Metaalstructuren en toestandsdiagram. Metaalstructuren en toestandsdiagram. Metaalstructuren en toestandsdiagram. Metaalstructuren en toestandsdiagram

Transcriptie

1 en toestandsdiagram en toestandsdiagram De Eiffeltoren (één van de nietklassieke 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. 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. 1 2 en toestandsdiagram Amorf of kristallijn AMORF ongeordende structuur fysische eigenschappen niet richtingsafhankelijk = isotrope eigenschappen opwarmen: vast => week => vloeibaar vb glas, polymeren, en toestandsdiagram Amorf of kristallijn KRISTALLIJN regelmatige geordende rangschikking symmetrievormen - platte grensvlakken fysische eigenschappen wel richtingsafhankelijk = anisotrope eigenschappen vast smeltpunt vb zout, diamant, metalen 3 4

2 Een metaal is kristallijn Kristallen, bestaande uit atomen die gerangschikt zijn in een kristalrooster, vormen korrels Korrel 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 5 6 Kristalroosters bij metalen De 3 meest voorkomende hoofdgroepen bij staalsoorten zijn het kubus, tetragonaal en hexagonaal rooster Kubisch Vlakken Gecentreerd KVG bezit 14 atomen dichte structuur veel glijdingsmogelijkheden => beter plastisch vervormbaar o.a. bij Al, Cu, Fe, Ni, Pb KVG (Kubisch Vlakken Gecentreerd) KRG (Kubisch Ruimtelijk (of inwendig) Gecentreerd) 7 8

3 Kubisch Ruimtelijk Gecentreerd KRG bezit 9 atomen minder dichte structuur minder glijdingsmogelijkheden => minder plastisch vervormbaar o.a. bij Cr, Fe, Mo, W, V Soorten mengkristallen 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. Fe 3 C Departement TW Geel - LM 9 10 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 2 volledig in elkaar oplosbare metalen Zuivere metalen hebben 1 vast gedefinieerd smeltpunt Smelttraject (brei) Korrels groeien uit de dendrieten Bij elke mengverhouding dezelfde microscopische structuur 11 12

4 2 deels in elkaar oplosbare metalen Smelttraject (brei) Stabiele α-fase of β-fase bij kleine mengverhoudingen Eutectische structuur Lamellenstructuur met afwisselend kristallen van metaal A en B bij afkoelen vanuit de eutectische mengverhouding Mengverhoudingen groter: merendeel α-fase of β- fase + eutectische structuur aan korrelgrenzen Eutecticum = 1 smeltpunt Toestandsdiagram Fe + C Staal 0,06% tot 1,7% C Liquiduslijn grens vloeibaar / brij Soliduslijn grens brij / solid Metastabiels systeem C is gebonden aan Fe (rooster) (volle lijn) 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 = Fe 3 C (ijzercarbide) Stabiele systeem C in de vorm van grafiet (stippellijn) 15 bij 6,67%C (=max) meer %C geeft assen 16

5 Overige begrippen in het solid gebied Ledeburiet Eutecticum 4,3%C Perliet Cementiet+ferriet Onder 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 17 Departement TW Geel - 18 Warmtebehandelingen van staal 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 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 Departement TW Geel

6 Warmtebehandelingen van staal Zachtgloeien Voor staalsoorten met meer dan 0.8% C (gereedschapsstalen) Spanningen vloeien weg in het metaal Carboneren of cementeren - Verhitten tot 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 C - Harde en dunne slijtvaste laag (vb. krukassen) 21