena selháním, lomem konstrukční části, při kterém se pod vlivem napětí formují ve struktuře materiálu dva nové volné povrchy. Nízkoenergetický křehký lom se uskutečňuje bez výrazné trvalé plastické deformace přímo porušováním meziatomových vazeb, jako tomu je u skla a keramiky. Defekty struktury, póry, dutiny nebo mikrotrhliny mohou z důvodu koncentrace napětí v jejich okolí proces křehkého lomu výrazně usnadnit. U polykrystalických kovových materiálů a technické keramiky se transkrystalický křehký lom šíří po hladkých fazetách s definovanou krystalografickou orientací a je označován jako transkrystalické štěpení. Za zvláštních podmínek se lom šíří po hranicích zrn a je označován jako interkrystalický.

U některých kovových materiálů je vznik transkrystalického štěpení, a to i za velmi nízkých teplot, prakticky vyloučen. Kvazistatické zatěžování vede v tomto případě k transkrystalickému tvárnému porušení, které se uskutečňuje procesy růstu a koalescence dutin nukleovaných na částicích sekundární fáze. Časově závislá trvalá plastická deformace konstrukčních materiálů může být vyvolána i dlouhodobým působením, byť nízkého napětí za zvýšených a vysokých teplot. Degradační proces, jenž může za těchto podmínek vzniknout, creep, se uskutečňuje podobným mechanismem jako u tvárného porušení.

Kromě creepových mechanismů poškození existují i další degradační procesy závislé na čase. Termoplasty se při zvýšených teplotách a nízkých rychlostech deformace chovají jako viskózní látka a blíží se svým chováním kapalině, naopak při nízkých teplotách jsou lineárně elastické a mají vlastnosti podobné sklu. Charakter lomových procesů termoplastů závisí na teplotě. Při dostatečně nízkých teplotách vzniká křehký lom. Nad teplotou skelného přechodu dochází při zvýšené úrovni napětí k dloužení struktury termoplastu a k tvárnému lomu.

Výrazné změny v lomovém chování jsou charakteristické nejen pro polymery, ale zejména pro kovy krystalizující v kubické prostorově centrované anebo hexagonální soustavě. Pod tranzitní teplotou dochází jen ke vzniku nízkoenergetického křehkého lomu někdy i štěpení, avšak nad touto teplotou se trhlina především v počátečních stadiích šíří mechanismem tvárného porušení.

Zatěžování materiálu při vysokých rychlostech deformace, kdy je nutné počítat s účinky napěťových vln, vede k úzce lokalizované elasto-plastické deformaci často i za současného extrémního zvýšení teploty. Vliv vysokých rychlostí deformace na charakter lomového porušení závisí na podmínkách rozvoje plastické deformace. Materiály citlivé na rychlost deformace, jakými jsou uhlíkové oceli, se většinou porušují štěpným dynamickým lomem, zatímco u materiálů s vysokou houževnatostí dochází k dynamickému tvárnému lomu.

Jedním z velmi závažných degradačních procesů je únavové poškození konstrukčních materiálů vznikající v důsledku působení časově proměnlivé složky napětí. Vysoká úroveň amplitudy napětí způsobující výraznou plastickou deformaci vede k nízkocyklové únavě. Naopak nízká amplituda napětí, doprovázená převážně jen elastickou deformací, vyvolává vysokocyklovou únavu. Průběh únavového porušení a charakter lomových ploch závisí nejen na mikrostruktuře materiálu, ale také na řadě dalších faktorů spojených nejen se způsobem namáhání, ale také s podmínkami okolního prostředí.

Degradační procesy vyvolané chemickou interakcí materiálu a okolního prostředí, které znehodnocují nejen povrchové vrstvy, ale často i jeho vnitřní strukturu, se označují za korozi. V zásadě existují dva základní typy koroze. Koroze chemická, jež se uskutečňuje v elektricky nevodivých, suchých oxidačních nebo redukčních plynech, a koroze elektrochemická, která probíhá ve vodných roztocích elektrolytů, v taveninách hydroxidů a solí, v atmosféře a půdě. Intenzitu korozního napadení v některých korozních systémech materiálu a prostředí výrazně ovlivňuje mechanické napětí, které způsobuje tzv. korozi pod napětím, jejímž specifickým projevem je korozní praskání. Příčinou je opakované porušování křehké pasivační vrstvy oxidů na povrchu kovu, které podporuje jeho anodické rozpouštění. Časově proměnlivá složka působícího napětí v materiálu vystaveném koroznímu prostředí vyvolává korozní únavu. Vodík o vysoké fugacitě, při vysokém tlaku nebo elektrochemicky vylučovaný vodík velmi snadno difunduje do struktury ocelí a způsobuje vodíkové zkřehnutí, které se projevuje výrazným snížením houževnatosti.

Procesy opotřebení způsobují nežádoucí změny povrchu a jsou vyvolány buď vzájemnou interakcí funkčních povrchů, anebo funkčního povrchu a média, které opotřebení vyvolává. Opotřebení se projevuje jako odstraňování nebo přemisťování částic hmoty z funkčního povrchu, které je často doprovázeno i jinými chemickými nebo elektrochemickými procesy. Prvotní příčinou adhezivního opotřebení jsou nerovnosti funkčních povrchů, které jsou při působení tlakové síly ve vzájemném relativním pohybu. Abrazivní opotřebení vzniká v důsledku silové interakce funkčního povrchu jednoho tělesa s povrchovými nerovnostmi jiného tělesa nebo tvrdých částic pevné fáze při jejich vzájemném smykovém pohybu. Objemový otěr se při abrazi projevuje škrábáním a rýhováním funkčního povrchu, které vedou k omezení či úplné ztrátě funkce konstrukční části. Erozivní opotřebení a kavitační opotřebení je spojené vždy s dynamickým působením kapalného nebo plynného média na funkční povrch konstrukční části. Únavové opotřebení vzniká u funkčních povrchů, které jsou vystaveny opakovanému tlakovému namáhání při valivém pohybu. V povrchových vrstvách takto namáhaného materiálu dochází k proměnlivým elastickým a elasto-plastickým deformacím, které mohou v závislosti na hodnotě působícího napětí iniciovat podpovrchové mikrotrhliny.

VÝBĚR MATERIÁLU V NÁVRHU KONSTRUKCE

Znalost průběhu degradačních procesů významným způsobem ovlivňuje tvorbu kritérií volby konstrukčního materiálu pro daný účel použití. Mezní napěťově-deformační charakteristika, lomová houževnatost nebo parametry limitního poškození materiálu determinují maximální dovolené namáhání konstrukční části. Kritérium návrhu konstrukčního materiálu je potom spolu s tvarovým designem funkční části podmínkou minima její hmotnosti a ekonomickými podmínkami cestou pro optimální volbu konstrukčního materiálu. Návrh materiálu se tak v konečném důsledku stává i záležitostí strukturního designu, který je zejména u nových progresivních typů materiálů, jakými jsou kompozity, nutnou podmínkou efektivního využití jejich vlastností. Hodnocení fázově strukturních charakteristik materiálu v přímé vazbě na rozvoj degradačních procesů a na metody optimalizovaného návrhu materiálu pro daný účel použití tak tvoří linii spojující design vnitřní stavby materiálu s tvarovým designem funkční části, která je z tohoto materiálu vyrobena.

Výběr vhodného materiálu pro výrobu konstrukce nebo její části je jedním z klíčových kroků inženýrského designu a významně ovlivňuje její spolehlivost a bezpečnost. Avšak pro množství materiálů, které je dnes na trhu k dispozici, je návrh konstrukčního materiálu proces nesmírně obtížný. Kromě vlastní funkce materiálu a splnění jeho funkčních požadavků jsou zde i požadavky na bezpečnost, spolehlivost a životnost výrobku, ale také limitující podmínky na jeho cenu.

Kromě vlastností materiálu, jež jsou při jeho výběru rozhodující, je nutné uvažovat i jejich rozptyl. Nízká variabilita vlastností určujících jeho volbu dává dobré předpoklady k mnohem přesnějšímu odhadu průběhu degradačních procesů, to umožňuje snížení koeficientu bezpečnosti a tím i velké úspory hmotnosti s pozitivními ekonomickými dopady. To je zásadní zejména u těch výrobních oborů, kde je vyžadována vysoká úroveň bezpečnosti technického provozu konstrukce a náklady na výrobní materiály mohou mnohdy výrazně přesáhnout i více než 50 % celkových nákladů.

Podobně u návrhu materiálů pro náročné inovativní aplikace nových technologií musí být splněny podmínky vyšší úrovně homogenity mikrostruktury; to povede k menšímu rozptylu vlastností. Tak lze materiály aplikovat při komplikovaném namáhání, za zvýšených teplot, proměnlivém napětí, korozi a působení dalších vlivů. To jsou předpoklady ke změnám návrhových kritérií zohledňujících zvýšenou bezpečnost, ale také vyšší účinnost, např. energetických zařízení.

S požadavkem cenové dostupnosti, zejména při hromadné výrobě, velmi úzce souvisí i požadavek na snadnou reprodukovatelnost výroby konstrukčního materiálu, tedy na takovou technologii výroby, u níž by byla zajištěna minimální variabilita vlastností. Aby byla garantována požadovaná přesnost výroby komponent konstrukčních částí, technologie výroby konstrukčního materiálu musí mít s tímto zřetelem návaznost na celý technologický proces výrobku. Tyto předpoklady dávají další možnosti ke snížení koeficientu bezpečnosti, aniž by byla snížena spolehlivost nebo redukována životnost finálního výrobku.