Metaalstructuren en toestandsdiagrammateriaalleer1em.weebly.com/uploads/1/7/1/5/... · 5 Korrel...

Metaalstructuren en toestandsdiagram

De Eiffeltoren (één van de niet-

klassieke wereldwonderen) is 317 meter hoog tot aan de top van de vlaggenstok, zonder de televisieantennes mee te rekenen. Met televisieantennes is de toren 324 meter hoog. Afhankelijk van de omgevingstemperatuur kan de toren enkele centimeters in hoogte veranderen door het uitzetten of inkrimpen van het metaal. De toren heeft vier poten; op verschillende niveaus bevinden zich platforms. De toren weegt 7300 ton (exclusief de fundering). Na zijn bouw was de Eiffeltoren 's werelds hoogste toren en hij is nog steeds de hoogste van Europa als men de televisietorens niet meetelt.

Departement TG Geel - Paul Janssen1


Metaalstructuren

Metaal kent door zijn bijzondere samenstelling van

voornamelijk ijzer en koolstof verschillende verschijnings

vormen met bijhorende fysische eigenschappen.

Deze verschijningsvormen worden voornamelijk bepaald door:

- het afkoeltraject vanuit de smelt,

- % koolstof gehalte

- eventueel bijgevoegde legeringselementen.



Amorf of kristallijn

AMORF

– ongeordende structuur

– fysische eigenschappen niet richtingsafhankelijk

= isotrope eigenschappen

– opwarmen: vast => week => vloeibaar

– vb glas, polymeren,…



Amorf of kristallijn

KRISTALLIJN

– regelmatige geordende rangschikking

– symmetrievormen - platte grensvlakken

– fysische eigenschappen wel richtingsafhankelijk = anisotrope eigenschappen

– vast smeltpunt

– vb zout, diamant, metalen


Metaalstructuren

Een metaal is “kristallijn”

Kristallen, bestaande uit atomen die gerangschikt zijn in een “kristalrooster”, vormen korrels


Korrel

Metaalstructuren

Departement TG Geel - Paul Janssen 6

14 bravaisroosters

7 elementaire hoofdgroepen van kristalroosters zijn op te splitsen tot 14 varianten, nl:

Roosternaam Roostervariant Vectorgegevens

Riblengte Tweevlakshoeken

Triclien P a ≠ b ≠ c α ≠ β ≠ γ

Monoclien P,C a ≠ b ≠ c α = γ = π/2 ≠ β

Orthorombisch P,C,I,F a ≠ b ≠ c α = β = γ = π/2

Tetragonaal P,I a = b ≠ c α = β = γ = π/2

Kubisch P,I,F a = b = c α = β = γ = π/2

Trigonaal P a = b = c α = β = γ < 2/3 π ≠ π/2

Hexagonaal P a = b ≠ c α = β = π/2 γ = 2π/3

Metaalstructuren

Kristalroosters bij metalen

De 3 meest voorkomende hoofdgroepen bij staalsoorten zijn het kubus, tetragonaal en hexagonaal rooster

KVG KRG

(Kubisch Vlakken Gecentreerd) (Kubisch Ruimtelijk (of inwendig) Gecentreerd)


Metaalstructuren

Kubisch Vlakken Gecentreerd KVG

– bezit 14 atomen

– dichte structuur

– veel glijdingsmogelijkheden

=> beter plastisch vervormbaar

– o.a. bij Al, Cu, Fe, Ni, Pb

Departement TG Geel - Paul Janssen 8

Metaalstructuren

Kubisch Ruimtelijk Gecentreerd KRG

– bezit 9 atomen

– minder dichte structuur

– minder glijdingsmogelijkheden

=> minder plastisch vervormbaar

– o.a. bij Cr, Fe, Mo, W, V

Departement TW Geel - LM 9

Toestandsdiagrammen

Substitutioneel opgeloste atomen

Atoom B (= metaal) neemt plaats in van atoom A


Interstitieel opgeloste atomen

Vreemd (niet-metaal) B atoom lost op tussen de eigen A atomen

Beperkte oplosbaarheid vb. Fe3C

Soorten mengkristallen

Toestandsdiagrammen

Structuur van mengsel van 2 metalen

Een mengsel van kristallen doet zich voor indien de toegevoegde atomen van de metalen in overmaat aanwezig zijn en met zichzelf bindingen aangaan

• In vloeibare toestand lossen metalen A en B op, maar bij het stollen scheiden A en B zich af

• Verschillende types kristallen kunnen ontstaan


Toestandsdiagrammen

• Zuivere metalen hebben 1 vast gedefinieerd smeltpunt

• Smelttraject (brei)

• Korrels groeien uit de dendrieten

• Bij elke mengver-houding dezelfde microscopische structuur


2 volledig in elkaar oplosbare metalen

Toestandsdiagrammen

• Smelttraject (brei)

• Stabiele α-fase of β-fasebij kleine mengverhoudingen

• Mengverhoudingen groter: merendeel α-fase of β-fase + eutectischestructuur aan korrelgrenzen

• Eutecticum = 1 smeltpunt


2 deels in elkaar oplosbare metalen

Toestandsdiagrammen


Eutectische structuur

Lamellenstructuur met afwisselend kristallen van metaal A en B bij afkoelen vanuit de eutectische mengverhouding

Ijzer-koolstof diagram

15

Toestandsdiagram Fe + C

Staal – 0,06% tot 1,7% C

Liquiduslijngrens vloeibaar / brij

Soliduslijngrens brij / solid

Metastabiels systeemC is gebonden aan Fe (rooster)(volle lijn)

Stabiele systeemC in de vorm van grafiet(stippellijn)


16

Klein verschil in %C heeft grote invloed op het smelttraject.

C-atomen schikken zich in de ijzerkristallen.

Austeniet / γ-ijzer KVG

Ferriet / α-ijzer KRG

Cementiet = Fe3C (ijzercarbide)

bij 6,67%C (=max)meer %C geeft assen


17

Overige begrippen in het solidgebied

LedeburietEutecticum – 4,3%C

PerlietCementiet+ferrietOnder 4.3%C

Perliet kan lamellair of nodulair zijn (bepaald door afkoelsnelheid)


Warmtebehandelingen

Ijzer-koolstofdiagram is geldig bij voldoende trage afkoelsnelheid(evenwichtscondities)

Snelle afkoeling vanuit de brij-toestand geeft andere structuren

HARDEN

Vorming van martensiet = “invriezen” van de austenietfase

Departement TW Geel - Paul Janssen 18


Harden

– 0,3…0,6% C vereist

– Hardingsdiepte 4 tot 8 mm

– Zeer hard maar bros

– Nadien ontlaten (temperen)(1 a 3 uur op 150 tot 350 °C) om:

• Spanningen weg te laten vloeien in het metaal

• Gewenste hardheid te bekomen

Departement TW Geel - Paul Janssen 19

Warmtebehandelingen van staal

Spanningsvrij gloeien

– Langzame opwarming tot 600°C gedurende 1…3 uren– Langzame afkoeling– Spanningen vloeien weg in het metaal– Om maatstabiel te bevorderen tijdens een thermische behandeling (harden, carboneren,…)

Normaalgloeien (normaliseren)

- Verhitten tot 720°C en bij rustige lucht afkoelen- Voor koolstofgehalte > 0.5%- Toenemende taaiheid, kerfslagwaarde en rek


Warmtebehandelingen van staal

Zachtgloeien

– Voor staalsoorten met meer dan 0.8% C (gereedschapsstalen)

– Spanningen vloeien weg in het metaal

Carboneren of cementeren

- Verhitten tot 850…1000 °C in koolstofrijk milieu

- Meestal gecombineerd met hardingsprocess wat nadien gebeurt => buitenste laag is zeer hard (0,1 tot 2 mm)

Nitreren

- Inbrengen van stikstof bij 500…550 °C

- Harde en dunne slijtvaste laag (vb. krukassen)


Metaalstructuren en toestandsdiagrammateriaalleer1em.weebly.com/uploads/1/7/1/5/... · 5 Korrel...

Documents

Transcript of Metaalstructuren en toestandsdiagrammateriaalleer1em.weebly.com/uploads/1/7/1/5/... · 5 Korrel...